DC 1500 V 2-poliger MCCB-Lichtbogenschachtentwurf und MHD-Simulation | Technischer Leitfaden

 

DC-1500-V-Photovoltaik- (PV) und Energiespeichersystemanwendungen stellen höhere Anforderungen an DC-Leistungsschalter. Viele 1500-V-Gleichstrom-Leistungsschalter mit geformtem Gehäuse (MCCB) verwenden traditionell ein Vierpol-Reihenschema, das über mehrere Pole hinweg eine geräumige Lichtbogenlöschkammer bietet, aber das Gesamtvolumen und die Ausrüstungskosten erhöht.

Interner Aufbau und Lichtbogenlöschprinzip des DC-Leistungsschalters

Abbildung 3 Aufbau der Lichtbogenkammerstrukturen: (a) Neuartige zweipolige Gleichstrom-MCCB-Lichtbogenkammer; (b) Herkömmlicher MCCB-Lichtbogenschacht

In diesem Artikel von Xiamen Hongfa wird untersucht, wie mit einem kompakten zweipoligen DC-Leistungsschalter (zweipoliger DC-MCCB) ein DC-Ausschaltvermögen von 1500 V erreicht wird.

Obwohl das zweipolige DC-Leistungsschaltersystem kompakt ist, muss jeder Pol einer höheren Spannung standhalten. Daher muss der Lichtbogen innerhalb kürzester Zeit die Kontakte verlassen, in die Lichtbogenkammer-Verteilerplatten eintreten und dort schnell abkühlen und aufspalten. Bei Prüfungen des Kurzschluss-Ausschaltvermögens unter DC 1500 V / 15 kA mit einer Zeitkonstante von 10 ms ist die Frage, ob die Lichtbogenspannung möglichst schnell ansteigen kann, der entscheidende Faktor für die Strombegrenzungs- und Ausschaltleistung.

Abbildung 6 Vergleich der Strombegrenzungs- und Ausschaltleistung von zweipoligen Gleichstrom-Leistungsschaltern

Der Artikel vergleicht die Spannungs- und Stromwellenformen zweier Prototypen während der Kurzschlussunterbrechungsprüfung:

·  Prototyp 1: Die Lichtbogenspannung steigt zu einem früheren Zeitpunkt auf etwa 350 V, wodurch der Spitzenstrom auf etwa 8,6 kA begrenzt wird.

·  Prototyp 2: Der Anstieg der Lichtbogenspannung ist leicht verzögert, was zu einem höheren Spitzenstrom von ca. 9,4 kA führt.

Dies zeigt, dass die Lichtbogenspannung umso früher ansteigt, je früher der Lichtbogen in die Lichtbogenkammer-Verteilerplatten eintritt, wodurch der Kurzschlussstrom früher begrenzt werden kann.

1. Original-Splitterplattenstruktur

Originale Lichtbogenschachtstruktur mit konvexer Splitterplattenanordnung

Der Artikel analysiert zunächst die ursprüngliche Struktur der Lichtbogenkammer. Das ursprüngliche Design verwendet eine konvexe Anordnung der Splitterplatten, wobei die zentralen Splitterplatten länger sind und näher an der Kontaktfläche liegen.

·  Platten, die näher an den Kontakten liegen, können den Lichtbogen früher anziehen.

·  Ein früherer Kontakt zwischen Platten und Lichtbogen ermöglicht eine schnellere Abkühlung und Spaltung des Lichtbogens.

·  Ein früherer Anstieg der Lichtbogenspannung sollte theoretisch zu einer besseren Strombegrenzungsleistung führen.

Abbildung 7 Temperaturverteilung in der ursprünglichen Splitterplattenstruktur

Abbildung 7 zeigt die Temperaturverteilung unter der ursprünglichen Splitterplattenstruktur. Obwohl sich der Lichtbogen im Anfangsstadium auf die Splitterplatten zubewegt, gelingt es ihm nach Erreichen dieser nicht mehr, reibungslos in die Zwischenräume zwischen den Platten einzudringen. Stattdessen stagniert es in der Nähe des Eintrittsbereichs, breitet sich seitlich nach beiden Seiten aus und führt schließlich zu Wiederzündungen in der Nähe der Kontakte.

Abbildung 8 Druckverteilung in der ursprünglichen Splitterplattenstruktur

Abbildung 8 zeigt die entsprechende Druckverteilung:

Da die zentralen langen Verteilerplatten zu nah an den Kontakten positioniert sind, entsteht zwischen dem Schachteingang und den beweglichen/festen Kontakten eine relativ geschlossene dreieckige Zone. Beim Brennen des Lichtbogens dehnt sich Hochtemperaturgas aus und in dieser Zone baut sich ein Druck auf, der am Eingang 5 atm übersteigt.

