Покращена рішення з використанням діоду-запалювача для високонапругових та високоствердних застосувань
I. Дослідницький тлумачний матеріал та ключові питання
1.1 Дослідницький тлумачний матеріал
З постійним розширенням масштабу електроенергетичних систем і зростанням ємності короткого замикання, високі вимоги ставляться до обладнання захисту від обмеження струму при аваріях. Існуючі головні рішення включають надпровідні обмежувачі струму (SFCL), гібридні обмежувачі струму-вимикачі та гібридні обмежувачі струму-плавкі стрижні. Серед них, гібридні обмежувачі струму-плавкі стрижні стали вибором ринку через свою високу технологічну зрілість, економічність та широке застосування.
Однак, існуючі технології мають дві основні обмеження:
• Електронно управлювані типи: Залежать від чутливих електронних компонентів та зовнішнього джерела живлення, що робить їх скільких до відмов або помилок через відмову компонентів або втрату контролю. Їх надійність обмежена зовнішніми умовами.
• Типи, запущені дугою: Незважаючи на переваги, такі як проста конструкція, сильна стійкість до перешкод, компактні розміри та низька вартість, їхня номінальна струма (зазвичай ≤600А) та спроможність відключення (зазвичай ≤25кА) є відносно низькими, що робить важким задоволення насущних потреб високої напруги та великої струми в промислових застосуваннях (наприклад, великі металургійні заводи, хімічні заводи, центри обробки даних).
1.2 Основне протиріччя
Покращення характеристики плавких стрижнів, запущених дугою, стикається з фундаментальним протиріччям: баланс між швидкістю роботи та струмопровідністю. Для досягнення швидкої роботи (низьке значення I²t перед дугою) потрібна мала площа перетину звуження плавкого стрижня. Навпаки, збільшення номінальної струмопровідності вимагає більшої площі перетину звуження. Збільшення площі перетину збільшує значення I²t перед дугою, що призводить до затримки роботи при короткому замиканні. Ця затримка дозволяє фактичному струму короткого замикання зростати, що в кінцевому підсумку призводить до відмови відключення.
II. Рішення: Ключові технологічні прориви та інноваційні дизайн
2.1 Принцип роботи
Це рішення використовує тригер дуги як основний сенсорний та тригерний блок. Його конструкція включає дві мідні плити, внутрішній срібний плавкий стрижень (з спеціально спроектованими звуженнями), наповнювальний матеріал та корпус. Процес відключення включає наступні етапи:
- Дуга: Коли відбувається струм короткого замикання, звуження плавкого стрижня швидко топиться та створює дугу, що генерує початкове напругу дуги.
- Тригер: Ця напруга дуги швидко запалює паралельно підключений експлозивний вимикач (електродетонатор).
- Перемикання струму: Вимикач вибухає, формуючи шлях з високою опором, що примушує струм короткого замикання перемикатися на паралельну гілку вимикача для гасіння дуги.
- Відключення: Плавкий стрижень для гасіння дуги створює дугу, що генерує дуже високу напругу дуги, що примушує струм до нуля, досягаючи швидкого обмеження струму та відключення.
2.2 Основна інновація: Дизайн з високою густотою струму в звуженні
Значення тригерного струму (I₁) є ключовим параметром, що визначає успішність відключення, і повинно залишатися в оптимальному діапазоні 8-15кА. Для дизайну, запущеного дугою, номінальна струма сильно корелює з тригерним струмом.
Основний прорив цього рішення полягає у значному збільшенні густини струму в звуженні. Через теоретичне виведення:
• Значення тригерного струму I₁ ∝ (I²t перед дугою * di/dt)^(1/3)
• Значення I²t перед дугою ∝ (площа перетину звуження (S))²
Висновок: При однаковій номінальній струмі та умовах короткого замикання, більша густина струму в звуженні вимагає меншу площу перетину звуження (S), що зменшує значення I²t перед дугою. Це забезпечує швидку роботу навіть при надзвичайно високих струмах короткого замикання, забезпечуючи надійне відключення. Мета цього рішення полягає в підвищенні цього показника з поточного рівня продукту ~1000 А/мм² до понад 3000 А/мм².
2.3 Оптимізація конструкції та верифікація моделюванням
• Інструмент моделювання: Використовувався софт ANSYS 11.0 для параметричного моделювання на основі мови APDL, що дозволяло точно розраховувати опір плавкого стрижня та моделювати процес перед дугою.
• Вибір конструкції плавкого стрижня: Була залишена традиційна конструкція круглих отворів на користь конструкції прямокутних отворів. Ця конструкція максимізує частку струму в невузьких областях, досягаючи нижчого опору та вищої струмопровідності в тому ж об'ємі, ідеально вирішуючи протиріччя між струмопровідністю та швидкістю.
• Оптимізація параметрів: Ключові параметри, такі як ширина звуження (b), ширина отвору (c), відстань (d) та товщина (h), були оптимізовані через багатовимірні моделювання. Шукалось оптимальне рішення для мінімізації опору, забезпечуючи можливість виготовлення (наприклад, уникнення поламання або деформації елементів).
Результат оптимізації: Фінальний дизайн досяг опору плавкого стрижня 15.2 мкОм та площі перетину звуження 0.6 мм², ідеально відповідаючи вимогам до спроможності відключення 40 кА.
III. Верифікація характеристик та результати тестування
3.1 Тест нагріву
• Умови тестування: Застосований струм 2000 А постійного струму для стабільної безперервної роботи.
• Результати тестування:
o Виміряний холодний опір становив 15.0 мкОм, що високо збігається з моделюваним значенням (15.2 мкОм), що підтверджує точність моделі.
o Нагрівання ключових частин відповідало стандартам (85 К в звуженні, приблизно 47 К на кінцях).
o Струмопровідність підтвердила номінальний струм 2000 А. Розрахована густина струму в звуженні досягла 3300 А/мм², значно перевищуючи подібні домашні та закордонні продукти.
3.2 Тест тригерного короткого замикання
• Умови тестування: Було встановлено модельований контур для створення прогнозованого симетричного струму короткого замикання 40 кА.
• Результати тестування:
o Виміряне значення тригерного струму становило 15.1 кА, що високо збігалося з прогнозованим моделюваним значенням (15 кА) і знаходилося в оптимальному діапазоні 8-15 кА.
o Створена напруга дуги досягла 50 В, достатньо для надійного запалення електродетонатора в мікросекунди, що демонструвало його швидку та надійну роботу.
IV. Висновок та переваги
Це рішення успішно розробило високопродуктивний плавкий стрижень, запущений дугою. Основні висновки та переваги такі:
- Фундаментальний прорив: Через інноваційний дизайн плавкого стрижня з прямокутними отворами та оптимізацію параметрів, було вирішено внутрішнє протиріччя між струмопровідністю та швидкістю роботи в тригерних дугах. Густина струму в звуженні була підвищена до провідного рівня 3300 А/мм².
- Високі показники продуктивності: Продукт придатний для рівнів напруги 10 кВ, досягає номінального струму 2000 А та спроможності відключення 40 кА, задовольняючи потреби високої напруги та великої струми в промислових застосуваннях.
- Висока надійність: Чисто механічний тригер дуги є пасивним і не потребує контролю, що усуває залежність від електронних компонентів та зовнішніх джерел живлення. Він має сильну стійкість до перешкод та надійну роботу.
- Верифікаційна технологія: Модель моделювання на основі ANSYS показала високу збігність з виміряними результатами, надаючи ефективний та надійний інструмент та методологію для проектування та оптимізації продукту.
