โซลูชันฟิวส์แบบอาร์คทริกเกอร์ขั้นสูงสำหรับการใช้งานแรงดันและกระแสไฟฟ้าสูง

I. ภูมิหลังการวิจัยและประเด็นหลัก​

​1.1 ภูมิหลังการวิจัย​
ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของระบบไฟฟ้าและการเพิ่มขึ้นของกำลังสั้นวงจร ทำให้มีความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับอุปกรณ์ป้องกันการจำกัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดพลาด การแก้ไขปัญหาที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันรวมถึง superconducting fault current limiters (SFCL) วงจรตัดไฟผสม และฟิวส์จำกัดกระแสแบบผสม ในจำนวนนี้ ฟิวส์จำกัดกระแสแบบผสมได้กลายเป็นทางเลือกที่ตลาดนิยมเนื่องจากความเจริญก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สูง ราคาที่เหมาะสม และการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวาง

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีที่มีอยู่มีข้อจำกัดสองประการ:
• ​ประเภทควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์:​​ อาศัยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อนและแหล่งพลังงานควบคุมภายนอก ทำให้เสี่ยงต่อการชำรุดหรือล้มเหลวจากการทำงานของอุปกรณ์หรือการสูญเสียพลังงานควบคุม ความเชื่อถือได้ถูกจำกัดโดยสภาพแวดล้อมภายนอก
• ​ประเภทกระตุ้นด้วยอาร์ค:​​ แม้จะมีข้อดีเช่นโครงสร้างที่เรียบง่าย ความสามารถในการต้านทานการรบกวนที่แข็งแกร่ง ขนาดเล็ก และต้นทุนต่ำ แต่กระแสไฟฟ้าที่กำหนด (โดยทั่วไป ≤600A) และกำลังตัด (โดยทั่วไป ≤25kA) มีค่าต่ำ ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการอย่างเร่งด่วนของการใช้งานอุตสาหกรรมที่มีแรงดันสูงและกระแสไฟฟ้าสูง (เช่น การผลิตโลหะขนาดใหญ่ โรงงานเคมี ศูนย์ข้อมูล)

​1.2 ข้อขัดแย้งหลัก​
การปรับปรุงประสิทธิภาพของฟิวส์กระตุ้นด้วยอาร์คเผชิญกับข้อขัดแย้งพื้นฐาน: การแลกเปลี่ยนระหว่างการทำงานอย่างรวดเร็วและความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า ในการทำงานอย่างรวดเร็ว (ค่า I²t ที่ต่ำ) จำเป็นต้องมีพื้นที่ขวางที่เล็กของส่วนแคบของฟิวส์ ตรงกันข้าม การเพิ่มความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าที่กำหนดจำเป็นต้องมีพื้นที่ขวางที่ใหญ่ขึ้น การขยายพื้นที่ขวางจะเพิ่มค่า I²t ที่ต่ำ ทำให้เกิดการล่าช้าในการทำงานเมื่อมีวงจรสั้น ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวในการตัดวงจร

​II. โซลูชัน: การพัฒนาเทคโนโลยีหลักและการออกแบบที่นวัตกรรม​

​2.1 หลักการทำงาน​
โซลูชันนี้ใช้อาร์คกระตุ้นเป็นหน่วยตรวจจับและกระตุ้นหลัก โครงสร้างหลักประกอบด้วยแผ่นทองแดงสองแผ่น ฟิวส์เงินภายใน (พร้อมส่วนแคบที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ) วัสดุเติม และเคส การทำงานในการตัดวงจรเป็นดังนี้:

