Geavanceerde boog-geactiveerde zekeringoplossing voor toepassingen met hoge spanning en hoog stroomsterkte
I. Onderzoeksachtergrond en kernproblemen
1.1 Onderzoeksachtergrond
Met de continue uitbreiding van het schaaleffect van elektriciteitsnetwerken en de toenemende korte-slagscapaciteit, worden hogere eisen gesteld aan beschermingsapparatuur voor stroombeperking bij storingen. Bestaande mainstream-oplossingen omvatten supergeleidende stroombeperkers (SFCL), hybride stroombeperkende schakelaars en hybride stroombeperkende vuses. Hieronder zijn hybride stroombeperkende vuses de marktpreferentie geworden vanwege hun hoge technologische rijpheid, kosteneffectiviteit en brede toepasbaarheid.
Echter, bestaande technologieën hebben twee belangrijke beperkingen:
• Elektronisch bestuurd type: Relieert op gevoelige elektronische componenten en een externe voeding voor besturing, waardoor het kwetsbaar is voor fouten of storingen door componentenfouten of verlies van besturingsenergie. De betrouwbaarheid wordt beperkt door externe omstandigheden.
• Vonkgestart type: Hoewel het voordelen biedt zoals eenvoudige structuur, sterke weerstand tegen interferentie, compacte grootte en lage kosten, zijn de nominale stroom (meestal ≤600A) en doorsnijvermogen (meestal ≤25kA) relatief laag, waardoor het moeilijk is om aan de urgente behoeften van toepassingen met hoge spanning en stroom (bijvoorbeeld grote metallurgie, chemische fabrieken, datacenters) te voldoen.
1.2 Kerncontradictie
De prestatieverbetering van vonkgestarte vuses staat voor een fundamentele contradictie: de afweging tussen snelle werking en stroomdraagvermogen. Om snelle werking te bereiken (lage pre-arcing I²t waarde) is een kleine doorsnede van de vernauwing van het vuselement vereist. Aan de andere kant vergroot het verhogen van het nominale stroomdraagvermogen een grotere doorsnede van de vernauwing. Het vergroten van de doorsnede verhoogt de pre-arcing I²t waarde, wat leidt tot vertraagde werking tijdens kortsluitingen. Deze vertraging laat de daadwerkelijke kortsluitstroom stijgen, wat uiteindelijk leidt tot doorsnijfalen.
II. Oplossing: Sleuteltechnologische doorbraken en innovatieve ontwerp
2.1 Werkingprincipe
Deze oplossing maakt gebruik van een vonktrigger als het kernzintuig en triggerunit. De structuur bestaat voornamelijk uit twee koperplaten, een intern zilveren vuselement (met specifiek ontworpen vernauwingen), vullingsmateriaal en een behuizing. Het doorsnijproces is als volgt:
- Vonken: Wanneer er een kortsluitstroom optreedt, smelt de vernauwing van het vuselement snel en vonkt, waardoor een initiële vonkspanning ontstaat.
- Triggering: Deze vonkspanning activeert snel de parallel aangesloten explosieve interruptor (elektrische ontsteker).
- Stroomcommutatie: De interruptor explodeert, vormt een pad met hoge weerstand, dwingt de kortsluitstroom om te commuteren naar de parallelle vonkvurende vusvertakking.
- Doorsnijden: De vonkvurende vus vonkt, genereert een zeer hoge vonkspanning die de stroom tot nul dwingt, waarmee snelle stroombeperkende onderbreking wordt bereikt.
2.2 Kerninnovatie: Ontwerp met hoge stroomdichtheid in de vernauwing
De triggerstroomwaarde (I₁) is een sleuteleparameter die de succesvolle doorsnijding bepaalt, en moet binnen het optimale bereik van 8-15kA blijven. Voor vonkgestarte ontwerpen is de nominale stroom sterk gerelateerd aan de triggerstroom.
De kerndoorbraak van deze oplossing ligt in het aanzienlijk verhogen van de stroomdichtheid in de vernauwing. Via theoretische afleiding:
• Triggerstroomwaarde I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Pre-arcing I²t waarde ∝ (doorsnede van de vernauwing (S))²
Conclusie: Bij dezelfde nominale stroom en kortsluitcondities, vereist een hogere stroomdichtheid in de vernauwing een kleinere doorsnede (S), waardoor de pre-arcing I²t waarde wordt verlaagd. Dit zorgt voor snelle werking zelfs onder extreem hoge kortsluitstromen, waardoor betrouwbare doorsnijding mogelijk is. Het ontwerpdoel van deze oplossing is om deze meting van het huidige productniveau van ~1000 A/mm² te verhogen naar meer dan 3000 A/mm².
