Giải pháp cầu chì kích cung điện áp cao và dòng điện lớn tiên tiến
I. Nền tảng nghiên cứu và vấn đề cốt lõi
1.1 Nền tảng nghiên cứu
Với sự mở rộng liên tục của quy mô hệ thống điện và dung lượng ngắn mạch ngày càng tăng, yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hạn chế dòng điện lỗi ngày càng cao. Các giải pháp chính hiện nay bao gồm bộ hạn chế dòng điện siêu dẫn (SFCL), cầu chì ngắt dòng lai và cầu chì ngắt dòng lai. Trong số đó, cầu chì ngắt dòng lai đã trở thành lựa chọn thị trường ưa chuộng do mức độ chín muồi công nghệ cao, hiệu quả kinh tế và ứng dụng rộng rãi.
Tuy nhiên, các công nghệ hiện tại có hai hạn chế chính:
• Loại được điều khiển điện tử: Phụ thuộc vào các thành phần điện tử nhạy cảm và nguồn điện điều khiển bên ngoài, khiến nó dễ bị hỏng hoặc thất bại do hỏng hóc thành phần hoặc mất nguồn điện điều khiển. Độ tin cậy của nó bị hạn chế bởi các điều kiện bên ngoài.
• Loại được kích hoạt bằng hồ quang: Mặc dù có ưu điểm như cấu trúc đơn giản, khả năng chống nhiễu mạnh, kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, nhưng dòng định mức (thường ≤600A) và khả năng cắt (thường ≤25kA) tương đối thấp, làm cho nó khó đáp ứng nhu cầu cấp bách của các ứng dụng công nghiệp cao áp và dòng điện lớn (ví dụ: luyện kim quy mô lớn, nhà máy hóa chất, trung tâm dữ liệu).
1.2 Mâu thuẫn cốt lõi
Việc nâng cao hiệu suất của cầu chì kích hoạt bằng hồ quang gặp phải một mâu thuẫn cơ bản: sự cân nhắc giữa vận hành nhanh chóng và khả năng chịu dòng điện. Để đạt được vận hành nhanh chóng (giá trị I²t trước hồ quang thấp), cần diện tích mặt cắt ngang của đoạn co nhỏ. Ngược lại, việc tăng cường khả năng chịu dòng điện định mức đòi hỏi diện tích mặt cắt ngang lớn hơn. Việc mở rộng diện tích mặt cắt ngang làm tăng giá trị I²t trước hồ quang, gây ra sự chậm trễ trong quá trình ngắn mạch. Sự chậm trễ này cho phép dòng ngắn mạch thực tế tăng lên, cuối cùng dẫn đến sự cố cắt.
II. Giải pháp: Những đột phá công nghệ cốt lõi và thiết kế sáng tạo
2.1 Nguyên lý hoạt động
Giải pháp này sử dụng bộ kích hoạt hồ quang làm đơn vị cảm biến và kích hoạt cốt lõi. Cấu trúc của nó chủ yếu bao gồm hai tấm đồng, phần tử cầu chì bạc nội bộ (với các đoạn co được thiết kế đặc biệt), vật liệu điền và vỏ bọc. Quá trình cắt diễn ra như sau:
- Tạo hồ quang: Khi dòng ngắn mạch xảy ra, đoạn co của phần tử cầu chì nhanh chóng tan chảy và tạo ra hồ quang, tạo ra điện áp hồ quang ban đầu.
- Kích hoạt: Điện áp hồ quang này nhanh chóng kích hoạt bộ ngắt dòng nổ song song (điện khởi nổ).
- Đổi hướng dòng điện: Bộ ngắt dòng nổ, tạo ra đường dẫn điện trở cao, buộc dòng ngắn mạch chuyển sang nhánh cầu chì dập hồ quang song song.
- Cắt: Cầu chì dập hồ quang tạo ra hồ quang, tạo ra điện áp hồ quang cực cao, ép dòng điện về không, đạt được sự ngắt dòng hạn chế nhanh chóng.
2.2 Sáng tạo cốt lõi: Thiết kế mật độ dòng điện co cao
Giá trị dòng điện kích hoạt (I₁) là tham số quyết định thành công của việc cắt, cần phải nằm trong phạm vi tối ưu từ 8-15kA. Đối với thiết kế kích hoạt bằng hồ quang, dòng định mức có mối tương quan mạnh với dòng điện kích hoạt.
