Aplicació de nous interruptors de circuit DC en la protecció contra faults de curtcircuït
I. Introducció
Amb l'avanç ràpid de les tecnologies d'informació modernes, la intel·ligència s'ha convertit en una tendència major en el desenvolupament dels equips industrials. En el camp del commutació d'alta tensió, els interrumptors intel·ligents de circuit —com a components de control crítics en els sistemes d'energia— formen la base per a l'automatització i la intel·ligència en els sistemes d'energia. Aquest estudi es centra en un interruptor de circuit DC intel·ligent basat en tecnologia de microcontrolador (SCM), enfatitzant la seva aplicació pràctica en la monitorització de corrent en temps real i la interrupció de falles en sistemes d'alimentació DC a bord de vaixells. A més d'una cambra convencional d'extinció d'arc, aquest interruptor incorpora un sistema operatiu intel·ligent, una unitat de detecció de corrent de fallada i una unitat de processament de senyals, permetent-li abordar eficaçment els requisits especials de protecció contra falles en sistems DC.
II. Principi de Transferència de Corrent en Interrumpidors de Circuit DC
El repte central per als interrumpidors en sistemes DC resideix en l'extinció d'arc. Segons la teoria de l'arc, extingir un arc requereix un punt de creuament zero de corrent. Tanmateix, els sistemes DC no tenen un punt natural de zero de corrent, cosa que fa l'extinció d'arc excepcionalment difícil.
Solució – Principi de Transferència de Corrent:
Introduint una corrent inversa al circuit, es crea un punt de zero de corrent artificial, proporcionant la condició necessària per a l'extinció d'arc. El principi específic és el següent:
|
Estat del Circuit |
Operació del Component |
Canvi de Corrent i Procés d'Extinció d'Arc |
|
Estat Normal |
L'interruptor QF està tancat. |
L'alimentació DC d'alta tensió alimenta la càrrega a través de QF, assegurant una operació estable del circuit. |
|
Estat de Fallada (curtcircuit A–B) |
1. La corrent augmenta ràpidament (la velocitat depèn de L₁, L₂). |
1. La corrent de descàrrega I₂ s'oposa a la corrent original I₁. |
III. Disseny del Sistema
(1) Mòdul de Monitorització
El mòdul de monitorització serveix com a font de senyal de control per al sistema operatiu electrònic, permetent la monitorització en temps real dels canvis de corrent del circuit i proporcionant respostes oportunes i precises a les anormalitats de corrent.
Flux de Processament de Senyals:
- Adquisició de Senyals: Els senyals de corrent es recullen mitjançant una derivació amb una terminal de baixa tensió a terra (per prevenir interferències de polsos d'alta tensió) i resistència no inductiva (per preservar l'amplitud i la forma d'ona de la corrent).
- Processament de Senyals: Senyals de tensió adquirits (petita amplitud amb soroll de freqüència alta) → Circuit de filtratge (eliminació de soroll) → Circuit d'amplificació d'isolament (utilitzant un optocuplador lineal de alta precisió HCNR201, amplificador operacional LM324 al costat primari, OP07 al costat secundari, actuant com a transformador DC) → Mostra i manté → Conversió A/D → Enviat al SCM.
- Resposta a la Fallada: Si la corrent supera els límits permessos, el SCM emet una ordre de trencament i activa l'alarma del buzzer.
(2) Processament de Dades pel SCM
Criteris de Jutjament de Fallada:
- Funcionament normal: Tasa d'augment de corrent Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, valor de corrent I ≤ Iₘₐₓ.
- Falla de curtcircuit: Kᵢ > Kₘₐₓ, i I pot superar Iₘₐₓ ràpidament.
Model Matemàtic i Càlcul Simplificat:
De ΔU = ΔI · Rբ (resistència de derivació),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Avantatge: Després de fixar Δt, només cal ΔU entre dos moments per calcular Kᵢ, evitant les operacions de coma flotant i reduint significativament el temps de resposta.
