Solução Avançada de Fusível Acionado por Arco para Aplicações de Alta Tensão e Alta Corrente
I. Contexto de Pesquisa e Questões Nucleares
1.1 Contexto de Pesquisa
Com a contínua expansão da escala do sistema de energia elétrica e o aumento da capacidade de curto-circuito, são impostas exigências mais elevadas ao equipamento de proteção limitadora de corrente de falha. As soluções mainstream existentes incluem limitadores de corrente de falha supercondutores (SFCL), disjuntores híbridos limitadores de corrente e fusíveis híbridos limitadores de corrente. Dentre estes, os fusíveis híbridos limitadores de corrente tornaram-se a escolha preferida do mercado devido à sua alta maturidade tecnológica, custo-efetividade e ampla aplicação.
No entanto, as tecnologias existentes têm duas grandes limitações:
• Tipo Eletronicamente Controlado: Depende de componentes eletrônicos sensíveis e de uma fonte de alimentação de controle externa, tornando-o propenso a falhas ou malfuncionamentos devido à falha de componentes ou perda de alimentação de controle. Sua confiabilidade é condicionada por fatores externos.
• Tipo Acionado por Arco: Embora ofereça vantagens como estrutura simples, forte capacidade de resistência a interferências, tamanho compacto e baixo custo, sua corrente nominal (geralmente ≤600A) e capacidade de interrupção (geralmente ≤25kA) são relativamente baixas, dificultando atender às demandas urgentes de aplicações industriais de alta tensão e alta corrente (por exemplo, metalurgia em larga escala, plantas químicas, centros de dados).
1.2 Contradição Central
O aprimoramento do desempenho dos fusíveis acionados por arco enfrenta uma contradição fundamental: o equilíbrio entre operação rápida e capacidade de condução de corrente. Para alcançar uma operação rápida (baixo valor I²t pré-arco), é necessário um pequeno diâmetro de seção transversal na restrição do elemento fusível. Por outro lado, aumentar a capacidade de condução de corrente nominal exige uma maior seção transversal de restrição. Aumentar a seção transversal aumenta o valor I²t pré-arco, causando atraso na operação durante curtos-circuitos. Este atraso permite que a corrente de curto-circuito real aumente, levando eventualmente a falha na interrupção.
II. Solução: Avanços Tecnológicos Chave e Design Inovador
2.1 Princípio de Funcionamento
Esta solução emprega um acionador de arco como unidade central de detecção e acionamento. Sua estrutura consiste principalmente em duas placas de cobre, um elemento fusível de prata interno (com restrições especificamente projetadas), material de enchimento e invólucro. O processo de interrupção é o seguinte:
- Arco: Quando ocorre uma corrente de curto-circuito, a restrição do elemento fusível derrete rapidamente e forma um arco, gerando uma tensão inicial de arco.
- Acionamento: Esta tensão de arco aciona rapidamente o interrompedor explosivo paralelo (detonador elétrico).
- Commutação de Corrente: O interrompedor explode, formando um caminho de alta resistência, forçando a corrente de curto-circuito a comutar para o ramo paralelo do fusível extintor de arco.
- Interrupção: O fusível extintor de arco forma um arco, gerando uma tensão de arco extremamente alta que força a corrente a zero, alcançando a interrupção de limitação de corrente rápida.
2.2 Inovação Central: Design de Alta Densidade de Corrente na Restrição
O valor de corrente de acionamento (I₁) é um parâmetro-chave determinante do sucesso da interrupção, necessitando permanecer dentro da faixa ótima de 8-15kA. Para designs acionados por arco, a corrente nominal está fortemente correlacionada com a corrente de acionamento.
A grande inovação desta solução reside em aumentar significativamente a densidade de corrente na restrição. Através de derivação teórica:
• Valor de corrente de acionamento I₁ ∝ (I²t pré-arco * di/dt)^(1/3)
• Valor I²t pré-arco ∝ (área de seção transversal da restrição (S))²
Conclusão: Sob as mesmas condições de corrente nominal e curto-circuito, uma maior densidade de corrente na restrição requer uma menor área de seção transversal (S), reduzindo assim o valor I²t pré-arco. Isso garante uma operação rápida mesmo sob correntes de curto-circuito extremamente altas, permitindo a interrupção confiável. O objetivo de design desta solução é elevar este indicador do nível atual de ~1000 A/mm² para mais de 3000 A/mm².
