2-biegunowy moduł MCCB prądu stałego 1500 V. Projekt komory łukowej i symulacja MHD | Przewodnik techniczny

 

Zastosowania w instalacjach fotowoltaicznych (PV) i magazynowaniu energii prądu stałego 1500 V stawiają wyższe wymagania wyłącznikom prądu stałego. Wiele wyłączników kompaktowych 1500 V prądu stałego (MCCB) tradycyjnie przyjmuje schemat czterobiegunowy, który zapewnia przestronną komorę gaszenia łuku na wielu biegunach, ale zwiększa całkowitą objętość i koszt sprzętu.

Budowa wewnętrzna i zasada gaszenia łuku wyłącznika prądu stałego

Rysunek 3 Układ konstrukcji komory łukowej: (a) Nowatorska dwubiegunowa komora łukowa prądu stałego MCCB; (b) Konwencjonalna komora łukowa MCCB

W artykule opublikowanym przez firmę Xiamen Hongfa zbadano osiąganie zdolności wyłączania przy napięciu 1500 V prądu stałego przy użyciu kompaktowego dwubiegunowego wyłącznika obwodu prądu stałego (dwubiegunowego wyłącznika prądu stałego MCCB).

Chociaż schemat dwubiegunowego wyłącznika prądu stałego jest zwarty, każdy biegun musi wytrzymywać wyższe napięcie. W związku z tym łuk elektryczny musi w niezwykle krótkim czasie opuścić styki, przedostać się do płytek rozdzielających komorę łukową i ulec szybkiemu ochłodzeniu oraz rozszczepieniu. W testach zdolności wyłączania zwarciowego pod napięciem stałym 1500 V / 15 kA i stałą czasową 10 ms, krytycznym czynnikiem decydującym o ograniczeniu prądu i zdolności wyłączania jest to, czy napięcie łuku może wzrosnąć tak szybko, jak to możliwe.

Rysunek 6 Porównanie wydajności ograniczania prądu i wyłączania dwubiegunowych wyłączników prądu stałego

W pracy porównano przebiegi napięcia i prądu dwóch prototypowych jednostek podczas testów zwarciowych:

·  Prototyp 1: Napięcie łuku wzrasta do około 350 V we wcześniejszym znaczniku czasu, ograniczając prąd szczytowy do około 8,6 kA.

·  Prototyp 2: Wzrost napięcia łuku jest nieco opóźniony, co skutkuje wyższym prądem szczytowym wynoszącym około 9,4 kA.

Pokazuje to, że im wcześniej łuk dociera do płytek rozdzielających komorę łukową, tym wcześniej napięcie łuku wzrasta, co pozwala na szybsze ograniczenie prądu zwarciowego.

1. Oryginalna konstrukcja płyty rozdzielającej

Oryginalna konstrukcja komory łukowej z układem wypukłych płyt rozdzielających

W artykule najpierw przeanalizowano pierwotną konstrukcję komory łukowej. W oryginalnej konstrukcji zastosowano wypukły układ płytek rozdzielających, przy czym środkowe płytki rozdzielające są dłuższe i znajdują się bliżej powierzchni styku.

·  Płytki bliżej styków mogą przyciągnąć łuk na wcześniejszym etapie.

·  Wcześniejszy kontakt płyt z łukiem umożliwia szybsze ochłodzenie i rozszczepienie łuku.

·  Wcześniejszy wzrost napięcia łuku powinien teoretycznie zapewnić lepszą wydajność ograniczania prądu.

Rysunek 7 Rozkład temperatur w oryginalnej strukturze płyty rozdzielającej

Rysunek 7 ilustruje rozkład temperatury pod pierwotną konstrukcją płyty rozdzielającej. Choć w początkowej fazie łuk przemieszcza się w stronę płytek rozdzielających, to po dotarciu do nich nie udaje się im płynnie wejść w szczeliny międzypłytowe. Zamiast tego zatrzymuje się w pobliżu obszaru wejściowego, rozprzestrzenia się bocznie na obie strony i ostatecznie powoduje ponowne uderzenie w pobliżu styków.

