Avansert buksjettløsning for bueutløst sikring i høyspenning og høystrøm applikasjoner
I. Forskningsbakgrunn og kjerneproblemer
1.1 Forskningsbakgrunn
Med den kontinuerlige utvidelsen av strømsystemets skala og den økende kortslutningskapasiteten, settes det høyere krav til feilstrøm-begrensningssikringsutstyr. Eksisterende hovedløsninger inkluderer superledende feilstrømbegrenser (SFCL), hybrid strømbegrensende sikringer og hybrid strømbegrensende sirkuitsikringer. Av disse har hybride strømbegrensende sikringer blitt markedsforetrukket valg på grunn av sin høye teknologiske modenhet, kostnadseffektivitet og bred anvendelse.
Imidlertid har eksisterende teknologier to store begrensninger:
• Elektronisk kontrollert type: Den er avhengig av sensitive elektroniske komponenter og en ekstern kontrollstrømforsyning, noe som gjør den utsatt for feil eller mislykking på grunn av komponentmislykking eller tap av kontrollstrøm. Dens pålitelighet er begrenset av eksterne forhold.
• Bueaktiveret type: Selv om den har fordeler som enkel konstruksjon, sterk motstandsdyktighet overfor støy, kompakt størrelse og lav kostnad, er dens nominelle strøm (typisk ≤600A) og brytekapasitet (typisk ≤25kA) relativt lav, noe som gjør det vanskelig å møte de akutte behovene i høyspennings- og høystrømsindustrielle applikasjoner (f.eks. stor skala metallurgi, kjemiske anlegg, datacentre).
1.2 Kjernekonflikt
Forbedringen av ytelsen til buetriggerede sikringer møter en grunnleggende konflikt: avveiningen mellom rask handling og strømføringsevne. For å oppnå rask handling (lav pre-arcing I²t-verdi) kreves det en liten tverrsnittsareal av sikringselementets konstriksjon. Omvendt, for å øke den nominelle strømføringsevnen kreves det et større konstriksjonstverrsnitt. Å øke tverrsnittsarealet øker pre-arcing I²t-verdien, noe som fører til forsinket handling under kortslutning. Denne forsinkelsen tillater den faktiske kortslutningsstrømmen å stige, noe som til slutt fører til brytefeil.
II. Løsning: Nøkkeltjenologiske gjennombrudd og innovativ design
2.1 Arbeidsprinsipp
Denne løsningen bruker en buetrigger som kjerne sensor- og utløserenhet. Dens struktur består hovedsakelig av to kobberplater, et intern silver sikringselement (med spesielt designet konstriksjoner), fyllmateriale og en omslutning. Bryteprosessen er som følger:
- Bueoppretting: Når det oppstår en kortslutningsstrøm, smelter sikringselementets konstriksjon raskt og former en buespenning.
- Utløsning: Denne buespenningen tenger hurtig den parallellkopla eksplosive avbryteren (elektrisk detonator).
- Strømkommutasjon: Avbryteren eksploderer, danner en høy motstand vei, og tvanger kortslutningsstrømmen til å kommutere til den parallelle buetilsyns sikringsgrenen.
- Bryting: Buetilsyns sikringen former en buespenning, produserer en ekstremt høy buespenning, og tvinger strømmen til null, noe som oppnår rask strømbegrensning og avbryting.
2.2 Kjerneinnovasjon: Design med høy konstriksjonstrømtetthet
Utløsstrømverdien (I₁) er en nøkkelparameter som bestemmer brytesuksess, og må forbli innenfor det optimale området på 8-15kA. For buetriggerede design er den nominelle strømmen sterkt korreleret med utløsstrømmen.
Kjerne gjennombruddet i denne løsningen ligger i å øke konstriksjonstrømtettheten betydelig. Gjennom teoretisk derivasjon:
• Utløsstrømverdi I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Pre-arcing I²t-verdi ∝ (konstriksjonstverrsnitt (S))²
Konklusjon: Under samme nominell strøm og kortslutningsforhold, krever en høyere konstriksjonstrømtetthet et mindre konstriksjonstverrsnitt (S), noe som reduserer pre-arcing I²t-verdien. Dette sikrer rask handling selv under ekstremt høye kortslutningsstrømmer, noe som muliggjør pålitelig bryting. Målet med denne løsningen er å heve dette målet fra dagens produkt nivå på ~1000 A/mm² til over 3000 A/mm².
