Aplikace nových stejnosměrných vypínačů pro ochranu před krátkozavodnými poruchami
I. Úvod
S rychlým rozvojem moderní informační technologie se inteligence stala hlavním trendem v rozvoji průmyslového zařízení. V oblasti vysokého napětí přepínání jsou inteligentní spínače – jako klíčové ovládací komponenty v elektrických systémech – základem pro automatizaci a inteligenci v elektrických systémech. Tato studie se zaměřuje na inteligentní DC spínač založený na technologii jednočipového mikroprocesoru (SCM), s důrazem na jeho praktické použití v reálném čase monitorování proudu a přerušení poruch v palubních DC elektrických systémech. Kromě tradiční komory pro uhašení oblouku tento spínač zahrnuje inteligentní operační systém, detekční jednotku pro poruchový proud a jednotku pro zpracování signálů, což mu umožňuje efektivně řešit specifické požadavky ochrany proti poruchám v DC systémech.
II. Princip přenosu proudu v DC spínačích
Klíčovou výzvou pro spínače v DC systémech je uhašení oblouku. Podle teorie oblouku je k uhašení oblouku potřebný nulový bod proudu. Nicméně, DC systémy nemají přirozený nulový bod proudu, což uhašení oblouku velmi ztěžuje.
Řešení – Princip přenosu proudu:
Zavedením reverzního proudu do obvodu je vytvořen umělý nulový bod proudu, což poskytuje nezbytnou podmínku pro uhašení oblouku. Konkrétní princip je následující:
|
Stav obvodu |
Funkce komponenty |
Změna proudu a proces uhašení oblouku |
|
Běžný stav |
Spínač QF je uzavřen. |
Vysoké DC napětí zásobuje zátěž přes QF, což zajišťuje stabilní fungování obvodu. |
|
Poruchový stav (krátké spojení A–B) |
1. Proud rychle roste (rychlost závisí na L₁, L₂). |
1. Proud I₂ proti původnímu proudu I₁. |
III. Návrh systému
(1) Modul monitorování
Modul monitorování slouží jako zdroj řídících signálů pro elektronický operační systém, umožňuje reálně časové monitorování změn proudu v obvodu a poskytuje včasnou a přesnou odezvu na nepřípustné změny proudu.
Proces zpracování signálů:
- Získání signálů: Signály proudu jsou shromažďovány pomocí paralelního odporu s nízkonapěťovým koncem zapojeným k zemi (k prevenci vlivu vysokonapěťových pulsů) a neindukčním odporem (pro zachování amplitudy a tvaru proudu).
- Zpracování signálů: Získané signály malé amplitudy s vysokofrekvenčním šumem → Filtrační obvod (odstranění šumu) → Izolační zesilovací obvod (použití vysokopřesného lineárního optokupleru HCNR201, primární strana op-amp LM324, sekundární strana op-amp OP07, fungující jako DC transformátor) → Uchování vzorku → A/D převod → Odeslání do SCM.
- Odezva na poruchu: Pokud proud překročí povolené limity, SCM vydá příkaz k odpojení a aktivuje zvukovou signalizaci.
(2) Zpracování dat pomocí SCM
Kritéria pro rozhodnutí o poruchách:
- Běžné fungování: Rychlost narůstání proudu Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, hodnota proudu I ≤ Iₘₐₓ.
- Krátké spojení: Kᵢ > Kₘₐₓ, a I může rychle překročit Iₘₐₓ.
Matematický model a zjednodušené výpočty:
Z ΔU = ΔI · Rբ (odpor paralelního odporu),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Výhoda: Po pevném nastavení Δt stačí znát ΔU mezi dvěma okamžiky pro výpočet Kᵢ, což eliminuje pohyblivé desetinné operace a výrazně snižuje dobu odezvy.