1. ​การเกิดอาร์ค:​​ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าสั้นวงจรเกิดขึ้น ส่วนแคบของฟิวส์จะละลายอย่างรวดเร็วและเกิดอาร์ค สร้างแรงดันอาร์คเริ่มต้น
2. ​การกระตุ้น:​​ แรงดันอาร์คนี้จะจุดชนวนให้ interrupter ที่เชื่อมขนาน (electric detonator) ทำงานอย่างรวดเร็ว
3. ​การเปลี่ยนกระแส:​​ interrupter จะระเบิด สร้างทางเดินที่มีความต้านทานสูง ทำให้กระแสไฟฟ้าสั้นวงจรเปลี่ยนไปยังวงจรฟิวส์ตัดอาร์คที่เชื่อมขนาน
4. ​การตัดวงจร:​​ ฟิวส์ตัดอาร์คจะเกิดอาร์ค สร้างแรงดันอาร์คที่สูงมาก ทำให้กระแสไฟฟ้าลดลงเป็นศูนย์ ทำให้การตัดวงจรและจำกัดกระแสไฟฟ้าดำเนินไปอย่างรวดเร็ว

​2.2 นวัตกรรมหลัก: การออกแบบความหนาแน่นของกระแสสูงในส่วนแคบ​
ค่ากระแสกระตุ้น (I₁) เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่กำหนดความสำเร็จในการตัดวงจร ซึ่งต้องอยู่ในช่วงที่เหมาะสม 8-15kA สำหรับการออกแบบกระตุ้นด้วยอาร์ค กระแสไฟฟ้าที่กำหนดมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระแสกระตุ้น

การพัฒนาหลักของโซลูชันนี้อยู่ที่การเพิ่มความหนาแน่นของกระแสในส่วนแคบอย่างมาก ผ่านการอนุมานเชิงทฤษฎี:
• ค่ากระแสกระตุ้น I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• ค่า pre-arcing I²t ∝ (พื้นที่ขวางส่วนแคบ (S))²

สรุป: ภายใต้กระแสไฟฟ้าที่กำหนดและสภาพสั้นวงจรเดียวกัน ความหนาแน่นของกระแสที่สูงขึ้นในส่วนแคบจำเป็นต้องมีพื้นที่ขวางส่วนแคบที่เล็ก (S) ทำให้ค่า pre-arcing I²t ลดลง ทำให้สามารถทำงานอย่างรวดเร็วแม้ภายใต้กระแสสั้นวงจรที่สูงมาก ทำให้การตัดวงจรเชื่อถือได้ วัตถุประสงค์ของการออกแบบนี้คือการยกระดับค่าดังกล่าวจากระดับผลิตภัณฑ์ปัจจุบัน ~1000 A/mm² ไปเป็นมากกว่า 3000 A/mm².

​2.3 การปรับปรุงโครงสร้างและการตรวจสอบด้วยการจำลอง​
• ​เครื่องมือจำลอง:​​ ใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS 11.0 สำหรับการจำลองแบบพาราเมตริกบนภาษา APDL ทำให้สามารถคำนวณความต้านทานของฟิวส์และจำลองกระบวนการ pre-arcing ได้อย่างแม่นยำ
• ​การเลือกโครงสร้างฟิวส์:​​ ละทิ้งการออกแบบรูกลมแบบวงกลมแบบดั้งเดิม และเลือกใช้โครงสร้างรูสี่เหลี่ยม โครงสร้างนี้ทำให้ส่วนที่ไม่แคบสามารถแบ่งปันกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น ทำให้ได้ความต้านทานที่ต่ำและความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นภายในปริมาณเดียวกัน แก้ไขข้อขัดแย้งระหว่างความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าและความเร็วได้อย่างสมบูรณ์
• ​การปรับปรุงพารามิเตอร์:​​ พารามิเตอร์สำคัญเช่นความกว้างส่วนแคบ (b) ความกว้างรู (c) ระยะห่าง (d) และความหนา (h) ได้รับการปรับปรุงผ่านการจำลองหลายมิติ มองหาโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับความต้านทานที่ต่ำที่สุด ขณะเดียวกันก็ยังคงความเป็นไปได้ในการผลิต (เช่น ป้องกันการแตกหรือการเปลี่ยนรูปขององค์ประกอบ)

ผลการปรับปรุง: การออกแบบสุดท้ายได้ความต้านทานของฟิวส์ 15.2 μΩ และพื้นที่ขวางส่วนแคบ 0.6 mm² ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการในการตัดวงจร 40 kA ได้อย่างสมบูรณ์

