Napredna rešitev za varnostne preklopnike z električnim lokom za visokonapetostne in visokostrujske aplikacije
I. Raziskovalno ozadje in ključni problemi
1.1 Raziskovalno ozadje
S stalnim razširjanjem merila električnih sistemov in naraščajočo kapaciteto kratkih krmil, se povišujejo zahteve za opremo za omejevanje strmihn tokov. Obstajajoče glavne rešitve vključujejo superprovodne omejevalnike strmihn tokov (SFCL), hibridne preklopnike za omejevanje toka in hibridne varilke za omejevanje toka. Med njimi so hibridne varilke za omejevanje toka postal izbor trga zaradi svoje visoke tehnološke zrelosti, ekonomičnosti in široke uporabnosti.
Vendar pa obstajajo dve glavni omejitvi sedanje tehnologije:
• Elektronsko krmiljena vrsta: Odvisna je od občutljivih elektronskih komponent in zunanjega napajalnega vira, kar ji omogoča, da deluje nenavadno ali se pokvari zaradi odpovedi komponent ali izgube nadzornega napajalnega vira. Njenouveržnost je omejena zunanji pogoji.
• Vrsta s podžigom: Čeprav ponuja prednosti, kot so preprosta struktura, močna odpornost na motnje, kompaktnost in nizka cena, je njegov imenovani tok (običajno ≤600A) in prekinitvena kapaciteta (običajno ≤25kA) relativno nizka, kar težko zadosti nujnim potrebam industrijskih aplikacij z visokim napetostjo in tokom (npr. velikolanske metalurgije, kemične tovarne, centri podatkov).
1.2 Ključni nasprotji
Povečanje zmogljivosti varilk s podžigom se sooča z temeljnimi nasprotji: med hitrostjo delovanja in nosilnostjo toka. Za dosego hitrega delovanja (nizka predpodžigovska I²t vrednost) je potrebna majhna presečna površina sužnja elementa varilke. Na drugi strani, za povečanje imenovanega nosilnega toka je potrebna večja presečna površina sužnja. Povečanje presečne površine poveča predpodžigovsko I²t vrednost, kar povzroča zamudo pri delovanju med kratkimi krmili. Ta zamuda omogoča, da dejanski tok kratkih krmil naraste, kar končno vodi do prekidnega odpovedi.
II. Rešitev: Ključni tehnološki napredek in inovativno načrtovanje
2.1 Delovni način
Ta rešitev uporablja podžig za osnovno čutilno in aktivacijsko enoto. Njegova struktura se glavno sestoji iz dveh bakrenih plošč, notranjega srebrnega elementa varilke (z posebno oblikovanimi sužnjami), plnjenca in oklepaja. Postopek prekinitve je naslednji:
- Podžig: Ko se pojavi tok kratkih krmil, se sužnjevi element varilke hitro talijo in podžigajo, kar ustvari začetno napetost podžiga.
- Aktivacija: Ta napetost podžiga hitro zapali vzporedno povezan preklopnik za podžig (električni detonator).
- Preusmeritev toka: Preklopnik eksplodira, formira pot z visoko upornostjo, ki prisili tok kratkih krmil, da se preusmeri na vzporedno vejico za ugasnitev podžiga.
- Prekinitev: Varilka za ugasnitev podžiga podžiga, ustvarja izredno visoko napetost podžiga, ki prisili tok, da pride na nič, kar omogoča hitro omejevalno prekinitev.
2.2 Ključna inovacija: Načrtovanje visoke gostote toka sužnja
Vrednost aktivacijskega toka (I₁) je ključen parameter, ki določa uspešnost prekinitve, in mora ostati znotraj optimalnega območja 8-15kA. Za načrte s podžigom je imenovani tok močno povezan z aktivacijskim tokom.
Ključni napredek te rešitve je v znatnem povečanju gostote toka sužnja. Skozi teoretično izpeljavo:
• Vrednost aktivacijskega toka I₁ ∝ (predpodžigovska I²t * di/dt)^(1/3)
• Predpodžigovska I²t vrednost ∝ (presečna površina sužnja (S))²
Zaključek: Pod istim imenovanim tokom in pogoji kratkih krmil, višja gostota toka sužnja zahteva manjšo presečno površino sužnja (S), kar zmanjša predpodžigovsko I²t vrednost. To zagotavlja hitro delovanje tudi pri izjemno visokih tokih kratkih krmil, kar omogoča zanesljivo prekinitev. Cilj tega načrta je povečati ta kazalec s trenutnega ravni izdelka ~1000 A/mm² na preko 3000 A/mm².