Kritérium poruchy: SCM rozhodne o poruchě, pokud Uᵢₙ > Uₘₐₓ nebo ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Opatření proti rušení
Vzhledem k vysokonapěťovému a vysokoproudovému prostředí s silným elektromagnetickým rušením je použito vícedimenzionálního návrhu proti rušení:
|
Dimenze ochrany proti rušení |
Konkrétní opatření |
Účel |
|
Vstupní signál |
Izolace pomocí lineárního optokupleru HCNR201 |
Izoluje řídicí systém od vysokovýkonových obvodů; potlačuje rušení a zvyšuje bezpečnost. |
|
Výstupní signál |
SCM ovládá optokuplerové spínače pro řízení thyristorů v obvodu vybíjení |
Zajišťuje pouze signální spojení; brání vlivu vysokého proudu na řídicí systém. |
|
Předkanálový signál |
Nízkofrekvenční filtrační obvod |
Blokuje RF, síťové frekvence a pulsní rušení; zvyšuje spolehlivost. |
|
Software |
1. Komplexní digitální filtrace (medián + klouzavý průměr) |
Filtruje šum dat, zajišťuje přesnost příkazů a brání úniku programu. |
(4) Celkový návrh struktury
Provozní mechanismus – Bistabilní permanentní magnetický mechanismus:
- Složení: Uzávěrové/otevírací cívek, permanentní magnety, pohyblivý železný jádro (čárkované), obal.
- Obvod provozu: Cívky sériově spojené s přednabitými kondenzátory (zdroj energie) a thyristory tvoří obvody vybíjení.
- Proces akce: Signál SCM → zesílen transistory → řídí brány thyristorů → během poruchy SMC odesílá otevírací signál → thyristor provede → kondenzátor se vybije přes otevírací cívku → železné jádro se pohne → QF se otevře. Zavření je ručně řízeno přepínačem.
Obvod přenosu proudu (vylepšená struktura):
- Vylepšení: Nahrazení spínačů s jiskrovým pruhem vakuumovými spínači (QF₂), což snižuje časové rozptylu.
- Strukturální parametry: QF₁ a QF₂ jsou stejně vzdálené od osy O; délka ramen je určena na základě specifických parametrů.
- Akce při poruchách: Permanentní magnetický mechanismus je energizován → železné jádro se pohne dolů → QF₁ se otevře, QF₂ se zavře → kondenzátor C se vybije → obloukový proud v QF₁ překročí nulu → oblouk vyhasne.
IV. Experimentální systém
- Prostředí: Syntetická laboratoř obvodů, Ústav elektronického proudu, Dalian University of Technology.
- Metoda: Nízkofrekvenční AC proud simuluje růst krátkého spojení DC; reverzní proud je zaveden v maximálním proudu.
- Výsledky:
- Tvar proudu procházející QF₁ ukazuje, že reverzní proud byl přesně zaveden v t₀.
- Reverzní proud donutil překročení nuly, dosáhl uhašení oblouku a úspěšně přerušil proud krátkého spojení.
V. Závěr
Experimenty ukázaly, že nový DC spínač s elektronickým operačním systémem úspěšně přerušuje proud krátkého spojení v DC elektrických systémech, s uspokojivými výsledky. Toto řešení lze široce aplikovat v ochraně proti krátkým spojením v DC systémech, jako jsou lodě, metra, DC elektrolýza a elektrické troubice.
Hlavní funkce systému:
- Reálně časové vlastnosti: Získávání dat založené na SCM umožňuje reálně časové monitorování s silnou kontrollabilitou a minimálním časovým rozptylem.
- Rychlá odezva: Zjednodušené algoritmy eliminují pohyblivé desetinné operace, což snižuje dobu odezvy pro rychlé detekce poruch.
- Spolehlivost: Bistabilní permanentní magnetický mechanismus snižuje mechanické selhání a zkracuje dobu otevření; vylepšená struktura zajišťuje synchronizaci mezi přerušením a přenosovými operacemi.
Inteligentní řešení DC spínače prezentované v této studii nabízí vysokou praktickou hodnotu a slibné perspektivy aplikace, splňuje naléhavou potřebu inteligentního ochranného zařízení v moderních DC elektrických systémech.