Fazit: Der Eingang der Lichtbogenkammer wird durch Hochdruckgas verstopft, wodurch der Lichtbogen nicht mehr eindringen kann.

2. Versetzte Splitterplattenstruktur

Um dieses Problem zu lösen, schlägt das Papier eine versetzte Splitterplattenstruktur vor:

·  Kürzen Sie bestimmte Trennplatten, um den Pufferraum zwischen den Kontakten und dem Schachteingang zu vergrößern.

·  Übergang der zentralen Platten von gleicher Länge zu einer versetzten Anordnung, wodurch die Dichte der Splitterplatten am Eingang verringert wird.

Abbildung 9 Temperaturverteilung in der neuen Splitterplattenstruktur

Abbildung 9 zeigt die Temperaturverteilung unter der versetzten Struktur. Im Vergleich zur Originalkonstruktion gelangt der Lichtbogen viel sanfter in die Splitterplatten und wird von den Platten nach und nach geschnitten.

 

Abbildung 10 Druckverteilung in der neuen Splitterplattenstruktur

Abbildung 10 zeigt die Druckverteilung unter der neuen Struktur. Es ist erkennbar, dass sich am Schurreneingang keine Hochdruck-Sperrzone mehr bildet. Druckwellen breiten sich ungehindert zur Rückseite der Platten aus, wodurch der Eingang in einem niedrigeren Druckzustand gehalten wird und der Lichtbogen leichter eindringen kann.

Abbildung 11 Vergleich der simulierten zweipoligen Lichtbogenspannung

Abbildung 11 zeigt den simulierten Lichtbogenspannungsvergleich. Bei der gestaffelten Struktur steigt die Lichtbogenspannung gleichmäßiger an und erreicht einen höheren Spitzenwert.

Abbildung 12 Experimenteller Lichtbogenspannungsvergleich

Abbildung 12 zeigt den experimentellen Lichtbogenspannungsvergleich. Der experimentelle Trend stimmt eng mit den Simulationsergebnissen überein und bestätigt, dass versetzte Splitterplatten den Lichtbogeneintritt in die Rutsche effektiv optimieren.

Abbildung 13 Vergleich der von einer Hochgeschwindigkeitskamera erfassten Bogenbewegung

Abbildung 13 zeigt Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen. In der ursprünglichen Struktur gelangt der Lichtbogen nicht reibungslos in den Lichtbogenkanal, was zu einem Rückschlagausfall führt. Bei der gestaffelten Struktur gelangt der Lichtbogen erfolgreich in die Rutsche und wird durch Plattenschneiden gelöscht.

Das Wichtigste zum Mitnehmen: Längere Verteilerplatten und eine größere Nähe zu den Kontakten sind nicht unbedingt besser. Ohne Druckentlastungsraum am Eingang wird der Lichtbogen außen blockiert.

3. Struktur des Strömungsleitkegels: Verhindert Turbulenzen am Boden

Versetzte Verteilerplatten sind zwar effektiv, erhöhen jedoch die Montagekomplexität und eignen sich möglicherweise nicht für eine vollautomatische Produktion.

Daher schlägt das Papier ein weiteres Optimierungsschema vor: das Hinzufügen eines Strömungsleitkegels am Boden der Lichtbogenkammer.

Bei zweipoligen DC-MCCBs ist die Lichtbogenkammer entlang der Längsrichtung angeordnet. Nach dem Eintritt in die Rutsche müssen der Lichtbogen und der Heißgasstrom am Boden umgelenkt werden, bevor sie zu den beidseitigen Auslassöffnungen austreten.

Mit anderen Worten: Der Gasstrom strömt nicht direkt hindurch, sondern muss um eine Kurve biegen, wo es am wahrscheinlichsten zu einem Druckaufbau kommt.

Abbildung 14 Temperaturverteilung im Lichtbogenschacht mit Strömungsleitkegel

Abbildung 14 zeigt die Temperaturverteilung nach Einbau des Strömungsleitkegels. Die gesamte Lichtbogenbewegung wird gleichmäßiger, was einen ordnungsgemäßen Eintritt und Schnitt durch die Splitterplatten ermöglicht.

Abbildung 15 Druckverteilung im Lichtbogenschacht mit Strömungsleitkegel

Abbildung 15 zeigt die Druckverteilung mit dem Strömungsleitkegel. Der Kegel leitet den Gasstrom von den Plattenauslässen zu beiden Seiten, wodurch ein starker Druckaufbau am Schachtboden vermieden und eine gleichmäßigere Druckverteilung erreicht wird.

