Zaawansowane rozwiązanie bezpieczników wyzwalanych łukiem elektrycznym dla zastosowań o wysokim napięciu i dużym prądzie
I. Tło badawcze i kluczowe problemy
1.1 Tło badawcze
Wraz z nieustannym rozszerzaniem się skali systemów energetycznych i wzrostem pojemności krótkiego zwarcia, stawiane są wyższe wymagania dla urządzeń ograniczających prąd w razie awarii. Istniejące główne rozwiązania obejmują nadprzewodzące ograniczniki prądu (SFCL), hybrydowe przerywacze obwodów ograniczających prąd oraz hybrydowe bezpieczniki ograniczające prąd. Spośród nich, hybrydowe bezpieczniki ograniczające prąd stały się preferowanym wyborem rynku ze względu na wysoką technologiczną dojrzałość, kosztowo-efektywność i szerokie zastosowanie.
Jednak istniejące technologie mają dwie główne wady:
• Typ sterowany elektronicznie: Zależy od czułych komponentów elektronicznych i zewnętrznego źródła zasilania sterującego, co powoduje, że jest podatny na uszkodzenia lub awarie z powodu uszkodzenia komponentów lub utraty zasilania sterującego. Jego niezawodność jest ograniczona przez warunki zewnętrzne.
• Typ zapalany łukiem: Mimo że oferuje zalety takie jak prosta konstrukcja, silna odporność na zakłócenia, kompaktowa wielkość i niski koszt, jego nominalny prąd (zwykle ≤600A) i zdolność przerywania (zwykle ≤25kA) są stosunkowo niskie, co utrudnia spełnienie pilnych potrzeb aplikacji przemysłowych o wysokim napięciu i dużym prądzie (np. duże huty, zakłady chemiczne, centra danych).
1.2 Kluczowe sprzeczności
Wzrost wydajności bezpieczników zapalanych łukiem napotyka fundamentalną sprzeczność: kompromis między szybkim działaniem a zdolnością nośną prądu. Aby osiągnąć szybkie działanie (niską wartość I²t przed zapaleniem łuku), wymagana jest mała przekrój poprzeczny elementu spoinowego. Z drugiej strony, zwiększenie nominalnej zdolności nośnej prądu wymaga większego przekroju poprzecznego elementu spoinowego. Powiększenie przekroju poprzecznego zwiększa wartość I²t przed zapaleniem łuku, co powoduje opóźnione działanie w razie krótkiego zwarcia. To opóźnienie pozwala rzeczywistemu prądowi krótkiego zwarcia wzrosnąć, co ostatecznie prowadzi do awarii przerywania.
II. Rozwiązanie: Kluczowe przełomy technologiczne i innowacyjny projekt
2.1 Zasada działania
To rozwiązanie wykorzystuje zapalnik łukowy jako centralną jednostkę czujnikową i uruchamiającą. Jego konstrukcja składa się głównie z dwóch płyt miedzianych, wewnętrznego srebrnego elementu bezpiecznika (z specjalnie zaprojektowanymi spoinami), materiału wypełniającego i obudowy. Proces przerywania wygląda następująco:
- Zapłon łuku: Gdy wystąpi prąd krótkiego zwarcia, spoina elementu bezpiecznika szybko topi się i zapala łuk, generując początkowe napięcie łuku.
- Uruchomienie: To napięcie łuku szybko zapala równolegle połączony przerywacz eksplozyjny (detonator elektryczny).
- Komutacja prądu: Przerywacz eksploduje, tworząc ścieżkę o wyskim oporze, zmuszając prąd krótkiego zwarcia do komutacji na równoległą gałąź bezpiecznika gaszącego łuk.
- Przerywanie: Bezpiecznik gaszący łuk zapala, generując bardzo wysokie napięcie łuku, które zmusza prąd do zera, osiągając szybkie ograniczenie i przerywanie prądu.
2.2 Kluczowa innowacja: Projekt o wysokiej gęstości prądu w spoinie
Wartość prądu uruchamiającego (I₁) jest kluczowym parametrem decydującym o sukcesie przerywania, który musi pozostawać w optymalnym zakresie 8-15kA. Dla projektów zapalanych łukiem, nominalny prąd jest silnie skorelowany z prądem uruchamiającym.
