Решение с продвинутым дуговым запуском предохранителя для применения в высоковольтных и высокотоковых системах
I. Исследовательский фон и ключевые вопросы
1.1 Исследовательский фон
С увеличением масштаба энергосистем и ростом короткозамкнутой мощности, к оборудованию для ограничения тока при авариях предъявляются более высокие требования. Существующие основные решения включают сверхпроводящие ограничители тока (SFCL), гибридные коммутационные устройства с ограничением тока и гибридные плавкие предохранители. Из них гибридные плавкие предохранители стали предпочтительным выбором на рынке благодаря их высокому технологическому уровню, экономичности и широкому применению.
Однако существующие технологии имеют два основных ограничения:
• Электронно-управляемый тип: Опирается на чувствительные электронные компоненты и внешний источник питания управления, что делает его подверженным сбоям или отказам из-за отказа компонентов или потери источника питания. Его надежность ограничена внешними условиями.
• Тип, запускаемый дугой: Хотя он обладает преимуществами, такими как простая конструкция, высокая устойчивость к помехам, компактность и низкая стоимость, его номинальный ток (обычно ≤600А) и пропускная способность (обычно ≤25кА) относительно низки, что затрудняет удовлетворение срочных потребностей высоковольтных и высокотоковых промышленных применений (например, крупномасштабная металлургия, химические заводы, центры обработки данных).
1.2 Основное противоречие
Улучшение характеристик плавких предохранителей, запускаемых дугой, сталкивается с фундаментальным противоречием: баланс между быстрым срабатыванием и пропускной способностью. Для достижения быстрого срабатывания (низкое значение I²t до возникновения дуги) требуется малая площадь сужения элемента плавкой вставки. Напротив, увеличение номинальной пропускной способности требует большей площади сужения. Увеличение площади увеличивает значение I²t до возникновения дуги, что приводит к задержке срабатывания при коротком замыкании. Эта задержка позволяет фактическому току короткого замыкания возрастать, что в конечном итоге приводит к отказу разрыва.
II. Решение: Ключевые технологические прорывы и инновационный дизайн
2.1 Принцип работы
Это решение использует дуговой триггер в качестве основного сенсорного и запускающего блока. Его конструкция состоит в основном из двух медных пластин, внутреннего серебряного элемента плавкой вставки (с специально спроектированными сужениями), заполнителя и корпуса. Процесс разрыва следующий:
- Возникновение дуги: При возникновении тока короткого замыкания, сужение элемента плавкой вставки быстро плавится и возникает дуга, создавая начальное напряжение дуги.
- Запуск: Это напряжение дуги быстро воспламеняет параллельно подключенную взрывную отключающую систему (электрический детонатор).
- Переключение тока: Отключающая система взрывается, образуя высокоомный путь, вынуждая ток короткого замыкания переключиться на параллельную ветвь плавкого предохранителя, гасящего дугу.
- Разрыв: Плавкий предохранитель, гасящий дугу, создает очень высокое напряжение дуги, которое заставляет ток упасть до нуля, обеспечивая быстрое ограничение и разрыв тока.
2.2 Основное новшество: Дизайн с высокой плотностью тока в сужении
Значение тока запуска (I₁) является ключевым параметром, определяющим успешность разрыва, и должно оставаться в оптимальном диапазоне 8-15кА. Для дизайна, запускаемого дугой, номинальный ток сильно коррелирует с током запуска.
Основной прорыв этого решения заключается в значительном увеличении плотности тока в сужении. На основе теоретического вывода:
• Значение тока запуска I₁ ∝ (значение I²t до возникновения дуги * di/dt)^(1/3)
• Значение I²t до возникновения дуги ∝ (площадь сужения (S))²
Заключение: При одинаковом номинальном токе и условиях короткого замыкания, более высокая плотность тока в сужении требует меньшей площади сужения (S), что снижает значение I²t до возникновения дуги. Это обеспечивает быстрое срабатывание даже при крайне высоких токах короткого замыкания, обеспечивая надежный разрыв. Целью данного решения является повышение этого показателя с текущего уровня продукта ~1000 A/mm² до более чем 3000 A/mm².
2.3 Оптимизация конструкции и верификация с помощью моделирования
• Инструмент моделирования: Программное обеспечение ANSYS 11.0 использовалось для параметрического моделирования на основе языка APDL, что позволило точно рассчитать сопротивление элемента плавкой вставки и смоделировать процесс до возникновения дуги.
• Выбор конструкции элемента плавкой вставки: Традиционный дизайн с круглыми отверстиями был отброшен в пользу прямоугольных отверстий. Такая конструкция максимизирует долю тока, проходящего через несуженные области, обеспечивая меньшее сопротивление и большую пропускную способность в том же объеме, идеально решая противоречие между пропускной способностью и скоростью.
• Оптимизация параметров: Ключевые параметры, такие как ширина сужения (b), ширина отверстия (c), расстояние (d) и толщина (h), были оптимизированы с помощью многомерного моделирования. Было найдено оптимальное решение для минимизации сопротивления, при этом обеспечивая технологическую возможность изготовления (например, избегая разрушения или деформации элемента).
Результат оптимизации: Конечный дизайн достиг сопротивления элемента плавкой вставки 15.2 μΩ и площади сужения 0.6 мм², полностью соответствуя требованиям для пропускной способности 40 кА.
III. Верификация производительности и результаты тестирования
3.1 Тест на нагрев
• Условия тестирования: Применялся постоянный ток 2000 А переменного тока.
• Результаты тестирования:
o Измеренное холодное сопротивление составило 15.0 μΩ, что очень согласуется с модельным значением (15.2 μΩ), подтверждая точность модели.
o Повышение температуры в ключевых частях соответствовало стандартам (85 К в сужении, примерно 47 К на выводах).
o Пропускная способность подтвердила номинальный ток 2000 А. Расчетная плотность тока в сужении достигла 3300 А/мм², значительно превышая аналогичные отечественные и зарубежные продукты.
3.2 Тест на запуск при коротком замыкании
• Условия тестирования: Была создана имитационная схема для генерации ожидаемого симметричного тока короткого замыкания 40 кА.
• Результаты тестирования:
o Измеренное значение тока запуска составило 15.1 кА, что очень согласуется с прогнозируемым модельным значением (15 кА) и находится в оптимальном диапазоне 8-15 кА.
o Сгенерированное напряжение дуги достигло 50 В, что достаточно для надежного воспламенения электрического детонатора в течение микросекунд, демонстрируя его быстрое и надежное срабатывание.
IV. Заключение и преимущества
Это решение успешно разработало высокопроизводительный плавкий предохранитель, запускаемый дугой. Основные выводы и преимущества следующие:
- Фундаментальный прорыв: Через инновационный дизайн элемента плавкой вставки с прямоугольными отверстиями и оптимизацию параметров было решено внутреннее противоречие между пропускной способностью и скоростью срабатывания в дуговых триггерах. Плотность тока в сужении была повышена до лидирующего в отрасли уровня 3300 А/мм².
- Высокие показатели производительности: Продукт подходит для уровней напряжения 10 кВ, достигая номинального тока 2000 А и пропускной способности 40 кА, удовлетворяя потребностям высоковольтных и высокотоковых промышленных применений.
- Высокая надежность: Чисто механический механизм запуска дуги пассивен и не требует управления, исключая зависимость от электронных компонентов и внешних источников питания. Он обладает высокой устойчивостью к помехам и надежной работой.
- Подтвержденная технология: Модельное моделирование на основе ANSYS показало высокую согласованность с измеренными результатами, предоставляя эффективный и надежный инструмент и методологию для проектирования и оптимизации продукта.