2.3 Structuur optimalisatie en simulatieverificatie
• Simulatietool: ANSYS 11.0 software werd gebruikt voor parametrische modellering op basis van APDL-taal, waardoor nauwkeurige berekening van de weerstand van het vuselement en simulatie van het pre-arcing proces mogelijk was.
• Selectie van vuselementstructuur: Het traditionele ronde gatontwerp werd opgegeven ten gunste van een rechthoekig gatontwerp. Deze structuur maximaliseert de stroombelasting in niet-vernauwde gebieden, waardoor lagere weerstand en hogere stroombelasting binnen dezelfde volume worden bereikt, waardoor de contradictie tussen stroombelasting en snelheid perfect wordt opgelost.
• Parameteroptimalisatie: Belangrijke parameters zoals de breedte van de vernauwing (b), de breedte van het gat (c), de afstand (d) en de dikte (h) werden geoptimaliseerd via multidimensionale simulaties. De optimale oplossing voor minimaliseerde weerstand werd gezocht terwijl de fabricagehaalbaarheid (bijvoorbeeld het voorkomen van elementbreuk of vervorming) werd gewaarborgd.
Optimalisatie Resultaat: Het uiteindelijke ontwerp bereikte een weerstand van het vuselement van 15.2 μΩ en een doorsnede van de vernauwing van 0.6 mm², wat perfect voldoet aan de eisen voor een doorsnijvermogen van 40 kA.
III. Prestatieverificatie en testresultaten
3.1 Temperatuurstijgingstest
• Testomstandigheden: Er werd een wisselstroom van 2000 A toegepast voor stabiele continu operatie.
• Testresultaten:
o De gemeten koude weerstand was 15.0 μΩ, hoog consistent met de gesimuleerde waarde (15.2 μΩ), wat de nauwkeurigheid van het model valideert.
o Temperatuurstijgingen op cruciale delen voldeden aan normen (85 K bij de vernauwing, ongeveer 47 K bij de aansluitingen).
o Het stroomdraagvermogen bevestigde een nominale stroom van 2000 A. De berekende stroomdichtheid in de vernauwing bereikte 3300 A/mm², ver overtreffend soortgelijke nationale en internationale producten.
3.2 Kortsluittrigger test
• Testomstandigheden: Er werd een gesimuleerd circuit opgezet om een prospectieve symmetrische kortsluitstroom van 40 kA te genereren.
• Testresultaten:
o De gemeten triggerstroomwaarde was 15.1 kA, hoog consistent met de gesimuleerde voorspelde waarde (15 kA) en binnen het optimale bereik van 8-15 kA.
o De gegenereerde vonkspanning bereikte 50 V, voldoende om de elektrische ontsteker binnen microseconden betrouwbaar te ontsteken, wat de snelle en betrouwbare werking demonstreert.
IV. Conclusie en voordelen
Deze oplossing heeft met succes een high-performance vonkgestarte vus ontwikkeld. De kernconclusies en voordelen zijn als volgt:
- Fundamentele doorbraak: Door innovatief rechthoekig gatontwerp van het vuselement en parameteroptimalisatie, is de inherente contradictie tussen stroomdraagvermogen en werksnelheid in vonktriggers opgelost. De stroomdichtheid in de vernauwing werd verhoogd naar een brancheleidend niveau van 3300 A/mm².
- Hoge prestatie-indicatoren: Het product is geschikt voor spanningsniveaus van 10 kV, bereikt een nominale stroom van 2000 A en een doorsnijvermogen van 40 kA, waarmee de behoeften van toepassingen met hoge spanning en stroom worden voldaan.
- Hoge betrouwbaarheid: Het zuiver mechanische vonktriggermechanisme is passief en vereist geen besturing, waardoor afhankelijkheid van elektronische componenten en externe voedingen wordt geëlimineerd. Het biedt sterke weerstand tegen interferentie en betrouwbare werking.
- Verifieerbare technologie: Het op ANSYS gebaseerde simulatiemodel toonde hoge consistentie met de gemeten resultaten, wat een efficiënt en betrouwbaar hulpmiddel en methode biedt voor productontwerp en optimalisatie.
