I. Einführung
Mit dem rasanten Fortschritt der modernen Informationstechnologie ist Intelligenz zu einem wichtigen Trend in der Entwicklung von Industrieausrüstungen geworden. Im Bereich der Hochspannungsschaltanlagen bilden intelligente Schaltgeräte – als kritische Steuerelemente in Energiesystemen – die Grundlage für Automatisierung und Intelligenz in den Energiesystemen. Diese Studie konzentriert sich auf einen intelligenten Gleichstrom-Sicherungsautomaten basierend auf Ein-Chip-Mikrocontroller (SCM) Technologie, mit dem Fokus auf dessen praktische Anwendung in der Echtzeit-Überwachung des Stroms und der Störungsbeseitigung in Schiffsgleichstromversorgungssystemen. Neben einer herkömmlichen Bögenlöschkammer integriert dieser Sicherungsautomat ein intelligentes Betriebssystem, eine Fehlerstromerkennungseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit, was es ihm ermöglicht, die speziellen Anforderungen an die Fehlerabsicherung in Gleichstromsystemen effektiv zu bewältigen.
II. Stromübertragungsprinzip von Gleichstrom-Sicherungsautomaten
Die zentrale Herausforderung für Sicherungsautomaten in Gleichstromsystemen liegt in der Bögenlöschung. Laut Bogen-Theorie erfordert das Löschen eines Bogens einen Nullpunkt des Stroms. Gleichstromsysteme haben jedoch keinen natürlichen Nullpunkt des Stroms, was die Bögenlöschung besonders schwierig macht.
Lösung – Stromübertragungsprinzip:
Durch die Einführung eines Gegenstroms in den Kreislauf wird ein künstlicher Nullpunkt des Stroms geschaffen, was die notwendige Bedingung für die Bögenlöschung bereitstellt. Das spezifische Prinzip lautet wie folgt:
| Schaltkreiszustand |
Betrieb der Komponenten |
Stromänderung und Bögenlöschprozess |
| Normalzustand |
Der Sicherungsautomat QF ist geschlossen. |
Hochspannungs-Gleichstrom versorgt die Last über QF und gewährleistet einen stabilen Kreislaufbetrieb. |
| Fehlerzustand (A–B-Kurzschluss) |
1. Der Strom steigt schnell an (die Rate hängt von L₁, L₂ ab).
2. Bei Erkennung des Fehlers öffnet das Mechanismus die Kontakte von QF, wodurch ein Bogen entsteht.
3. Der Schalter S schließt, wodurch der Kondensator C durch den Sicherungsautomat entladen wird. |
1. Der Entladungsstrom I₂ steht dem ursprünglichen Strom I₁ entgegen.
2. I₂ zwingt I₁, den Nullpunkt zu überschreiten.
3. Der Bogen in QF erlischt beim Nullpunkt des Stroms. |
III. Systemdesign
(1) Überwachungsmodul
Das Überwachungsmodul dient als Quelle für Steuersignale im elektronischen Betriebssystem, ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Änderungen des Schaltkreisstroms und bietet zeitgemäße und genaue Reaktionen auf Stromanomalien.
Signalverarbeitungsablauf:
- Signalerfassung: Stromsignale werden über einen Spannungsteiler mit einem geerdeten Niederspannungsterminal (um Hochspannungspulsinterferenzen zu vermeiden) und nicht-induktiver Widerstand (um die Stromamplitude und -form zu erhalten) erfasst.
- Signalverarbeitung: Erfasste Spannungssignale (kleine Amplitude mit hochfrequenter Rauschunterdrückung) → Filterkreis (Rauschunterdrückung) → Isolationsverstärkerkreis (mit hochpräzisem linearem Optokoppler HCNR201, Primärseiten-OP LM324, Sekundärseiten-OP OP07, als Gleichstromtransformator) → Abtast- und Haltekreis → A/D-Wandlung → An SCM gesendet.
- Fehlerreaktion: Wenn der Strom die zulässigen Grenzen überschreitet, gibt das SCM einen Auslösebefehl und löst eine Warntonalarmierung aus.
(2) Datenverarbeitung durch SCM
Kriterien für Fehlerschätzung:
- Normaler Betrieb: Stromanstieg Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, Stromwert I ≤ Iₘₐₓ.
- Kurzschlussfehler: Kᵢ > Kₘₐₓ, und I kann Iₘₐₓ schnell überschreiten.
Mathematisches Modell und vereinfachte Berechnung:
Aus ΔU = ΔI · Rբ (Spannungsteilerwiderstand),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Vorteil: Nach Festlegung von Δt reicht nur ΔU zwischen zwei Zeitpunkten, um Kᵢ zu berechnen, was Gleitkommaoperationen vermeidet und die Reaktionszeit signifikant reduziert.
