Avancerad bågeutlöst sikring för högspännings- och högströmsapplikationer

I. Forskningsbakgrund och kärnfrågor

1.1 Forskningsbakgrund
Med den kontinuerliga expansionen av strömsystemets storlek och den ökande kortslutningskapaciteten ställs högre krav på skyddsutrustning för felström begränsning. De befintliga huvudsakliga lösningarna inkluderar superkonduktiva felströmbegränsare (SFCL), hybridfelströmbrytare och hybridfelströmfusor. Av dessa har hybridfelströmfusor blivit marknadens föredragna val på grund av sin höga tekniska mognad, kostnadseffektivitet och breda tillämpning.

Däremot har de existerande teknologierna två stora begränsningar:
• Elektroniskt styrda typ: Beror på känsliga elektroniska komponenter och en extern styrlingsström, vilket gör det benäget att misslyckas eller fungera felaktigt på grund av komponentfel eller förlust av styrlingsström. Dess tillförlitlighet är begränsad av yttre förhållanden.
• Bågeutriggerad typ: Även om den erbjuder fördelar som enkel struktur, stark motståndskraft mot interferens, kompakt storlek och låg kostnad, är dess nominella ström (typiskt ≤600A) och brytkapacitet (typiskt ≤25kA) relativt låg, vilket gör det svårt att uppfylla den brådskande efterfrågan inom högspännings- och högströmsindustritillämpningar (t.ex. storskalig metallurgi, kemiska anläggningar, datacenter).

1.2 Kärnmotsättning
Förbättringen av prestandan hos bågeutriggerade fusor står inför en grundläggande motsättning: kompromissen mellan snabb drift och strömföring. För att uppnå snabb drift (lågt I²t-värde före bågen) krävs en liten tvärsnittsarea för fusetelementets konstriktion. Å andra sidan kräver en ökad nominell strömföring en större konstriktionsarea. Att öka tvärsnittsytan ökar I²t-värdet före bågen, vilket leder till dröjsmål vid kortslutning. Detta dröjsmål gör att den faktiska kortslutningsströmmen ökar, vilket i slutändan leder till brytfel.

II. Lösning: Viktiga tekniska genombrott och innovativ design

2.1 Funktionsprincip
Denna lösning använder en bågeutrigger som kärn-sensor- och utlösarenhet. Dess struktur består huvudsakligen av två kopparplattor, ett internt silverfusetelement (med specifikt designade konstriktioner), fyllningsmaterial och en behållare. Brytprocessen är följande:

1. Bågning: När en kortslutningsström uppstår smälter fusetelementets konstriktion snabbt och bågar, vilket genererar en initial bågenspanning.
2. Utlösning: Denna bågenspanning tänd snabbt den parallellkopplade explosiva avbrytaren (elektrisk detonator).
3. Strömkommunikation: Avbrytaren exploderar, vilket skapar en väghög resistansväg, vilket tvingar kortslutningsströmmen att kommunicera till den parallella bågutsläckande fusetgrenen.
4. Brytning: Bågutsläckande fuset bågar, vilket genererar en extremt hög bågenspanning som tvingar strömmen till noll, vilket uppnår snabb felströmbegränsning.

2.2 Kärninnovation: Design med hög konstriktionsströmtäthet
Utlösströmvärdet (I₁) är en viktig parameter som bestämmer brytningsframgång, som måste hållas inom det optimala intervallet 8-15kA. För bågeutriggerade design är den nominella strömmen starkt korrelerad med utlösströmmen.

Kärngenombrottet i denna lösning ligger i att signifikant öka konstriktionsströmtätheten. Genom teoretisk härledning:
• Utlösströmvärde I₁ ∝ (I²t före bågen * di/dt)^(1/3)
• I²t-värde före bågen ∝ (konstriktionsytan (S))²

Slutsats: Vid samma nominella ström och kortslutningsförhållanden kräver en högre konstriktionsströmtäthet en mindre konstriktionsarea (S), vilket minskar I²t-värdet före bågen. Detta säkerställer snabb drift även under extremt höga kortslutningsströmmar, vilket möjliggör tillförlitlig brytning. Målet med denna lösning är att höja denna mätvärde från det nuvarande produktivån på ~1000 A/mm² till över 3000 A/mm².