Dadurch wird verhindert, dass sich heißes Gas am Boden staut oder wiederholt seine Richtung ändert, und es wird gleichmäßig an beiden Seiten nach außen geleitet.

4. Vergleich der Strömungsgeschwindigkeiten vor und nach dem Strömungsleitkegel

Abbildung 16 Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit am Boden der Lichtbogenrutsche vor und nach dem Strömungsleitkegel

Abbildung 16 vergleicht die Gasgeschwindigkeit am Boden der Lichtbogenkammer vor und nach dem Hinzufügen des Strömungsleitkegels.

·  Ohne Strömungsleitkegel: Die Gasgeschwindigkeit steigt schnell an, sinkt und kehrt sich dann um, was auf eine wiederholte Strömungsumkehr am Boden hinweist. Die Strömungsumkehr führt zu einem lokalen Druckaufbau und behindert die Lichtbogenbewegung.

·  Mit Strömungsleitkegel: Obwohl die Anfangsgeschwindigkeit langsamer ansteigt, bleibt die Strömungsrichtung deutlich stabiler. Sobald eine hohe Geschwindigkeit erreicht ist, bleibt die unidirektionale Strömung über einen längeren Zeitraum erhalten.

Abbildung 17 Vergleich der simulierten Lichtbogenspannung vor und nach dem Strömungsleitkegel

Abbildung 17 vergleicht die simulierte Lichtbogenspannung. Ohne den Kegel steigt die Lichtbogenspannung zunächst schnell an, fällt jedoch später aufgrund des abnormalen Lichtbogenverhaltens stark ab. Mit dem Kegel steigt die Spannung in den Anfangsstadien moderat an, steigt dann aber stetig an, was die endgültige Löschung des Lichtbogens begünstigt.

Abbildung 18 Vergleich der experimentellen Lichtbogenspannung vor und nach dem Strömungsleitkegel

Abbildung 18 vergleicht die experimentelle Lichtbogenspannung. In Übereinstimmung mit der Simulation führt das Hinzufügen des Strömungsleitkegels zu einem stärkeren Spannungsanstieg in späteren Phasen, was eine kontinuierliche Verlängerung, Abkühlung und Unterbrechung des Lichtbogens zeigt.

Abbildung 19 Vergleich der von einer Hochgeschwindigkeitskamera erfassten Bogenbewegung vor und nach dem Strömungsleitkegel

Abbildung 19 zeigt Beobachtungen mit Hochgeschwindigkeitskameras. Ohne den Strömungsleitkegel konzentrieren sich Lichtbogen und heißes Gas lokal und können nicht durch die Rutsche diffundieren, wobei sie manchmal die Richtung umkehren und in der Nähe der rotierenden Welle ausblasen. Mit dem Kegel ist die thermische Gasverteilung weitaus gleichmäßiger, was ein sofortiges Eintreten und Erlöschen des Lichtbogens ermöglicht.

Kernprinzip: Umwandlung einer turbulenten Strömung in eine gerichtete Strömung, Umwandlung eines lokalen Druckaufbaus in eine gleichmäßige Abgasströmung.

5. Fazit

·  Die Lichtbogenlöschkapazität zweipoliger DC-MCCBs mit 1500 V Gleichstrom hängt stark davon ab, ob der Lichtbogen in frühen Stadien reibungslos in die Lichtbogenkammer-Verteilerplatten eindringen kann.

·  Die ursprüngliche Anordnung der konvexen Splitterplatten bringt die Platten näher an die Kontakte, führt jedoch zu einem starken Druckaufbau am Eingang, der den Lichtbogeneintritt blockiert.

·  Versetzte Splitterplatten reduzieren die Dichte der Eintrittsplatten und bieten so einen entscheidenden Druckentlastungsraum, der den Lichtbogeneintritt und das Schneiden erleichtert.

·  Der Strömungsleitkegel leitet den Gasstrom am Boden des Lichtbogenkanals um und reduziert so den Druckaufbau und die Strömungsumkehr, um eine stabile Lichtbogenbewegung zu gewährleisten.

Referenzen

CHEN Mo, LU Ningyi, ZHAI Guofu. Optimales Design von Gasdurchgängen für zweipolige DC-1500-V-Leistungsschalter mit geformtem Gehäuse basierend auf einer Lichtbogen-Magnetohydrodynamik-Simulation [J]. Transaktionen der China Electrotechnical Society.