Napredno rešenje za lukove sa paljenjem na visok napon i visoki tok

I. Istraživački pozadina i ključni problemi

1.1 Istraživačka pozadina
Sa kontinuiranim proširenjem skale električnih sistema i povećanjem kapaciteta za kratko zatvorene kruževe, postavljene su veće zahteve za opremom za ograničavanje strujnog prekida. Postojeće mainstream rešenje uključuju superprovodne ograničioci strujnog prekida (SFCL), hibridne prekidnike sa ograničenjem struje i hibridne prekidnike sa ograničenjem struje. Među njima, hibridni prekidnici sa ograničenjem struje postali su preferirana izbora na tržištu zbog visoke tehnološke zrelosti, ekonomičnosti i širokog primene.

Međutim, postojeće tehnologije imaju dva glavna ograničenja:
• Elektronski kontrolisani tip: Zavisi od osetljivih elektronskih komponenti i spoljnog napajanja za kontrolu, što ga čini podložnim greškama ili kvarovima usled kvara komponenti ili gubitka napajanja za kontrolu. Njegova pouzdanost je ograničena spoljnim uslovima.
• Tip pokrenut lukom: Dok nudi prednosti kao što su jednostavna struktura, snažna otpornost na interferenciju, kompaktna veličina i niska cena, njegov nominalni tok (obično ≤600A) i kapacitet prekida (obično ≤25kA) su relativno niski, što čini teškim zadovoljiti urgente potrebe visokonaponskih i visokotokovih industrijskih aplikacija (npr. veliki metalurgijski kompleksi, hemijske fabrike, data centri).

1.2 Ključna kontradikcija
Poboljšanje performansi prekidnika pokrenutih lukom suočeno je sa fundamentalnom kontradikcijom: razmena između brzog rada i kapaciteta nosivosti toka. Da bi se dostigao brzi rad (nizak pre-arčni I²t vrednost), potrebna je mala površina preseka prekidnika. S druge strane, povećanje nominalne nosivosti toka zahteva veću površinu preseka prekidnika. Povećanje površine preseka povećava pre-arčnu I²t vrednost, što dovodi do kašnjenja u radu tokom kratkog zatvorenog kružnog toka. Ovo kašnjenje dozvoljava da stvarni tok kratkog zatvorenog kružnog toka raste, što na kraju dovodi do neuspeha prekida.

II. Rešenje: Ključni tehnološki proboji i inovativni dizajn

2.1 Principe rada
Ovo rešenje koristi arčni pokretač kao centralnu jedinicu za senziranje i pokretanje. Njegova struktura se uglavnom sastoji od dve bakrene ploče, unutrašnjeg srebrnog elementa prekidnika (sa specifično dizajniranim prekidnicima), ispune materijala i kućišta. Proces prekida je sledeći:

Formiranje luka: Kada se desi tok kratkog zatvorenog kružnog toka, prekidnik prekidnika brzo topi i formira luk, generišući početni arčni napon.
Pokretanje: Ovaj arčni napon brzo palio paralelno povezan eksplodirajući prekidnik (električni detonator).
Prebacivanje toka: Prekidnik eksplodira, formirajući put visokog otpora, prisiljavajući tok kratkog zatvorenog kružnog toka da se prebaci na paralelnu granu prekidnika za ugasevanje luka.
Prekid: Prekidnik za ugasevanje luka formira luk, generišući ekstremno visok arčni napon koji prisiljava tok da padne na nulu, ostvarujući brzo ograničenje toka i prekid.

2.2 Ključna inovacija: Dizajn visoke gustoće toka prekidnika
Vrednost pokretačkog toka (I₁) je ključan parametar koji određuje uspeh prekida, a mora ostati u optimalnom opsegu od 8-15kA. Za dizajn pokrenut lukom, nominalni tok je snažno koreliran sa pokretačkim tokom.

Ključni proboj ovog rešenja leži u značajnom povećanju gustoće toka prekidnika. Kroz teorijsku derivaciju:
• Vrednost pokretačkog toka I₁ ∝ (pre-arčni I²t * di/dt)^(1/3)
• Pre-arčni I²t vrednost ∝ (površina preseka prekidnika (S))²

Zaključak: Pod istim nominalnim tokom i uslovima kratkog zatvorenog kružnog toka, viša gustoća toka prekidnika zahteva manju površinu preseka prekidnika (S), smanjujući pre-arčni I²t vrednost. To osigurava brz rad čak i pod ekstremno visokim tokovima kratkog zatvorenog kružnog toka, omogućavajući pouzdan prekid. Cilj ovog rešenja je podizanje ovog merila sa trenutnog nivoa produkta od ~1000 A/mm² na preko 3000 A/mm².

