Gelişmiş Yay Çözücü Çözümü Yüksek Gerilim ve Yüksek Akım Uygulamaları için

I. Araştırma Arka Planı ve Temel Sorunlar

1.1 Araştırma Arka Planı
Güç sistemlerinin ölçeğinin sürekli genişlemesi ve kısa devre kapasitesinin artması, arızalı akım sınırlama koruma ekipmanlarına daha yüksek gereksinimler getirmektedir. Mevcut ana akım çözümleri süperiletken arızalı akım sınırlayıcılar (SFCL), hibrit akım sınırlama anahtarlardır ve hibrit akım sınırlama kavramlarıdır. Bunlar arasında, hibrit akım sınırlama kavramları, yüksek teknolojik olgunlukları, maliyet etkinliği ve geniş uygulamaları nedeniyle piyasa tercih edilen seçeneği haline gelmiştir.

Bununla birlikte, mevcut teknolojilerde iki büyük sınırlama bulunmaktadır:
• Elektronik Kontrollü Tip: Hassas elektronik bileşenlere ve dış kontrol güç kaynağına bağlı olduğundan, bileşen başarısızlığı veya kontrol gücü kaybı nedeniyle hata yapma veya başarısızlık riski taşır. Güvenilirliği dış koşullar tarafından kısıtlanır.
• Ark Başlatılan Tip: Basit yapı, güçlü anti-parazit kapasite, kompakt boyut ve düşük maliyet gibi avantajlara sahip olsa da, onun nominal akımı (genellikle ≤600A) ve kesme kapasitesi (genellikle ≤25kA) oldukça düşüktür, bu nedenle yüksek gerilimli ve yüksek akımlı endüstriyel uygulamaların (örneğin, büyük çaplı metalurji, kimya tesisleri, veri merkezleri) acil ihtiyaçlarını karşılamakta zorluk çeker.

1.2 Temel Çelişki
Ark başlatılan kavramların performansını artırmada temel bir çelişkiye rastlanmaktadır: hızlı işlem ile taşıma kapasitesi arasındaki denge. Hızlı işlemi gerçekleştirmek (düşük ön ark I²t değeri) için küçük bir kesme cross-sectional alan gerekir. Tersine, nominal akım taşıma kapasitesini artırmak, daha büyük bir kesme cross-sectional alanı gerektirir. Cross-sectional alanın büyüklüğü, ön ark I²t değerini artırır, bu da kısa devre sırasında gecikmeli işlemeye neden olur. Bu gecikme, gerçek kısa devre akımının yükselmeye izin verir, sonunda kesme başarısızlığına yol açar.

II. Çözüm: Ana Teknolojik İlerlemeler ve Yaratıcı Tasarım

2.1 Çalışma Prensibi
Bu çözüm, ark tetikleyiciyi temel algılama ve tetikleme birimi olarak kullanmaktadır. Yapısal olarak, iki bakır plaka, içten gümüş kavrama elemanı (özellikle tasarlanmış daralmalarla), doldurma malzemesi ve bir kaplama içerir. Kesme süreci şu şekildedir:

1. Arkalama: Kısa devre akımı oluştuğunda, kavrama elemanı daralması hızla erir ve ark oluşturur, ilk ark voltajı üretir.
2. Tetikleme: Bu ark voltajı, paralel bağlantılı patlayıcı kesiciyi (elektrikli detonatörü) hızla ateşler.
3. Akım Komütasyonu: Kesici patlar, yüksek dirençli bir yolu oluşturarak, kısa devre akımını paralel ark söndürücü kavrama şubesine yönlendirir.
4. Kesme: Ark söndürücü kavrama elemanı ark oluşturur, akımı sıfıra zorlayan çok yüksek bir ark voltajı üretir, hızlı akım sınırlama kesmesi sağlar.

2.2 Temel Yenilik: Yüksek Daralma Akım Yoğunluğu Tasarımı
Tetikleme akım değeri (I₁), kesme başarısını belirleyen kilit bir parametre olup, 8-15kA optimal aralıkta kalması gerekmektedir. Ark başlatılan tasarımlarda, nominal akım tetikleme akımı ile güçlü bir şekilde ilişkilidir.

Bu çözümün temel ilerlemesi, daralma akım yoğunluğunu önemli ölçüde artırmaktadır. Teorik türevle:
• Tetikleme akım değeri I₁ ∝ (ön ark I²t * di/dt)^(1/3)
• Ön ark I²t değeri ∝ (daralma cross-sectional alanı (S))²

Sonuç: Aynı nominal akım ve kısa devre koşullarında, daha yüksek bir daralma akım yoğunluğu, daha küçük bir daralma cross-sectional alanı (S) gerektirir, bu da ön ark I²t değerini azaltır. Bu, aşırı yüksek kısa devre akımlar altında bile hızlı işlemeyi sağlar, güvenilir kesmeyi mümkün kılar. Bu çözümün tasarım hedefi, bu metriği mevcut ürün seviyesinden ~1000 A/mm² 'den 3000 A/mm² 'ye yükseltmektir.