2.3 Otimização Estrutural e Verificação por Simulação
• Ferramenta de Simulação: Foi utilizado o software ANSYS 11.0 para modelagem paramétrica baseada na linguagem APDL, permitindo o cálculo preciso da resistência do elemento fusível e a simulação do processo pré-arco.
• Seleção da Estrutura do Elemento Fusível: O design tradicional de orifício circular foi abandonado em favor de uma estrutura de orifício retangular. Esta estrutura maximiza a participação de condução de corrente nas regiões não restritas, alcançando menor resistência e maior capacidade de condução de corrente no mesmo volume, resolvendo perfeitamente a contradição entre capacidade de condução de corrente e velocidade.
• Otimização de Parâmetros: Parâmetros-chave, como largura da restrição (b), largura do orifício (c), espaçamento (d) e espessura (h), foram otimizados através de simulações multidimensionais. Buscou-se a solução ótima para minimizar a resistência, garantindo a viabilidade de fabricação (por exemplo, evitando a quebra ou deformação do elemento).
Resultado da Otimização: O design final alcançou uma resistência do elemento fusível de 15.2 μΩ e uma área de seção transversal da restrição de 0.6 mm², atendendo perfeitamente aos requisitos de capacidade de interrupção de 40 kA.
III. Verificação de Desempenho e Resultados de Testes
3.1 Teste de Elevação de Temperatura
• Condições de Teste: Aplicou-se uma corrente AC de 2000 A para operação contínua estável.
• Resultados do Teste:
o A resistência fria medida foi de 15.0 μΩ, altamente consistente com o valor simulado (15.2 μΩ), validando a precisão do modelo.
o As elevações de temperatura em partes-chave atenderam aos padrões (85 K na restrição, aproximadamente 47 K nos terminais).
o A capacidade de condução de corrente confirmou uma corrente nominal de 2000 A. A densidade de corrente calculada na restrição alcançou 3300 A/mm², muito superior a produtos semelhantes nacionais e internacionais.
3.2 Teste de Acionamento por Curto-Circuito
• Condições de Teste: Foi montado um circuito simulado para gerar uma corrente de curto-circuito simétrico esperada de 40 kA.
• Resultados do Teste:
o O valor de corrente de acionamento medido foi de 15.1 kA, altamente consistente com o valor previsto pela simulação (15 kA) e dentro da faixa ótima de 8-15 kA.
o A tensão de arco gerada atingiu 50 V, suficiente para acionar confiavelmente o detonador elétrico em microssegundos, demonstrando sua operação rápida e confiável.
IV. Conclusão e Vantagens
Esta solução desenvolveu com sucesso um fusível acionado por arco de alto desempenho. As conclusões e vantagens principais são as seguintes:
- Avanço Fundamental: Através do design inovador do elemento fusível com orifício retangular e otimização de parâmetros, a contradição intrínseca entre capacidade de condução de corrente e velocidade de operação nos acionadores de arco foi resolvida. A densidade de corrente na restrição foi elevada para um nível líder no setor de 3300 A/mm².
- Indicadores de Alto Desempenho: O produto é adequado para níveis de tensão de 10 kV, alcançando uma corrente nominal de 2000 A e uma capacidade de interrupção de 40 kA, atendendo às necessidades de aplicações industriais de alta tensão e alta corrente.
- Alta Confiabilidade: O mecanismo de acionamento de arco puramente mecânico é passivo e não requer controle, eliminando a dependência de componentes eletrônicos e fontes de alimentação externas. Oferece forte capacidade de resistência a interferências e operação confiável.
- Tecnologia Verificável: O modelo de simulação baseado no ANSYS mostrou alta consistência com os resultados medidos, fornecendo uma ferramenta e metodologia eficientes e confiáveis para o design e otimização do produto.