Fehlerkriterium: Das SCM stuft einen Fehler ein, wenn Uᵢₙ > Uₘₐₓ oder ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Störsignalunterdrückungsmaßnahmen
Aufgrund der Umgebung mit hoher Spannung und hohem Strom und starken elektromagnetischen Störungen wird ein mehrdimensionales Störsignalunterdrückungsdesign angewendet:
| Störsignalunterdrückungsdimension |
Spezifische Maßnahmen |
Zweck |
| Eingangssignal |
Isolierung über linearen Optokoppler HCNR201 |
Trennt das Steuerungssystem von Hochleistungsschaltkreisen; unterdrückt Störungen und erhöht die Sicherheit. |
| Signalausgabe |
SCM steuert Optokopplerschalter, um Thyristoren im Entladekreis zu betreiben |
Garantiert nur Signalkontakt; verhindert Auswirkungen von Hochströmen auf das Steuerungssystem. |
| Signalvorverarbeitungskanal |
Niederpassfilterkreis |
Blockiert HF-, Netz- und Pulsstörungen; verbessert die Zuverlässigkeit. |
| Softwareebene |
1. Kombinierte digitale Filterung (Median + gleitender Durchschnitt)
2. Redundante kritische Befehle
3. Software-Fallen + Störungshandhabung |
Filtert Datenrauschen, gewährleistet die Genauigkeit der Befehle und verhindert Programmabstürze. |
(4) Gesamtstrukturdesign
Betriebsmechanismus – bistabiler Permanentmagnetsmechanismus:
- Aufbau: Schließen/Öffnen Spulen, Permanentmagnete, beweglicher Eisenkern (gestrichelt), Gehäuse.
- Betriebskreis: Serienschaltung von Spulen mit vorbeladenen Kondensatoren (Energiequelle) und Thyristoren bildet Entladekreise.
- Ablauf: SCM-Signal → verstärkt durch Transistoren → steuert Thyristor-Gatter → bei Fehler sendet SMC Öffnungssignal → Thyristor leitet → Kondensator entlädt sich über Öffnungsspule → Eisenkern bewegt sich → QF öffnet. Das Schließen wird manuell über einen Schalter gesteuert.
Stromübertragungskreis (verbesserter Aufbau):
- Verbesserung: Ersetzt Funkenstreckenschalter durch Vakuumschalter (QF₂), reduziert die Zeitdispersion.
- Strukturparameter: QF₁ und QF₂ sind gleich weit vom Drehpunkt O entfernt; Hebelarme werden basierend auf spezifischen Parametern bestimmt.
- Fehlerreaktion: Permanentmagnetsmechanismus aktiviert → Eisenkern bewegt sich nach unten → QF₁ öffnet, QF₂ schließt → Kondensator C entlädt → Bogenstrom in QF₁ erreicht Nullpunkt → Bogen erlischt.
IV. Systemexperiment
- Umgebung: Synthetisches Schaltkreis-Labor, Institut für Leistungselektronik, Dalian University of Technology.
- Methode: Niederfrequenz-Wechselstrom simuliert den Anstieg eines Kurzschlusses in Gleichstrom; Gegenstrom wird am Spitzenstrom eingeführt.
- Ergebnisse:
- Der Stromverlauf durch QF₁ zeigt, dass der Gegenstrom genau bei t₀ eingeführt wurde.
- Der Gegenstrom erzwingt den Nullpunkt, erreicht die Bögenlöschung und unterbricht erfolgreich den Kurzschlusstrom.
V. Schlussfolgerung
Experimente zeigen, dass der neue Gleichstrom-Sicherungsautomat mit dem elektronischen Betriebssystem Kurzschlusströme in Gleichstromversorgungssystemen erfolgreich unterbricht, mit zufriedenstellenden Ergebnissen. Diese Lösung kann breit in der Kurzschutzschaltung für Gleichstromsysteme wie Schiffe, U-Bahnen, Gleichstromelektrolyse und Elektroöfen angewendet werden.
Kernsystemmerkmale:
- Echtzeitfähigkeit: Die Datenerfassung basierend auf SCM ermöglicht die Echtzeitüberwachung mit starker Steuerbarkeit und minimaler Zeitdispersion.
- Schnelle Reaktion: Vereinfachte Algorithmen vermeiden Gleitkommaoperationen, reduzieren die Reaktionszeit und ermöglichen schnelle Fehlererkennung.
- Zuverlässigkeit: Der bistabile Permanentmagnetsmechanismus reduziert mechanische Ausfälle und verkürzt die Öffnungszeit; der verbesserte Aufbau gewährleistet die Synchronisation zwischen Unterbrechung und Übertragungsvorgängen.
Die in dieser Studie vorgestellte Lösung für den intelligenten Gleichstrom-Sicherungsautomat bietet einen hohen praktischen Wert und vielversprechende Anwendungsaussichten, die den dringenden Bedarf an intelligenten Schutzausrüstungen in modernen Gleichstromversorgungssystemen erfüllt.
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