Paggamit sa Bag-ong DC Circuit Breakers sa Proteksyon sa Short-Circuit Fault
I. Pagpapakilala
Sa mabilis na pag-unlad ng modernong teknolohiya ng impormasyon, ang katalinuhan ay naging pangunahing trend sa pag-unlad ng mga industriyal na kagamitan. Sa larangan ng mataas na bolteheng switching, ang mga intelligent circuit breakers—tulad ng mga mahalagang kontrol na komponente sa mga sistema ng kuryente—ay nagbibigay ng pundasyon para sa awtomatikong at intelligent na sistema ng kuryente. Ang pag-aaral na ito ay nakatuon sa isang intelligent DC circuit breaker batay sa single-chip microcomputer (SCM) technology, na nagbibigay-diin sa kanyang praktikal na aplikasyon sa real-time current monitoring at fault interruption sa loob ng shipboard DC power supply systems. Bukod sa conventional arc-extinguishing chamber, ang circuit breaker na ito ay may kasamang intelligent operating system, fault current detection unit, at signal processing unit, na nagbibigay-daan nito upang makabati ng espesyal na pangangailangan ng DC system fault protection.
II. Prinsipyong Pagsasalin ng Kuryente ng DC Circuit Breakers
Ang pangunahing hamon para sa mga circuit breakers sa DC systems ay nasa pag-extinguish ng arc. Ayon sa teorya ng arc, ang pag-extinguish ng arc ay nangangailangan ng current zero-crossing point. Gayunpaman, ang mga DC systems ay walang natural na current zero point, kaya napakahirap ang pag-extinguish ng arc.
Solusyon – Prinsipyong Pagsasalin ng Kuryente:
Sa pamamagitan ng pagpasok ng reverse current sa circuit, nililikha ang isang artipisyal na current zero point, na nagbibigay ng kinakailangang kondisyon para sa pag-extinguish ng arc. Ang espesipikong prinsipyo ay sumusunod:
|
Kalagayan ng Circuit |
Paggana ng Komponente |
Pagbabago ng Kuryente at Proseso ng Pag-extinguish ng Arc |
|
Normal State |
Closed ang circuit breaker QF. |
Inihahatid ng high-voltage DC power ang load sa pamamagitan ng QF, na naglalayong panatilihin ang stable na operasyon ng circuit. |
|
Fault State (A–B short) |
1. Tumataas ang kuryente nang mabilis (ang rate ay depende sa L₁, L₂). |
1. Kontra ang discharge current I₂ sa orihinal na current I₁. |
III. disenyo ng Sistema
(1) Monitoring Module
Ang monitoring module ay nagsisilbing control signal source para sa electronic operating system, na nagbibigay-daan sa real-time monitoring ng pagbabago ng kuryente ng circuit at nagbibigay ng maagang at tama na tugon sa abnormalidad ng kuryente.
Signal Processing Flow:
- Signal Acquisition: Nakolekta ang current signals sa pamamagitan ng shunt na may grounded low-voltage terminal (upang iwasan ang high-voltage pulse interference) at non-inductive resistance (upang mapanatili ang amplitude at waveform ng kuryente).
- Signal Processing: Nakolektang voltage signals (maliit na amplitude na may high-frequency noise) → Filter circuit (noise removal) → Isolation amplification circuit (gamit ang high-precision linear optocoupler HCNR201, primary-side op-amp LM324, secondary-side op-amp OP07, na gumagamit bilang DC transformer) → Sample and hold → A/D conversion → Ipinapadala sa SCM.
- Fault Response: Kung ang kuryente ay lumampas sa pinahihintulutang limit, inilalabas ng SCM ang trip command at inilolunsad ang buzzer alarm.
(2) Data Processing by SCM
Mga Kriteryo ng Fault Judgment:
- Normal operation: Current rise rate Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, current value I ≤ Iₘₐₓ.
- Short-circuit fault: Kᵢ > Kₘₐₓ, at maaaring lumampas ang I sa Iₘₐₓ nang mabilis.
Mathematical Model and Simplified Calculation:
Mula ΔU = ΔI · Rբ (shunt resistance),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Advantage: Matapos itakda ang Δt, kailangan lamang ang ΔU sa pagitan ng dalawang oras upang makalkula ang Kᵢ, na iwas sa floating-point operations at nagsisira ng response time.