2.3 Yapısal Optimizasyon ve Simülasyon Doğrulaması
• Simülasyon Aracı: ANSYS 11.0 yazılımı, APDL diline dayalı parametrik modelleme için kullanıldı, bu da kavrama elemanı direncinin hassas hesaplanmasına ve ön ark sürecinin simüle edilmesine olanak tanır.
• Kavrama Elemanı Yapı Seçimi: Geleneksel daire şeklindeki delik tasarımı, daha büyük bir dikdörtgen delik yapısı lehine bırakıldı. Bu yapı, daralma olmayan bölgelerde taşıma payını maksimize ederek, aynı hacim içinde daha düşük direnç ve daha yüksek taşıma kapasitesi sağlar, taşıma kapasitesi ve hız arasındaki çelişkiyi mükemmel bir şekilde çözer.
• Parametre Optimizasyonu: Daralma genişliği (b), delik genişliği (c), aralık (d) ve kalınlık (h) gibi kilit parametreler, çok boyutlu simülasyonlar aracılığıyla optimize edildi. Direnç en aza indirilirken, üretim uygunluğu (örneğin, elemanın kırılması veya deformasyonu önlenir) sağlanmıştır.

Optimizasyon Sonucu: Nihai tasarım, 15.2 μΩ direnç ve 0.6 mm² daralma cross-sectional alanına sahip, 40 kA kesme kapasitesi için gereksinimleri mükemmel bir şekilde karşılamıştır.

III. Performans Doğrulaması ve Test Sonuçları

3.1 Sıcaklık Artışı Testi
• Test Koşulları: 2000 A AC akımı uygulanarak istikrarlı sürekli operasyon.
• Test Sonuçları:
o Ölçülen soğuk direnç 15.0 μΩ idi, simülasyon değeriyle (15.2 μΩ) yüksek tutarlılık gösterdi, modelin doğruluğunu doğruladı.
o Ana noktalardaki sıcaklık artışları standartlara uydu (daralma noktasında 85 K, uç noktalarda yaklaşık 47 K).
o Taşıma kapasitesi 2000 A nominal akımını doğruladı. Hesaplanan daralma akım yoğunluğu 3300 A/mm² 'ye ulaştı, benzer yerli ve uluslararası ürünlerden çok daha yüksekti.

3.2 Kısa Devre Tetikleme Testi
• Test Koşulları: 40 kA potansiyel simetrik kısa devre akımı oluşturmak için bir simüle edilmiş devre kuruldu.
• Test Sonuçları:
o Ölçülen tetikleme akım değeri 15.1 kA idi, simüle edilen tahmin değeriyle (15 kA) yüksek tutarlılık gösterdi ve 8-15 kA optimal aralıkta yer aldı.
o Üretilen ark voltajı 50 V'ye ulaştı, mikrosaniyeler içinde elektrikli detonatörü güvenilir bir şekilde ateşlemek için yeterliydi, hızlı ve güvenilir işlemeyi gösterdi.

IV. Sonuç ve Avantajlar

Bu çözüm, yüksek performanslı ark başlatılan kavramı başarılı bir şekilde geliştirdi. Temel sonuçlar ve avantajlar şunlardır:

1. Temel İlerleme: Yaratıcı dikdörtgen delik kavrama elemanı tasarımı ve parametre optimizasyonu aracılığıyla, ark başlatılan tasarımlardaki taşıma kapasitesi ve çalışma hızı arasındaki doğal çelişki çözüldü. Daralma akım yoğunluğu, endüstride lider seviyede 3300 A/mm² 'ye yükseltildi.
2. Yüksek Performans Göstergeleri: Ürün, 10 kV gerilim seviyesi için uygundur, 2000 A nominal akım ve 40 kA kesme kapasitesi elde edilmiştir, yüksek gerilimli ve yüksek akımlı endüstriyel uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamaktadır.
3. Yüksek Güvenilirlik: Tamamen mekanik ark başlatma mekanizması pasifdir ve herhangi bir kontrol gerektirmez, elektronik bileşenlere ve dış güç kaynaklarına bağımlılığı ortadan kaldırır. Güçlü anti-parazit kapasite ve güvenilir işlem sunar.
4. Doğrulanabilir Teknoloji: ANSYS tabanlı simülasyon modeli, ölçüm sonuçlarıyla yüksek tutarlılık gösterdi, ürün tasarım ve optimizasyonu için etkili ve güvenilir bir araç ve metodoloji sağladı.