Rysunek 8 Rozkład ciśnienia w oryginalnej strukturze płyty rozdzielającej

Rysunek 8 przedstawia odpowiedni rozkład ciśnienia:

Ponieważ środkowe długie płyty rozdzielające są umieszczone zbyt blisko styków, pomiędzy wejściem rynny a ruchomymi/nieruchomymi stykami tworzy się stosunkowo zamknięta trójkątna strefa. W miarę spalania łuku gaz o wysokiej temperaturze rozszerza się i w tej strefie wzrasta ciśnienie, przekraczające 5 atm na wejściu.

Wniosek: Wejście komory łukowej zostaje zatkane gazem pod wysokim ciśnieniem, uniemożliwiając wejście łuku.

2. Naprzemienna konstrukcja płyty rozdzielającej

Aby rozwiązać ten problem, w artykule zaproponowano naprzemienną konstrukcję płyty rozdzielającej:

·  Skrócić niektóre płyty rozdzielające, aby zwiększyć przestrzeń buforową pomiędzy stykami i wejściem rynny.

·  Przejście płyt centralnych z układu o równej długości na układ schodkowy, zmniejszając w ten sposób gęstość płytek rozdzielających na wejściu.

Rysunek 9 Rozkład temperatur w nowej konstrukcji płyty rozdzielającej

Rysunek 9 przedstawia rozkład temperatury pod konstrukcją schodkową. W porównaniu z pierwotną konstrukcją łuk dociera do płytek rozdzielających znacznie płynniej i jest przez nie stopniowo wycinany.

 

Rysunek 10 Rozkład ciśnienia w nowej konstrukcji płyty rozdzielającej

Rysunek 10 przedstawia rozkład ciśnienia pod nową konstrukcją. Jest oczywiste, że na wejściu rynny nie tworzy się już wysokociśnieniowa strefa blokująca. Fale ciśnienia rozchodzą się swobodnie w kierunku tyłu płyt, utrzymując wejście w stanie niższego ciśnienia i ułatwiając wejście łuku.

Rysunek 11 Symulowane porównanie napięcia łuku dwubiegunowego

Rysunek 11 przedstawia porównanie symulowanego napięcia łuku. W przypadku konstrukcji naprzemiennej napięcie łuku narasta płynniej i osiąga wyższą wartość szczytową.

Rysunek 12. Eksperymentalne porównanie napięcia łuku

Rysunek 12 przedstawia eksperymentalne porównanie napięcia łuku. Tendencja eksperymentalna jest ściśle zgodna z wynikami symulacji, potwierdzając, że naprzemienne płyty rozdzielające skutecznie optymalizują wejście łuku do rynny.

Rysunek 13 Porównanie ruchu łuku zarejestrowanego przez szybką kamerę

Rysunek 13 przedstawia nagrania z szybkiej kamery. W oryginalnej konstrukcji łuk nie wchodzi płynnie do komory łukowej, co prowadzi do awarii w wyniku uderzenia wstecznego. W konstrukcji schodkowej łuk pomyślnie wchodzi do rynny i gaśnie poprzez cięcie blachy.

Kluczowy wniosek: dłuższe płytki rozdzielające i bliższa odległość od styków same w sobie nie są lepsze. Bez przestrzeni dekompresyjnej na wejściu łuk będzie blokowany na zewnątrz.

3. Struktura stożka kierującego przepływ: zapobieganie turbulencjom na dnie

Chociaż naprzemienne płyty rozdzielające są skuteczne, zwiększają złożoność montażu i mogą nie pasować do w pełni zautomatyzowanej produkcji.

Dlatego w artykule zaproponowano inny schemat optymalizacji: dodanie stożka kierującego przepływ na dnie komory łukowej.

W dwubiegunowych wyłącznikach prądu stałego komora łukowa jest umieszczona wzdłuż kierunku długości. Po wejściu do rynny, łuk i przepływ gorącego gazu muszą zostać przekierowane na dół, zanim zostaną skierowane w stronę obustronnych otworów wylotowych.

Innymi słowy, strumień gazu nie przepływa prosto – musi skręcić w zakręt, gdzie najprawdopodobniej nastąpi akumulacja ciśnienia.

Rysunek 14 Rozkład temperatury w komorze łukowej ze stożkiem kierującym przepływ

Rysunek 14 przedstawia rozkład temperatury po włączeniu stożka kierującego przepływ. Ogólny ruch łuku staje się płynniejszy, umożliwiając prawidłowe wejście i cięcie za pomocą płytek rozdzielających.