2.3 Strukturell optimering och simuleringss verifiering
• Simuleringsverktyg: ANSYS 11.0-programvara användes för parametrisk modellering baserat på APDL-språk, vilket möjliggör exakt beräkning av fusetelementsresistans och simulering av processen före bågen.
• Val av fusetelementstruktur: Den traditionella cirkulära hålstrukturen avvisades till förmån för en rektangulär hålstruktur. Denna struktur maximiserar strömföring i icke-konstriktionsområden, vilket ger lägre resistans och högre strömföring inom samma volym, vilket fullständigt löser motsättningen mellan strömföring och hastighet.
• Parameternoptimering: Viktiga parametrar som konstriktionsbredd (b), hålbredd (c), avstånd (d) och tjocklek (h) optimerades genom flerdimensionella simuleringar. Den optimala lösningen för minimal resistans söktes samtidigt som man säkrade tillverkbarhet (t.ex. undvika elementbrott eller deformation).

Optimeringsresultat: Den slutliga designen uppnådde en fusetelementresistans på 15.2 μΩ och en konstriktionsytarea på 0.6 mm², vilket fullständigt uppfyller kraven för en 40 kA brytkapacitet.

III. Prestandaverifiering och testresultat

3.1 Temperaturhöjningstest
• Testvillkor: Tillämpade 2000 A AC-ström för stabil kontinuerlig drift.
• Testresultat:
o Den mätta kalla resistansen var 15.0 μΩ, mycket överensstämmande med simuleringsvärdet (15.2 μΩ), vilket bekräftar modellens noggrannhet.
o Temperaturhöjningar i viktiga delar uppfyllde standarder (85 K vid konstriktionen, ungefär 47 K vid terminalerna).
o Strömföringen bekräftade en nominell ström på 2000 A. Den beräknade konstriktionsströmtätheten nådde 3300 A/mm², vilket långt överträffar liknande inhemska och internationella produkter.

3.2 Kortslutningsutlösningstest
• Testvillkor: Ett simulerat kretslopp sattes upp för att generera en förväntad symmetrisk kortslutningsström på 40 kA.
• Testresultat:
o Det mätta utlösströmvärdet var 15.1 kA, mycket överensstämmande med det simulerade förutsagda värdet (15 kA) och inom det optimala intervallet 8-15 kA.
o Den genererade bågenspanningen nådde 50 V, tillräckligt för att pålitligt tända elektriska detonatorer inom mikrosekunder, vilket visar dess snabba och pålitliga drift.

IV. Slutsats och fördelar

Denna lösning lyckades utveckla en högpresterande bågeutriggerad fuses. De centrala slutsatserna och fördelarna är följande:

1. Grundläggande genombrott: Genom innovativ rektangulär hålfusetelementdesign och parameternoptimering löstes den inre motsättningen mellan strömföring och driftshastighet i bågeutrigger. Konstriktionsströmtätheten höjdes till en branschledande nivå på 3300 A/mm².
2. Högpresterande indikatorer: Produkten är lämplig för spänningsnivåer på 10 kV, uppnår en nominell ström på 2000 A och en brytkapacitet på 40 kA, vilket uppfyller behoven för högspännings- och högströmsindustritillämpningar.
3. Hög tillförlitlighet: Den rent mekaniska bågeutriggeringsmekanismen är passiv och kräver ingen styrning, vilket eliminerar beroendet av elektroniska komponenter och externa strömkällor. Den erbjuder stark motståndskraft mot interferens och pålitlig drift.
4. Verifierbar teknik: Simuleringsmodellen baserad på ANSYS visade hög överensstämmelse med mätresultaten, vilket ger ett effektivt och pålitligt verktyg och metod för produktdesign och optimering.