​III. การตรวจสอบประสิทธิภาพและผลทดสอบ​

​3.1 การทดสอบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น​
• ​เงื่อนไขการทดสอบ:​​ ใช้กระแสไฟฟ้า AC 2000 A สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่องและมั่นคง
• ​ผลการทดสอบ:​​
o ค่าความต้านทานที่วัดได้ที่อุณหภูมิห้องคือ 15.0 μΩ ซึ่งสอดคล้องอย่างมากกับค่าที่จำลอง (15.2 μΩ) ยืนยันความถูกต้องของโมเดล
o อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่ส่วนสำคัญสอดคล้องกับมาตรฐาน (85 K ที่ส่วนแคบ ประมาณ 47 K ที่ปลายสาย)
o ความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้ายืนยันกระแสไฟฟ้าที่กำหนด 2000 A ค่าความหนาแน่นของกระแสในส่วนแคบที่คำนวณได้คือ 3300 A/mm² ซึ่งสูงกว่าผลิตภัณฑ์ในประเทศและต่างประเทศที่คล้ายคลึงกันอย่างมาก

​3.2 การทดสอบการกระตุ้นด้วยวงจรสั้น​
• ​เงื่อนไขการทดสอบ:​​ ตั้งวงจรจำลองเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าสั้นวงจรที่คาดการณ์ไว้ 40 kA
• ​ผลการทดสอบ:​​
o ค่ากระแสกระตุ้นที่วัดได้คือ 15.1 kA ซึ่งสอดคล้องอย่างมากกับค่าที่คาดการณ์จากการจำลอง (15 kA) และอยู่ในช่วงที่เหมาะสม 8-15 kA
o แรงดันอาร์คที่สร้างขึ้นคือ 50 V ซึ่งเพียงพอที่จะจุดชนวน electric detonator ได้อย่างเชื่อถือได้ภายในไมโครวินาที แสดงให้เห็นถึงการทำงานอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้

​IV. สรุปและข้อดี​

โซลูชันนี้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาฟิวส์กระตุ้นด้วยอาร์คที่มีประสิทธิภาพสูง ข้อสรุปและข้อดีหลักคือ:

1. ​การพัฒนาพื้นฐาน:​​ ผ่านการออกแบบฟิวส์รูสี่เหลี่ยมที่นวัตกรรมและการปรับปรุงพารามิเตอร์ ข้อขัดแย้งระหว่างความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าและความเร็วในการทำงานของฟิวส์กระตุ้นด้วยอาร์คได้รับการแก้ไข ความหนาแน่นของกระแสในส่วนแคบได้รับการยกระดับไปอยู่ที่ระดับอุตสาหกรรมที่สูงถึง 3300 A/mm².
2. ​ตัวชี้วัดประสิทธิภาพสูง:​​ ผลิตภัณฑ์นี้เหมาะสมสำหรับระดับแรงดัน 10 kV ทำให้ได้กระแสไฟฟ้าที่กำหนด 2000 A และความสามารถในการตัดวงจร 40 kA ตอบสนองความต้องการของการใช้งานอุตสาหกรรมที่มีแรงดันสูงและกระแสไฟฟ้าสูง
3. ​ความเชื่อถือได้สูง:​​ กลไกการกระตุ้นด้วยอาร์คที่เป็นเชิงกลเป็นแบบพาสซีฟและไม่ต้องการการควบคุม ไม่ต้องพึ่งพาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแหล่งพลังงานภายนอก มีความสามารถในการต้านทานการรบกวนที่แข็งแกร่งและทำงานอย่างเชื่อถือได้
4. ​เทคโนโลยีที่ตรวจสอบได้:​​ โมเดลการจำลองที่ใช้ ANSYS แสดงความสอดคล้องสูงกับผลการวัด มอบเครื่องมือและวิธีการที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับการออกแบบและปรับปรุงผลิตภัณฑ์