Criteri de Fallada: El SCM jutja una fallada quan Uᵢₙ > Uₘₐₓ o ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Mesures Anti-interferència
Degut a l'ambient d'alta tensió i corrent elevada amb forta interferència electromagnètica, s'adopta un disseny anti-interferència multidimensional:
|
Dimensió Anti-interferència |
Mesures Específiques |
Finalitat |
|
Senyal d'Entrada |
Aïllament mitjançant optocuplador lineal HCNR201 |
Aïlla el sistema de control dels circuits d'alta potència; suprimeix la interferència i augmenta la seguretat. |
|
Senyal de Sortida |
El SCM controla els commutadors d'optocuplador per a portar els tiristors al circuit de descàrrega |
Assegura només la connexió de senyal; evita els efectes de corrent elevada al sistema de control. |
|
Canal Pre-Senyal |
Circuit de filtratge de baixa passa |
Bloqueja la interferència RF, de freqüència d'energia i de polsos; millora la fiabilitat. |
|
Nivell de Programari |
1. Filtratge digital compost (medi + mitjana mòbil) |
Filtra el soroll de dades, assegura la precisió de les comandes i evita la fuga del programa. |
(4) Disseny Estructural Global
Mecanisme Operatiu – Mecanisme Permanent Magnètic Bistable:
- Composició: Bobines de tancament/obertura, imans permanents, nucli ferromagnètic mòbil (trencat), carcassa.
- Circuit Operatiu: Les bobines són connectades en sèrie amb condensadors precarregats (font d'energia) i tiristors formant circuits de descàrrega.
- Procés d'Acció: Senyal del SCM → amplificat per transistors → controla les portes dels tiristors → durant la fallada, el SCM envia un senyal d'obertura → el tiristor conduix → el condensador es descarrega a través de la bobina d'obertura → el nucli es mou → QF s'obre. El tancament es controla manualment mitjançant un commutador.
Circuit de Transferència de Corrent (Estructura Millorada):
- Millora: Substitueix els commutadors de gap d'escintilla amb commutadors de buit (QF₂), reduint la dispersió temporal.
- Paràmetres Estructurals: QF₁ i QF₂ estan equidistants del pivot O; les longituds dels braços es determinen basant-se en paràmetres específics.
- Acció en Cas de Fallada: El mecanisme permanent magnètic s'enerva → el nucli es mou cap avall → QF₁ s'obre, QF₂ es tanca → el condensador C es descarrega → la corrent d'arc en QF₁ creua zero → l'arc s'estingeix.
IV. Experiment del Sistema
- Entorn: Laboratori de Circuits Sintètics, Institut de Electrònica de Potència, Universitat Tecnològica de Dalian.
- Mètode: La corrent AC de baixa freqüència simula l'increment de curtcircuit DC; s'introdueix una corrent inversa al pic de corrent.
- Resultats:
- La forma d'ona de corrent a través de QF₁ mostra que la corrent inversa s'introdueix precisament a t₀.
- La corrent inversa força el creuament zero, assolint l'extinció d'arc i interrompent correctament la corrent de curtcircuit.
V. Conclusió
Els experiments mostren que el nou interruptor de circuit DC amb sistema operatiu electrònic interromp correctament les corrents de curtcircuit en els sistemes d'alimentació DC, amb resultats satisfactoris. Aquesta solució es pot aplicar ampliament en la protecció de curtcircuit en sistemes DC com vaixells, metro, electrolisis DC i fornals elèctrics.
Característiques Clau del Sistema:
- Rendiment en Temps Real: L'adquisició basada en SCM permet la monitorització en temps real amb un fort control i mínima dispersió temporal.
- Resposta Ràpida: Algoritmes simplificats eviten les operacions de coma flotant, reduint el temps de resposta per a la detecció ràpida de falles.
- Fiabilitat: El mecanisme permanent magnètic bistable redueix les fallades mecàniques i acurta el temps d'obertura; l'estructura millorada assegura la sincronització entre les operacions d'interrupció i transferència.
La solució d'interruptor de circuit DC intel·ligent presentada en aquest estudi ofereix un alt valor pràctic i prometedores perspectives d'aplicació, complint la demanda urgente d'equips de protecció intel·ligents en els sistemes d'energia DC moderns.
