Приложение на новите DC предпаливащи превключватели в защитата срещу късоircuit замыкания
I. Въведение
С бързото развитие на съвременните информационни технологии, интелигентността станала основен тренд в развитието на промишленото оборудване. В областта на високонапрегнатите ключове, интелигентните прекъсвачи – като важни контролни компоненти в електроенергийните системи – формират основата за автоматизацията и интелигентността в електроенергийните системи. Този изследваният се фокусира върху интелигентен DC прекъсвач, базиран на технологията на микрокомпютри (SCM), подчертавайки неговото практически приложение в реално време за мониторинг на тока и прекъсване на дефекта в корабните DC системи за доставка на енергия. Освен конвенционалната камера за угасяване на дъга, този прекъсвач включва интелигентна операционна система, единица за детектиране на дефектен ток и единица за обработка на сигнали, което му позволява да отговаря ефективно на специалните изисквания за защита при дефект в DC системите.
II. Принцип на преноса на тока в DC прекъсвачи
Основното предизвикателство за прекъсвачите в DC системи е в угасяването на дъгата. Според теорията на дъгата, за да се угаси дъга, е необходима точка на нулев пресичане на тока. Обаче, DC системите липсват на естествена точка на нулев ток, което прави угасяването на дъгата особено трудно.
Решение – Принцип на преноса на тока:
Чрез въвеждане на обратен ток в кръга, се създава изкуствена точка на нулев ток, предоставяща необходимото условие за угасяване на дъгата. Конкретният принцип е следния:
|
Състояние на кръга |
Операция на компонента |
Промяна на тока и процес на угасяване на дъгата |
|
Нормално състояние |
Прекъсвачът QF е затворен. |
Високонапрегнатата DC енергия доставя енергията до потребителската нагрузка чрез QF, осигурявайки стабилна работа на кръга. |
|
Състояние на дефект (A–B кратко замыкание) |
1. Токът рязко се увеличава (темпото зависи от L₁, L₂). |
1. Разтоварващият ток I₂ противодейства на оригиналения ток I₁. |
III. Проектиране на системата
(1) Модул за наблюдение
Модулът за наблюдение служи като източник на контролни сигнали за електронната операционна система, позволявайки реален мониторинг на промените в тока на кръга и предоставяйки навременни и точни реакции на аномалии в тока.
Поток на обработката на сигнали:
- Задържане на сигнали: Сигналите на тока се задържат чрез шунт с нисконапрегнато заземено изходно делително съпротивление (за да се предотврати въздействието на високонапрегнати импулси) и безиндуктивна съпротивителност (за запазване на амплитудата и формата на тока).
- Обработка на сигнали: Задържаните напрегнати сигнали (с малка амплитуда и високочестотен шум) → Филтрираща верига (премахване на шума) → Изолационна усилвателна верига (с използване на високопрецизен линейен оптичен куплер HCNR201, усилвател LM324 от страна на первичната обиколка, OP07 от страна на вторичната обиколка, действащи като DC трансформатор) → Задържане и образуване на проба → A/D преобразуване → Изпращане към SCM.
- Реакция при дефект: Ако токът надвиши допустимите граници, SCM издава команда за отваряне и активира звуково алармено устройство.
(2) Обработка на данни от SCM
Критерии за оценка на дефект:
- Нормална работа: Темпът на увеличаване на тока Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, стойността на тока I ≤ Iₘₐₓ.
- Дефект при кратко замыкание: Kᵢ > Kₘₐₓ, и I може бързо да надхвърли Iₘₐₓ.
Математическа модель и опростена изчислителна процедура:
От ΔU = ΔI · Rբ (шунтово съпротивление),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Преимущество: След фиксиране на Δt, за изчисляване на Kᵢ е необходимо само ΔU между две моменти, избягвайки плаващите точки и значително намалявайки времето за реакция.