2.3 Optimizacija strukture in verifikacija simulacije
• Orodje za simulacijo: Za parametrično modeliranje, temelječe na jeziku APDL, je bil uporabljen program ANSYS 11.0, kar omogoča natančno izračunavanje upornosti elementa varilke in simulacijo predpodžigovskega procesa.
• Izbira strukture elementa varilke: Tradicionalni oblikovalni način z krožno luknjo je bil zavržen v korist pravokotne luknje. Ta struktura maksimizira delež nosilnega toka v območjih brez sužnja, kar doseže nižjo upornost in višjo nosilnost toka znotraj istega prostornega obsega, popolnoma rešuje nasprotje med nosilnostjo toka in hitrostjo.
• Optimizacija parametrov: Ključni parametri, kot so širina sužnja (b), širina luknje (c), razmik (d) in debelina (h), so bili optimizirani skozi večdimenzionalne simulacije. Iskal se je optimalna rešitev za zmanjšano upornost, hkrati pa je bila zagotovljena proizvodna izvedljivost (npr. izogibanje poškodbe ali deformaciji elementa).
Rezultat optimizacije: Končni načrt je dosegel upornost elementa varilke 15,2 μΩ in presečno površino sužnja 0,6 mm², popolnoma izpolnjuje zahteve za prekinitveno kapaciteto 40 kA.
III. Preverjanje zmogljivosti in rezultati testiranja
3.1 Testiranje temperaturnega naraščanja
• Pogoji testiranja: Uporaba 2000 A AC toka za stabilno zvezno delovanje.
• Rezultati testiranja:
o Merjena hladna upornost je bila 15,0 μΩ, visoko skladna z simulacijsko vrednostjo (15,2 μΩ), kar je potrdilo natančnost modela.
o Temperaturna naraščanja na ključnih delih so bila v skladu s standardi (85 K na sužnju, približno 47 K na konektorjih).
o Nosilnost toka je potrdila imenovani tok 2000 A. Izračunana gostota toka sužnja je doseglj 3300 A/mm², kar je daleč preseglo podobne domače in mednarodne izdelke.
3.2 Testiranje podžiga kratkih krmil
• Pogoji testiranja: Ustvarjen je bil simulirani krog, ki generira predviden simetrični tok kratkih krmil 40 kA.
• Rezultati testiranja:
o Merjena vrednost aktivacijskega toka je bila 15,1 kA, visoko skladna z simulacijsko predvideno vrednostjo (15 kA) in znotraj optimalnega območja 8-15 kA.
o Generirana napetost podžiga je doseglj 50 V, kar je dovolj za zanesljivo zapalitev električnega detonatorja v mikrosekundah, kar kaže na hitro in zanesljivo delovanje.
IV. Zaključek in prednosti
Ta rešitev je uspešno razvila visokoperformantno varilko s podžigom. Ključni zaključki in prednosti so naslednji:
- Temeljni napredek: Skozi inovativno oblikovanje elementa varilke s pravokotno luknjo in optimizacijo parametrov, je bilo rešeno temeljno nasprotje med nosilnostjo toka in hitrostjo delovanja pri podžigih. Gostota toka sužnja je bila povečana na vodilno industrijsko raven 3300 A/mm².
- Visoki kazalci zmogljivosti: Izdelek je primeren za napetostni nivo 10 kV, dosega imenovani tok 2000 A in prekinitveno kapaciteto 40 kA, kar zadosti potrebam industrijskih aplikacij z visokim napetostjo in tokom.
- Visoka zanesljivost: Čisto mehanski mehanizem za podžig je pasiven in ne zahteva nadzora, kar izključi odvisnost od elektronskih komponent in zunanjih virov napajanja. Ponuja močno odpornost na motnje in zanesljivo delovanje.
- Verificirana tehnologija: Simulacijski model, temelječ na ANSYS, je pokazal visoko skladnost s meritvenimi rezultati, kar prinaša učinkovito in zanesljivo orodje in metodologijo za oblikovanje in optimizacijo izdelka.
