Suluhisho la Kima la Arc Bora kwa Matumizi ya Mwendo Mkubwa na Umeme Mrefu

I. Mada ya Uchunguzi na Matatizo Makuu​

​1.1 Mada ya Uchunguzi​
Kwa ukuaji wa ukubwa wa mfumo wa umeme na uongezaji wa uwezo wa kutengeneza current ya kuvunjika, viwango vya juu zimepatikana kwa vyombo vya kuhifadhi kwa ajili ya kuzuia current za matatizo. Vikao vya awali vya sasa vinajumuisha superconducting fault current limiters (SFCL), hybrid current-limiting circuit breakers, na hybrid current-limiting fuses. Kati yake, hybrid current-limiting fuses imekuwa chaguo la asili kwa soko kutokana na utaratibu mkubwa wa teknolojia, bei nafuu, na maendeleo mengi.

Hata hivyo, teknolojia za sasa zina matatizo mawili makubwa:
• ​Aina ya Electronically Controlled:​​ Inategemea kwenye vyanzo vya elektroniki yenye uwepo na umeme wa kumiliki, ambayo inaweza kuwa na matatizo au kufeli kutokana na upunguaji wa kitucho au kupoteza umeme wa kumiliki. Uaminifu wake unahatarishwa na masharti ya nje.
• ​Aina ya Arc-Triggered:​​ Ingawa ina faida kama ubora wa muundo, nguvu kubwa ya kukabiliana na mazungumzo, ukubwa ndogo, na bei nafuu, current yake imetolewa (kawaida ≤600A) na uwezo wa kuvunjika (kawaida ≤25kA) ni chache, kulingana na mapenzi ya matumizi ya kiindustri ya high-voltage na high-current (kama vile mitundoni mikubwa, viwanda vya kimya, na data centers).

​1.2 Matabaini Makuu​
Ukuaji wa ufanisi wa arc-triggered fuses una matabaini msingi: uhamisho kati ya haraka ya kazi na uwezo wa kuleta current. Kupata haraka ya kazi (thamani ya I²t chini ya kuvunjika ni chache), inahitajika sekta ya cross-sectional area ya fuse element ina thamani ndogo. Vinginevyo, kuongeza uwezo wa current ya imetolewa inahitajika sekta ya cross-sectional area ikubalike. Kuongeza sekta ya cross-sectional area huongeza thamani ya I²t chini ya kuvunjika, kusababisha kujaza muda wakati wa kuvunjika. Hii hutumia current ya kuvunjika kwenda juu, huku ikapata kuvunjika.

​II. Suluhisho: Maendeleo Makuu ya Teknolojia na Muundo Mpya​

​2.1 Sera ya Kazi​
Suluhisho hili linatumia arc trigger kama kitucho msingi cha kutambua na kutetea. Muundo wake unajumuisha vipande viwili vya copper, silver fuse element ndani (na constrictions vilivyoundwa vizuri), chanzo, na enclosures. Mzunguko wa kuvunjika unafanana na hii:

1. ​Arcing:​​ Wakati current ya kuvunjika inapatikana, fuse element constriction inakua haraka na kuanza arc, kutengeneza arc voltage ya mwanzo.
2. ​Triggering:​​ Arc voltage hii inafanya electric detonator (explosive interrupter) iliokuwa parallel ika.
3. ​Current Commutation:​​ Interrupter inafungua, kutengeneza njia ya resistance ya juu, kudhulumi current ya kuvunjika kwa arc-extinguishing fuse branch.
4. ​Breaking:​​ Arc-extinguishing fuse inafanya arc, kutengeneza arc voltage ya juu ambayo inaforce current kwa zero, kupata kuvunjika ya haraka.

​2.2 Ubunifu Mkuu: Design ya High Constriction Current Density​
Thamani ya trigger current (I₁) ni parameter muhimu unayotegemea kwa kuvunjika, lazima iwe ndani ya eneo bora la 8-15kA. Kwa designs za arc-triggered, current ya imetolewa ina uhusiano mkubwa na trigger current.