Fault Criterion: Hinuhusgahan ng SCM ang fault kapag Uᵢₙ > Uₘₐₓ o ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Anti-Interference Measures
Dahil sa mataas na bolteheng, mataas na kuryenteng kapaligiran na may malakas na electromagnetic interference, inilapat ang multi-dimensional anti-interference design:
|
Anti-Interference Dimension |
Specific Measures |
Layunin |
|
Input Signal |
Isolation via linear optocoupler HCNR201 |
Isolated ang control system mula sa high-power circuits; pinipigilan ang interference at pinapalakas ang seguridad. |
|
Signal Output |
Nagkokontrol ang SCM ng optocoupler switches upang mag-drive ng thyristors sa discharge circuit |
Sinasiguro ang signal connection lang; pinipigilan ang epekto ng high-current sa control system. |
|
Signal Pre-Channel |
Low-pass filter circuit |
Nagbublock ng RF, power frequency, at pulse interference; pinapalakas ang reliabilidad. |
|
Software Level |
1. Composite digital filtering (median + moving average) |
Nag-filter ng data noise, sinisigurado ang accuracy ng command, at pinipigilan ang program runaway. |
(4) Overall Structural Design
Operating Mechanism – Bistable Permanent Magnet Mechanism:
- Composition: Closing/opening coils, permanent magnets, moving iron core (dashed), housing.
- Operating Circuit: Series-connected ang coils sa pre-charged capacitors (energy source) at thyristors na bumubuo ng discharge circuits.
- Action Process: SCM signal → amplified by transistors → controls thyristor gates → during fault, SMC sends opening signal → thyristor conducts → capacitor discharges through opening coil → iron core moves → QF opens. Manually controlled ang closing via a switch.
Current Transfer Circuit (Improved Structure):
- Improvement: Pinapalitan ang spark gap switches ng vacuum switches (QF₂), na binabawasan ang time dispersion.
- Structural Parameters: Equidistant ang QF₁ at QF₂ mula sa pivot O; ang haba ng braso ay naka-base sa espesipikong parametro.
- Fault Action: Energized ang permanent magnet mechanism → gumagalaw pababa ang iron core → nag-oopen ang QF₁, nag-closing ang QF₂ → nag-discharge ang capacitor C → ang arc current sa QF₁ ay tumatawid sa zero → nawawala ang arc.
IV. System Experiment
- Environment: Synthetic Circuit Laboratory, Institute of Power Electronics, Dalian University of Technology.
- Method: Sinimula ang low-frequency AC current upang simulan ang DC short-circuit rise; inilapat ang reverse current sa peak current.
- Results:
- Ipinaliwanag ang current waveform sa pamamagitan ng QF₁ na may reverse current na inilapat sa t₀.
- Pinilit ng reverse current ang zero-crossing, na nag-resulta sa pag-extinguish ng arc, at matagumpay na interrumpe ang short-circuit current.
V. Conclusion
Nagpapakita ang mga eksperimento na ang bagong DC circuit breaker na may electronic operating system ay matagumpay na interrumpe ang short-circuit currents sa DC power supply systems, na may sapat na resulta. Ang solusyon na ito ay maaaring malaganap na gamitin sa short-circuit protection para sa mga DC systems tulad ng mga barko, subways, DC electrolysis, at electric furnaces.
Core System Features:
- Real-Time Performance: Nagbibigay-daan ang SCM-based acquisition sa real-time monitoring na may malakas na controllability at minimal na time dispersion.
- Rapid Response: Binabawasan ng simplified algorithms ang floating-point operations, na nagreresulta sa mas mabilis na response time para sa mabilis na fault detection.
- Reliability: Binabawasan ng bistable permanent magnet mechanism ang mechanical failures at pinapalit ang opening time; pinapalakas ng improved structure ang synchronization sa pagitan ng interruption at transfer operations.
Ang intelligent DC circuit breaker solution na ipinakilala sa pag-aaral na ito ay nagbibigay ng mataas na praktikal na halaga at promising na application prospects, na sumasagot sa urgent demand para sa intelligent na proteksyon ng equipment sa modernong DC power systems.