Rysunek 15 Rozkład ciśnienia w komorze łukowej ze stożkiem kierującym przepływ

Rysunek 15 przedstawia rozkład ciśnienia ze stożkiem kierującym przepływ. Stożek kieruje przepływ gazu z wylotów płyty w obie strony, eliminując znaczną akumulację ciśnienia na dnie rynny i uzyskując bardziej równomierny rozkład ciśnienia.

Zapobiega to gromadzeniu się gazu o wysokiej temperaturze lub wielokrotnej zmianie kierunku na dnie, kierując go równomiernie na zewnątrz po obu stronach.

4. Porównanie prędkości przepływu przed i po stożku kierującym przepływem

Rysunek 16 Porównanie prędkości przepływu na dnie komory łukowej przed i za stożkiem kierującym przepływ

Rysunek 16 porównuje prędkość gazu na dnie komory łukowej przed i po dodaniu stożka kierującego przepływ.

·  Bez stożka kierującego przepływ: Prędkość gazu szybko rośnie, spada, a następnie odwraca się, wskazując powtarzające się odwrócenie przepływu na dnie. Odwrócenie przepływu powoduje miejscowy wzrost ciśnienia i utrudnia ruch łuku.

·  Ze stożkiem kierującym przepływ: Chociaż prędkość początkowa rośnie wolniej, kierunek przepływu pozostaje znacznie bardziej stabilny. Po osiągnięciu dużej prędkości przepływ jednokierunkowy utrzymuje się przez dłuższy czas.

Rysunek 17 Porównanie symulowanego napięcia łuku przed i po stożku prowadzącym przepływ

Rysunek 17 porównuje symulowane napięcie łuku. Bez stożka napięcie łuku początkowo szybko rośnie, ale później gwałtownie spada z powodu nieprawidłowego zachowania łuku. W przypadku stożka napięcie wzrasta umiarkowanie na wczesnych etapach, ale stale rośnie, sprzyjając końcowemu wygaszeniu łuku.

Rysunek 18 Porównanie eksperymentalnego napięcia łuku przed i po stożku prowadzącym przepływ

Rysunek 18 porównuje eksperymentalne napięcie łuku. Zgodnie z symulacją dodanie stożka kierującego przepływ powoduje wyraźniejszy wzrost napięcia w późniejszych etapach, wykazując ciągłe wydłużanie, chłodzenie i cięcie łuku.

Rysunek 19 Porównanie ruchu łuku zarejestrowanego przez szybką kamerę przed i po stożku kierującym przepływem

Rycina 19 przedstawia obserwacje z kamer szybkich. Bez stożka kierującego przepływ, łuk i gorący gaz skupiają się lokalnie i nie rozprzestrzeniają się w rynnie, czasami zmieniając kierunek i wydmuchując w pobliżu obracającego się wału. Dzięki stożkowi rozkład gazu termicznego jest znacznie bardziej równomierny, co umożliwia szybkie wejście i wygaszenie łuku.

Podstawowa zasada: Przekształcenie przepływu turbulentnego w przepływ ukierunkowany, przekształcając miejscowy wzrost ciśnienia w jednolity spalin.

5. Wniosek

·  Zdolność gaszenia łuku dwubiegunowych wyłączników kompaktowych prądu stałego DC 1500 V zależy w dużej mierze od tego, czy łuk może płynnie przedostać się do płytek rozdzielających komorę łukową na wczesnych etapach.

·  Oryginalny układ wypukłych płytek rozdzielających przybliża płytki do styków, ale powoduje znaczną akumulację ciśnienia na wejściu, blokując wejście łuku.

·  Naprzemienne płytki rozdzielające zmniejszają gęstość płyty wejściowej, zapewniając niezbędną przestrzeń odciążającą, która ułatwia wejście łuku i cięcie.

·  Stożek kierujący przepływ przekierowuje przepływ gazu na dnie komory łukowej, redukując wzrost ciśnienia i odwrócenie przepływu, aby zapewnić stabilny ruch łuku.

Referencje

CHEN Mo, LU Ningyi, ZHAI Guofu. Optymalny projekt kanałów gazowych dla dwubiegunowego wyłącznika kompaktowego prądu stałego 1500 V w oparciu o symulację magnetohydrodynamiki łuku [J]. Transakcje Chińskiego Towarzystwa Elektrotechnicznego.