Maendeleo mkuu ya suluhisho hili ni kwa kuongeza sana density ya constriction current. Kwa kutumia hisabati:
• Thamani ya trigger current I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Thamani ya pre-arcing I²t ∝ (constriction cross-sectional area (S))²

Mwisho: Kwa rated current na masharti ya kuvunjika sawa, density ya constriction current chanya inahitaji sekta ya cross-sectional area (S) ndogo, kusaidia kuridhisha thamani ya pre-arcing I²t. Hii hutumia kazi haraka hata kwa current za kuvunjika chanya, kufanya kuvunjika ya amani. Lengo la design hili ni kuboresha metric hii kutoka kwa ~1000 A/mm² hadi zaidi ya 3000 A/mm².

​2.3 Usimamizi wa Muundo na Utambuzi wa Simulation​
• ​Simulation Tool:​​ Programu ya ANSYS 11.0 ilikuwa inatumika kwa modeling ya parametric kutokana na lugha ya APDL, kutengeneza hisabati ya resistance ya fuse element na utambuzi wa mzunguko wa pre-arcing.
• ​Fuse Element Structure Selection:​​ Design ya circular hole yenye kawaida ilikuwa inachukuliwa na rectangular hole structure. Muundo huu unafanikisha share ya current katika maeneo yasiyofaa, kupata resistance chache na uwezo wa kuleta current chanya kwenye ukubwa sawa, kunyoosha matabaini kati ya uwezo wa kuleta current na haraka.
• ​Parameter Optimization:​​ Viwango muhimu kama width ya constriction (b), width ya hole (c), spacing (d), na thickness (h) vilikuwa vilipimwa kwa simulation za multidimensional. Suluhisho bora la resistance chache lilikuwa linapata kutokana na kutegemea kwa usimamizi wa manufacturing (kama vile kuzuia upunguaji au kubamba).

Matokeo ya Usimamizi: Design ya mwisho ilipata resistance ya fuse element ya 15.2 μΩ na sekta ya cross-sectional area ya 0.6 mm², kunyoosha mahitaji ya uwezo wa kuvunjika wa 40 kA.

​III. Utambuzi wa Performance na Matokeo ya Test​

​3.1 Temperature Rise Test​
• ​Test Conditions:​​ Applied 2000 A AC current for stable continuous operation.
• ​Test Results:​​
o Cold resistance measured was 15.0 μΩ, highly consistent with the simulation value (15.2 μΩ), validating the model's accuracy.
o Temperature rises at key parts met standards (85 K at the constriction, approximately 47 K at the terminals).
o The current-carrying capacity confirmed a rated current of 2000 A. The calculated constriction current density reached 3300 A/mm², far exceeding similar domestic and international products.

​3.2 Short-Circuit Trigger Test​
• ​Test Conditions:​​ A simulated circuit was set up to generate a prospective symmetrical short-circuit current of 40 kA.
• ​Test Results:​​
o The measured trigger current value was 15.1 kA, highly consistent with the simulated predicted value (15 kA) and within the optimal range of 8-15 kA.
o The generated arc voltage reached 50 V, sufficient to reliably ignite the electric detonator within microseconds, demonstrating its rapid and reliable operation.

​IV. Mwisho na Faides​

Suluhisho hili limefanikiwa kujenga arc-triggered fuse yenye performance chanya. Malalamiko na faides muhimu ni kama hivi:

1. ​Fundamental Breakthrough:​​ Kwa kutumia design mpya ya rectangular hole fuse element na usimamizi wa parameters, matabaini ya msingi kati ya uwezo wa kuleta current na haraka ya kazi kwa arc triggers imefunikwa. Density ya constriction current imeongezeka hadi kiwango chenye industry-leading level ya 3300 A/mm².
2. ​High Performance Indicators:​​ Bidhaa hii inafanikiwa kwa voltage levels za 10 kV, kupata rated current ya 2000 A na uwezo wa kuvunjika wa 40 kA, kufanikisha mahitaji ya matumizi ya kiindustri ya high-voltage na high-current.
3. ​High Reliability:​​ Mechanism ya arc-triggering wa kutosha unahitaji chochote kingine, hakuna kufuatilia vyanzo vya elektroniki na umeme wa nje. Ina nguvu kubwa ya kukabiliana na mazungumzo na kazi ya amani.
4. ​Verifiable Technology:​​ Modeli ya simulation ya ANSYS ilikuwa na uhusiano mkubwa na matokeo ya measured, kutengeneza zana na njia ya amani na kwa haraka kwa design na usimamizi wa bidhaa.