2.3 Optimalizacija strukture i verifikacija simulacijom
• Alat za simulaciju: Korišćen je softver ANSYS 11.0 za parametarsko modelovanje bazirano na APDL jeziku, omogućavajući preciznu izračunavanje otpora elementa prekidnika i simulaciju pre-arčnog procesa.
• Izbor strukture elementa prekidnika: Tradicionalni dizajn sa kružnim otvorom je odbačen u korist pravougaonog otvora. Ova struktura maksimizuje udio toka u regionima van prekidnika, dostizajući niži otpor i višu nosivost toka unutar istog zapremine, savršeno rešavajući kontradikciju između nosivosti toka i brzine.
• Optimalizacija parametara: Ključni parametri poput širine prekidnika (b), širine otvora (c), razmaka (d) i debljine (h) su optimizirani kroz višedimenzionalne simulacije. Tražilo se optimalno rešenje za minimizaciju otpora dok se osigurava mogućnost proizvodnje (npr. izbegavajući lomanje ili deformaciju elementa).

Rezultat optimalizacije: Finalni dizajn je dostigao otpor elementa prekidnika od 15.2 μΩ i površinu preseka prekidnika od 0.6 mm², savršeno ispunjavajući zahteve za kapacitetom prekida od 40 kA.

III. Verifikacija performansi i rezultati testiranja

3.1 Testiranje porasta temperature
• Uslovi testiranja: Primijenjen je AC tok od 2000 A za stabilnu kontinuiranu operaciju.
• Rezultati testiranja:
o Izmereni hladni otpor iznosio je 15.0 μΩ, visoko u skladu sa simulacionom vrednošću (15.2 μΩ), potvrđujući tačnost modela.
o Porasti temperature na ključnim delovima su bili u skladu sa standardima (85 K na prekidniku, oko 47 K na terminalima).
o Nosivost toka je potvrdila nominalni tok od 2000 A. Izračunata gustoća toka prekidnika dosegnula je 3300 A/mm², daleko prevazilazeći slične domaće i međunarodne proizvode.

3.2 Testiranje pokretanja tokom kratkog zatvorenog kružnog toka
• Uslovi testiranja: Postavljen je simulirani kružni tok za generisanje predviđenog simetričnog toka kratkog zatvorenog kružnog toka od 40 kA.
• Rezultati testiranja:
o Izmerena vrednost pokretačkog toka iznosila je 15.1 kA, visoko u skladu sa simulacionom predviđenom vrednošću (15 kA) i unutar optimalnog opsega od 8-15 kA.
o Generisani arčni napon dosegnuo je 50 V, dovoljan da pouzdano palio električni detonator u mikrosekundama, pokazujući brz i pouzdan rad.

IV. Zaključak i prednosti

Ovo rešenje je uspešno razvilo visokoperformansni prekidnik pokrenut lukom. Ključni zaključci i prednosti su sledeći:

Fundamentalni proboj: Kroz inovativni dizajn elementa prekidnika sa pravougaonim otvorom i optimalizaciju parametara, rešena je intrinska kontradikcija između nosivosti toka i brzine rada u prekidnicima pokrenutim lukom. Gustoća toka prekidnika podignuta je na vodeći nivo u industriji od 3300 A/mm².
Visoki performansni pokazatelji: Proizvod je prikladan za naponski nivo od 10 kV, dostižući nominalni tok od 2000 A i kapacitet prekida od 40 kA, zadovoljavajući potrebe visokonaponskih i visokotokovih industrijskih aplikacija.
Visoka pouzdanost: Čisto mehanički mehanizam pokretanja luka je pasivan i ne zahteva kontrolu, eliminirajući zavisnost od elektronskih komponenti i spoljnih napajanja. Nudi snažnu otpornost na interferenciju i pouzdan rad.
Verifikabilna tehnologija: Model simulacije baziran na ANSYS-u pokazao je visoku saglasnost sa izmerenim rezultatima, pružajući efikasan i pouzdan alat i metodologiju za dizajn i optimalizaciju proizvoda.