Kluczowym przełomem tego rozwiązania jest znaczne zwiększenie gęstości prądu w spoinie. Na podstawie teoretycznego wyprowadzenia:
• Wartość prądu uruchamiającego I₁ ∝ (wartość I²t przed zapaleniem łuku * di/dt)^(1/3)
• Wartość I²t przed zapaleniem łuku ∝ (przekrój poprzeczny spoiny (S))²
Wniosek: W tych samych warunkach nominalnego prądu i krótkiego zwarcia, wyższa gęstość prądu w spoinie wymaga mniejszego przekroju poprzecznego spoiny (S), co zmniejsza wartość I²t przed zapaleniem łuku. Zapewnia to szybkie działanie nawet przy ekstremalnie wysokich prądach krótkiego zwarcia, umożliwiając niezawodne przerywanie. Cel projektu polega na podwyższeniu tej miary z aktualnego poziomu produktu ~1000 A/mm² do ponad 3000 A/mm².
2.3 Optymalizacja konstrukcji i weryfikacja symulacyjna
• Narzędzie symulacyjne: Do parametrycznego modelowania wykorzystano oprogramowanie ANSYS 11.0 oparte na języku APDL, umożliwiające precyzyjne obliczenie oporu elementu bezpiecznika i symulację procesu przed zapaleniem łuku.
• Wybór konstrukcji elementu bezpiecznika: Zrezygnowano z tradycyjnego projektu okrągłej dziury na rzecz struktury prostokątnych otworów. Ta struktura maksymalizuje udział prądu w obszarach niestoinowych, osiągając niższy opór i wyższą zdolność nośną prądu w tym samym objętości, doskonale rozwiązuje sprzeczność między zdolnością nośną prądu a szybkością.
• Optymalizacja parametrów: Kluczowe parametry takie jak szerokość spoiny (b), szerokość otworu (c), odstęp (d) i grubość (h) zostały zoptymalizowane poprzez wielowymiarowe symulacje. Szukano optymalnego rozwiązania minimalizującego opór, jednocześnie zapewniając możliwość produkcji (np. unikając pęknięcia lub deformacji elementu).
Wynik optymalizacji: Ostateczny projekt osiągnął opór elementu bezpiecznika 15.2 μΩ i przekrój poprzeczny spoiny 0.6 mm², idealnie spełniając wymagania dotyczące zdolności przerywania 40 kA.
III. Weryfikacja wydajności i wyniki testów
3.1 Test wzrostu temperatury
• Warunki testowe: Zastosowano prąd AC 2000 A dla stabilnej ciągłej pracy.
• Wyniki testów:
o Pomierzony zimny opór wyniósł 15.0 μΩ, co jest zgodne z wartością symulacyjną (15.2 μΩ), potwierdzając dokładność modelu.
o Wzrost temperatury w kluczowych częściach spełnia standardy (85 K w spoinie, około 47 K na końcówkach).
o Zdolność nośna prądu potwierdziła nominalny prąd 2000 A. Obliczona gęstość prądu w spoinie osiągnęła 3300 A/mm², znacznie przekraczając podobne produkty krajowe i międzynarodowe.
3.2 Test uruchomienia krótkiego zwarcia
• Warunki testowe: Utworzono symulowany obwód generujący przewidywany symetryczny prąd krótkiego zwarcia 40 kA.
• Wyniki testów:
o Pomierzona wartość prądu uruchamiającego wyniosła 15.1 kA, co jest zgodne z przewidywaną wartością symulacyjną (15 kA) i mieści się w optymalnym zakresie 8-15 kA.
o Wygenerowane napięcie łuku osiągnęło 50 V, co jest wystarczające, aby niezawodnie zapalić detonator elektryczny w mikrosekundy, demonstrując szybkie i niezawodne działanie.
IV. Podsumowanie i zalety
To rozwiązanie pomyślnie opracowało wysokowydajny bezpiecznik zapalany łukiem. Kluczowe wnioski i zalety są następujące:
- Fundamentalny przełom: Dzięki innowacyjnemu projektowi elementu bezpiecznika z prostokątnymi otworami i optymalizacji parametrów, rozwiązano naturalną sprzeczność między zdolnością nośną prądu a szybkością działania w przypadku zapalników łukowych. Gęstość prądu w spoinie została podniesiona do liderującego poziomu branżowego 3300 A/mm².
- Wysokie wskaźniki wydajności: Produkt jest odpowiedni dla poziomu napięcia 10 kV, osiągając nominalny prąd 2000 A i zdolność przerywania 40 kA, spełniając potrzeby aplikacji przemysłowych o wysokim napięciu i dużym prądzie.
- Wysoka niezawodność: Czysto mechaniczny mechanizm zapalania łukowego jest pasywny i nie wymaga kontroli, eliminując zależność od komponentów elektronicznych i zasilania zewnętrznego. Ofereuje silną odporność na zakłócenia i niezawodne działanie.
- Technologia weryfikowalna: Model symulacyjny oparty na ANSYS pokazał wysoką zgodność z pomiarami, dostarczając efektywne i niezawodne narzędzie i metodologię do projektowania i optymalizacji produktu.