Критерий за дефект: SCM оценява дефект, когато Uᵢₙ > Uₘₐₓ или ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Мерки за противодействие на интерференцията
Учитывайки високонапрегнатата, високоструйна среда с силна електромагнитна интерференция, се приема многомерен дизайн за противодействие на интерференцията:
|
Измерение на противодействието на интерференцията |
Конкретни мерки |
Цел |
|
Входен сигнал |
Изолация чрез линейен оптичен куплер HCNR201 |
Изолира контролната система от високомощностните вериги; подтиска интерференцията и повишава безопасността. |
|
Изходен сигнал |
SCM контролира оптичните купли, за да задвижи тиристорите в разтоварващата верига |
Осигурява само връзка на сигнала; предотвратява въздействието на високия ток върху контролната система. |
|
Предварителен канал на сигнала |
Филтър на ниски честоти |
Блокира RF, честоти на сетевата енергия и импулсна интерференция; подобрява надеждността. |
|
Софтуерно ниво |
1. Комбинирано цифрово филтриране (медиана + движещо се средно) |
Филтрира шума на данните, осигурява точността на командите и предотвратява бегство на програмата. |
(4) Общ конструктивен дизайн
Операционен механизм – Бистабилен перманентен магнитен механизм:
- Състав: Затварящи/отварящи катушки, перманентни магнити, движещ се желязен ядро (четкирена линия), корпус.
- Операционна верига: Катушките са серийно свързани с предварително заредени кондензатори (източник на енергия) и тиристори, формирайки разтоварващи вериги.
- Процес на действие: Сигнал от SCM → усилва се от транзистори → контролира входовете на тиристорите → при дефект, SMC изпраща сигнал за отваряне → тиристорът провежда → кондензаторът се разтоварва чрез отварящата катушка → железното ядро се движи → QF се отваря. Затварянето е ръчно контролирано чрез ключ.
Верига за пренос на тока (улучена структура):
- Улучаване: Заменя спарк-интервалните ключове с вакуумни ключове (QF₂), намалявайки временна дисперсия.
- Структурни параметри: QF₁ и QF₂ са равноотдалечени от центъра O; дължините на раменете се определят въз основа на конкретни параметри.
- Действие при дефект: Перманентният магнитен механизм се активира → железното ядро се движи надолу → QF₁ се отваря, QF₂ се затваря → кондензаторът C се разтоварва → токът на дъгата в QF₁ пресича нулата → дъгата се угасява.
IV. Експеримент с системата
- Околната среда: Лаборатория за синтетични вериги, Институт по електроника на мощността, Университет по технологии в Далянь.
- Метод: Ниско честотен AC ток симулира увеличаване при DC кратко замыкание; обратен ток се въвежда в момент на максимален ток.
- Резултати:
- Вълновата форма на тока през QF₁ показва, че обратният ток е точно въведен в t₀.
- Обратният ток принуждава пресичане на нулата, постига угасяване на дъгата и успешно прекъсва тока при кратко замыкание.
V. Заключение
Експериментите демонстрират, че новият DC прекъсвач с електронна операционна система успешно прекъсва тока при кратко замыкание в DC системи за доставка на енергия, с удовлетворителни резултати. Това решение може широко да се прилага в защитата при кратко замыкание на DC системи като кораби, метрополитен, DC електролиза и електрични печи.
Основни характеристики на системата:
- Реално време: Задържането, основано на SCM, позволява реален мониторинг със силно контролируемост и минимална временна дисперсия.
- Бърз отговор: Опростените алгоритми избягват плаващите точки, намалявайки времето за реакция за бързо откриване на дефекта.
- Надеждност: Бистабилният перманентен магнитен механизм намалява механичните дефекти и съкращава времето за отваряне; улучената структура осигурява синхронизация между действията за прекъсване и пренос.
Предложеното решение за интелигентен DC прекъсвач предлага висока практическа стойност и многообещаващи приложения, отговаряйки на настоятелната нужда за интелигентно защитно оборудване в съвременните DC системи за доставка на енергия.