Sự đột phá cốt lõi của giải pháp này nằm ở việc tăng đáng kể mật độ dòng điện co. Thông qua suy luận lý thuyết:
• Giá trị dòng điện kích hoạt I₁ ∝ (I²t trước hồ quang * di/dt)^(1/3)
• Giá trị I²t trước hồ quang ∝ (diện tích mặt cắt ngang (S))²
Kết luận: Trong cùng điều kiện dòng định mức và ngắn mạch, mật độ dòng điện co cao hơn đòi hỏi diện tích mặt cắt ngang (S) nhỏ hơn, do đó giảm giá trị I²t trước hồ quang. Điều này đảm bảo vận hành nhanh chóng ngay cả dưới dòng ngắn mạch cực kỳ cao, cho phép cắt đáng tin cậy. Mục tiêu thiết kế của giải pháp này là nâng chỉ số này từ mức sản phẩm hiện tại khoảng ~1000 A/mm² lên trên 3000 A/mm².
2.3 Tối ưu hóa cấu trúc và xác minh mô phỏng
• Công cụ mô phỏng: Phần mềm ANSYS 11.0 được sử dụng để mô hình hóa theo tham số dựa trên ngôn ngữ APDL, cho phép tính toán chính xác điện trở của phần tử cầu chì và mô phỏng quá trình trước hồ quang.
• Lựa chọn cấu trúc phần tử cầu chì: Thiết kế lỗ tròn truyền thống được bỏ qua, thay vào đó là cấu trúc lỗ chữ nhật. Cấu trúc này tối đa hóa phần chia sẻ dòng điện trong các vùng không co, đạt được điện trở thấp hơn và khả năng chịu dòng điện cao hơn trong cùng thể tích, giải quyết hoàn hảo mâu thuẫn giữa khả năng chịu dòng điện và tốc độ.
• Tối ưu hóa tham số: Các tham số quan trọng như chiều rộng co (b), chiều rộng lỗ (c), khoảng cách (d) và độ dày (h) được tối ưu hóa thông qua mô phỏng đa chiều. Giải pháp tối ưu cho điện trở tối thiểu được tìm kiếm trong khi đảm bảo khả năng sản xuất (ví dụ: tránh sự hỏng hóc hoặc biến dạng của phần tử).
Kết quả tối ưu: Thiết kế cuối cùng đạt được điện trở phần tử cầu chì là 15.2 μΩ và diện tích mặt cắt ngang co là 0.6 mm², hoàn toàn đáp ứng yêu cầu cho khả năng cắt 40 kA.
III. Xác minh hiệu suất và kết quả thử nghiệm
3.1 Thử nghiệm tăng nhiệt độ
• Điều kiện thử nghiệm: Áp dụng dòng điện xoay chiều 2000 A cho hoạt động ổn định liên tục.
• Kết quả thử nghiệm:
o Điện trở lạnh đo được là 15.0 μΩ, rất nhất quán với giá trị mô phỏng (15.2 μΩ), xác nhận độ chính xác của mô hình.
o Nhiệt độ tăng ở các phần quan trọng đạt tiêu chuẩn (85 K ở đoạn co, khoảng 47 K ở đầu nối).
o Khả năng chịu dòng điện xác nhận dòng định mức 2000 A. Mật độ dòng điện co tính toán đạt 3300 A/mm², vượt xa các sản phẩm tương tự trong và ngoài nước.
3.2 Thử nghiệm kích hoạt ngắn mạch
• Điều kiện thử nghiệm: Một mạch giả lập được thiết lập để tạo ra dòng ngắn mạch đối xứng tiềm năng 40 kA.
• Kết quả thử nghiệm:
o Giá trị dòng điện kích hoạt đo được là 15.1 kA, rất nhất quán với giá trị dự đoán mô phỏng (15 kA) và nằm trong phạm vi tối ưu từ 8-15 kA.
o Điện áp hồ quang tạo ra đạt 50 V, đủ để đáng tin cậy kích hoạt điện khởi nổ trong vài micro giây, chứng tỏ sự vận hành nhanh chóng và đáng tin cậy.
IV. Kết luận và ưu điểm
Giải pháp này đã thành công phát triển một cầu chì kích hoạt bằng hồ quang hiệu suất cao. Các kết luận và ưu điểm cốt lõi là như sau:
- Đột phá cơ bản: Qua thiết kế phần tử cầu chì lỗ chữ nhật sáng tạo và tối ưu hóa tham số, mâu thuẫn内在的矛盾已经被解决：通过创新的矩形孔熔丝元件设计和参数优化，解决了电弧触发器在承载能力和运行速度之间的固有矛盾。瓶颈电流密度提升到行业领先的3300 A/mm²。 2. **高性能指标**：该产品适用于10 kV电压等级，达到2000 A的额定电流和40 kA的分断能力，满足高压大电流工业应用的需求。 3. **高可靠性**：纯机械式的电弧触发机制是被动的，不需要控制，消除了对电子元件和外部电源的依赖。它具有强大的抗干扰能力和可靠的操作。 4. **可验证的技术**：基于ANSYS的仿真模型与测量结果高度一致，为产品设计和优化提供了高效可靠的工具和方法。 请确认以上内容是否符合您的要求，或者需要进一步调整。