2.3 Strukturell optimalisering og simuleringsovervurdering
• Simuleringsverktøy: ANSYS 11.0 programvaren ble brukt for parametriske modeller basert på APDL-språk, noe som muliggjør nøyaktig beregning av sikringselementets motstand og simulering av pre-arcing-prosessen.
• Sikringselementstrukturvalg: Det tradisjonelle rundhull-designet ble forkastet i favør av et rektangulært hullstruktur. Denne strukturen maksimerer strømføringsandel i ikke-konstriksjonsområder, og oppnår lavere motstand og høyere strømføringsevne innen samme volum, noe som perfekt løser konflikten mellom strømføringsevne og hastighet.
• Parameteroptimalisering: Nøkkelparametre som konstriksjonbredde (b), hullbredde (c), avstand (d) og tykkelse (h) ble optimalisert gjennom flerdimensjonale simuleringer. Den optimale løsningen for minimal motstand ble søkt, samtidig som man sikret produksjonsmuligheter (f.eks. unngå elementbrudd eller deformasjon).
Optimaliseringsresultat: Det endelige designet oppnådde en sikringselementmotstand på 15.2 μΩ og et konstriksjonstverrsnitt på 0.6 mm², noe som fullt og helt møter kravene for en 40 kA brytekapasitet.
III. Ytelsesovervurdering og testresultater
3.1 Temperaturstigningstest
• Testforhold: Anvendte 2000 A AC-strøm for stabil kontinuerlig drift.
• Testresultater:
o Den målte kalde motstanden var 15.0 μΩ, høyt konsekvent med simuleringen (15.2 μΩ), noe som bekrefter modellens nøyaktighet.
o Temperaturstigninger ved nøkkelpunkter møtte standarder (85 K ved konstriksjon, ca. 47 K ved terminaler).
o Strømføringsevnen bekreftet en nominell strøm på 2000 A. Den beregnede konstriksjonstrømtettheten nådde 3300 A/mm², langt over tilsvarende innenlandske og internasjonale produkter.
3.2 Kortslutningsutløserprøve
• Testforhold: En simulert krets ble satt opp for å generere en forventet symmetrisk kortslutningsstrøm på 40 kA.
• Testresultater:
o Den målte utløsstrømverdien var 15.1 kA, høyt konsekvent med den simulerede forutsagte verdien (15 kA) og innenfor det optimale området på 8-15 kA.
o Den genererte buespenningen nådde 50 V, nok til pålitelig tending av elektrisk detonator innen mikrosekunder, noe som demonstrerer dens raske og pålitelige handling.
IV. Konklusjon og fordele
Denne løsningen utviklet vellykket en høyytelses buetriggeret sikring. De sentrale konklusjonene og fordelene er som følger:
- Fundamentalt gjennombrudd: Gjennom innovativ rektangulær hull sikringselementdesign og parameteroptimalisering, løste den den innebygde konflikten mellom strømføringsevne og operasjonshastighet i buetrigger. Konstriksjonstrømtettheten ble hevet til et bransjeledende nivå på 3300 A/mm².
- Høye ytelsesindikatorer: Produktet er egnet for 10 kV spenningsnivå, oppnår en nominell strøm på 2000 A og en brytekapasitet på 40 kA, og møter behovene i høystrøms- og høystrømsindustrielle applikasjoner.
- Høy pålitelighet: Den rent mekaniske buetriggermekanismen er passiv og krever ingen kontroll, fjerner avhengigheten av elektroniske komponenter og eksterne strømforsyninger. Den gir sterk motstandsdyktighet mot støy og pålitelig handling.
- Verifiserbar teknologi: Simuleringsmodellen basert på ANSYS viste høy konsekvens med målte resultater, noe som gir et effektivt og pålitelig verktøy og metode for produktutforming og optimalisering.
