I. Введение
С быстрым развитием современных информационных технологий интеллектуализация стала основным трендом в развитии промышленного оборудования. В области высоковольтных коммутационных устройств интеллектуальные выключатели, как ключевые элементы управления в энергетических системах, формируют основу для автоматизации и интеллектуализации энергосистем. Данное исследование сосредоточено на интеллектуальном постояннотоковом выключателе на основе технологии микроконтроллеров (SCM), акцентируя внимание на его практическом применении в реальном времени для мониторинга тока и отключения при авариях в бортовых системах питания постоянного тока. Помимо традиционной камеры гашения дуги, этот выключатель включает в себя интеллектуальную операционную систему, блок обнаружения аварийного тока и блок обработки сигналов, что позволяет ему эффективно решать специфические требования защиты постояннотоковых систем.
II. Принцип передачи тока в постояннотоковых выключателях
Основная проблема для выключателей в постояннотоковых системах заключается в гашении дуги. Согласно теории дуг, для гашения дуги требуется точка пересечения нуля тока. Однако, в постояннотоковых системах естественной точки пересечения нуля нет, что делает гашение дуги особенно сложным.
Решение – Принцип передачи тока:
Введением обратного тока в цепь создается искусственная точка пересечения нуля, предоставляя необходимое условие для гашения дуги. Конкретный принцип следующий:
| Состояние цепи |
Операция компонента |
Изменение тока и процесс гашения дуги |
| Нормальное состояние |
Выключатель QF закрыт. |
Высоковольтное питание постоянного тока подается на нагрузку через QF, обеспечивая стабильную работу цепи. |
| Аварийное состояние (короткое замыкание A–B) |
1. Ток быстро увеличивается (скорость зависит от L₁, L₂).
2. При обнаружении аварии механизм открывает контакты QF, создавая дугу.
3. Переключатель S закрывается, разряжая конденсатор C через выключатель. |
1. Разрядный ток I₂ противодействует исходному току I₁.
2. I₂ заставляет I₁ пересечь ноль.
3. Дуга в QF гаснет в точке пересечения нуля тока. |
III. Проектирование системы
(1) Модуль мониторинга
Модуль мониторинга служит источником управляющих сигналов для электронной операционной системы, позволяя в реальном времени отслеживать изменения тока в цепи и своевременно и точно реагировать на аномалии тока.
Поток обработки сигналов:
- Захват сигнала: Сигналы тока собираются через шунт с заземленным низковольтным выводом (для предотвращения воздействия импульсов высокого напряжения) и неиндуктивным сопротивлением (для сохранения амплитуды и формы тока).
- Обработка сигнала: Захваченные сигналы напряжения (малой амплитуды с высокочастотным шумом) → фильтрующая цепь (удаление шума) → изолированный усилитель (используется высокоточный линейный оптопар HCNR201, операционный усилитель LM324 на первичной стороне, операционный усилитель OP07 на вторичной стороне, действующий как DC-трансформатор) → удержание и выборка → АЦП → отправка в SCM.
- Ответ на аварию: Если ток превышает допустимые пределы, SCM выдает команду на отключение и активирует звуковой сигнал тревоги.
(2) Обработка данных SCM
Критерии определения аварии:
- Нормальная работа: скорость нарастания тока Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, значение тока I ≤ Iₘₐₓ.
- Короткое замыкание: Kᵢ > Kₘₐₓ, и I может быстро превысить Iₘₐₓ.
Математическая модель и упрощенный расчет:
Из ΔU = ΔI · Rբ (сопротивление шунта),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Преимущество: После фиксации Δt, достаточно ΔU между двумя моментами, чтобы вычислить Kᵢ, избегая операций с плавающей запятой и значительно снижая время реакции.
Критерий аварии: SCM определяет аварию, когда Uᵢₙ > Uₘₐₓ или ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Меры по защите от помех
Учитывая высоковольтную, высокотоковую среду с сильными электромагнитными помехами, используется многомерный дизайн защиты от помех:
| Измерение защиты от помех |
Конкретные меры |
Цель |
| Входной сигнал |
Изоляция через линейный оптопар HCNR201 |
Изолирует систему управления от мощных цепей; подавляет помехи и повышает безопасность. |
| Выходной сигнал |
SCM управляет оптопарами, чтобы управлять тиристорами в цепи разряда |
Обеспечивает только соединение сигналов; предотвращает влияние больших токов на систему управления. |
| Предканал сигнала |
Фильтр нижних частот |
Блокирует радиочастотные, сетевые и импульсные помехи; повышает надежность. |
| Уровень программного обеспечения |
1. Комбинированная цифровая фильтрация (медиана + скользящее среднее)
2. Резервирование критических команд
3. Программные ловушки + обработка помех |
Фильтрует шум данных, обеспечивает точность команд и предотвращает сбой программы. |
(4) Общая конструктивная разработка
Механизм работы – двухстабильный постоянномагнитный механизм:
- Состав: Катушки закрытия/открытия, постоянные магниты, движущийся сердечник (пунктир), корпус.
- Цепь работы: Катушки последовательно соединены с заряженными конденсаторами (источник энергии) и тиристорами, образуя цепи разряда.
- Процесс действия: Сигнал SCM → усиливается транзисторами → управляет затворами тиристоров → при аварии SCM отправляет сигнал открытия → тиристор проводит → конденсатор разряжается через катушку открытия → сердечник перемещается → QF открывается. Закрытие контролируется вручную через переключатель.
Цепь передачи тока (улучшенная конструкция):
- Улучшение: Замена искровых промежутков вакуумными выключателями (QF₂), что уменьшает временное рассеяние.
- Структурные параметры: QF₁ и QF₂ равноудалены от оси O; длины рычагов определяются на основе конкретных параметров.
- Действие при аварии: Постоянномагнитный механизм активируется → сердечник перемещается вниз → QF₁ открывается, QF₂ закрывается → конденсатор C разряжается → ток дуги в QF₁ пересекает ноль → дуга гаснет.
IV. Экспериментальная проверка системы
- Среда: Лаборатория синтетических цепей, Институт силовой электроники, Даляньский университет технологии.
- Метод: Низкочастотный переменный ток имитирует нарастание короткого замыкания постоянного тока; обратный ток вводится в момент максимального тока.
- Результаты:
- Форма тока через QF₁ показывает точное введение обратного тока в момент t₀.
- Обратный ток заставляет пересечь ноль, достигая гашения дуги и успешного прерывания тока короткого замыкания.
V. Заключение
Эксперименты показывают, что новый постояннотоковый выключатель с электронной операционной системой успешно прерывает токи короткого замыкания в системах питания постоянного тока, демонстрируя удовлетворительные результаты. Это решение может широко применяться в защите от короткого замыкания в постояннотоковых системах, таких как суда, метро, электролиз и электропечи.
Основные характеристики системы:
- Временные характеристики: Захват на основе SCM обеспечивает мониторинг в реальном времени с сильной управляемостью и минимальным временем рассеяния.
- Быстрый отклик: Упрощенные алгоритмы избегают операций с плавающей запятой, сокращая время реакции для быстрого обнаружения аварий.
- Надежность: Двухстабильный постоянномагнитный механизм уменьшает механические отказы и сокращает время открытия; улучшенная конструкция обеспечивает синхронизацию между операциями прерывания и передачи.
Представленное в данном исследовании решение интеллектуального постояннотокового выключателя имеет высокую практическую ценность и перспективы применения, удовлетворяя насущную потребность в интеллектуальном оборудовании защиты в современных постояннотоковых энергетических системах.
Вход
