Anvendelse af nye DC-brydere i beskyttelse mod kortslutning

I. Introduktion​
Med den hurtige udvikling inden for moderne informationsteknologi er intelligens blevet en vigtig tendens i udviklingen af industriudstyr. Inden for højspændingsafbrydning er intelligente kredsløbsafbrydere - som afgørende styreelementer i strømsystemer - grundlaget for automatisering og intelligens i strømsystemer. Dette studie fokuserer på en intelligent DC-afbryder baseret på mikrocontroller (SCM) teknologi, med vægt på dens praktiske anvendelse til realtidsovervågning af strøm og fejlafbrydelse i skibsbaserede DC-strømforsyningsanlæg. Uden for den konventionelle bukseksningskammer indeholder denne afbryder et intelligent driftssystem, en enhed til detektion af fejlstrøm og en signalbehandlingsenhed, hvilket gør det i stand til effektivt at imødekomme de specielle krav til beskyttelse mod fejl i DC-systemer.

​II. Overførselsprincip for DC-afbrydere​
Den centrale udfordring for afbrydere i DC-systemer ligger i buksekvinting. Ifølge bue-teorien kræver buksekvinting et nulpunkt for strømmen. Dog mangler DC-systemer et naturligt nulpunkt for strømmen, hvilket gør buksekvinting ekstremt svær.

​Løsning – Overførselsprincip:​​
Ved introduktion af en modsatrettet strøm i kredsløbet oprettes et kunstigt nulpunkt for strømmen, hvilket giver de nødvendige betingelser for buksekvinting. Det specifikke princip er følgende:

​III. Systemdesign​

​​(1) Overvågningsmodul​
Overvågningsmodulen fungerer som kontrolsignal kilde for det elektroniske driftssystem, hvilket gør det muligt at overvåge ændringer i kredsløbsstrømmen i realtid og give hurtige og præcise reaktioner på strømanomalier.

​Signalbehandlingsflow:​​

• ​Signalforsamling:​​ Strømsignaler indsamles via en shunt med en jordet lavspændingskontakt (for at forhindre højspændingspulsstøj) og ikke-induktiv resistans (for at bevare strømamplitude og -bølgeform).
• ​Signalbehandling:​​ Indsamlede spændingssignaler (små amplituder med højfrekvensstøj) → Filterkredsløb (støjfjernelse) → Isoleringsforstærkningskredsløb (ved hjælp af højpræcision lineær optokoppler HCNR201, primær-side forstærker LM324, sekundær-side forstærker OP07, der fungerer som en DC-transformator) → Prøvetagning og hold → A/D-konvertering → Sendt til SCM.
• ​Fejlreplik:​​ Hvis strømmen overstiger tilladte grænser, udsteder SCM en tripkommando og aktiverer en buzzeralarm.

​​(2) Databehandling af SCM​
​Kriterier for fejlbedømmelse:​​

• Normal drift: Strømstigningshastighed Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, strømværdi I ≤ Iₘₐₓ.
• Kortslutningsfejl: Kᵢ > Kₘₐₓ, og I kan hurtigt overstige Iₘₐₓ.

​Matematisk model og forenklet beregning:​​
Fra ΔU = ΔI · Rբ (shunt resistans),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Fordele:​​ Efter fastsættelse af Δt er kun ΔU mellem to tidspunkter nødvendig for at beregne Kᵢ, hvilket undgår flydende kommaoperationer og reducerer svar_tid signifikant.
​Fejlkriterium:​​ SCM bedømmer en fejl, når Uᵢₙ > Uₘₐₓ eller ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

​​(3) Anti-støjforanstaltninger​
På grund af højspændings- og højstrømmiljøet med stærk elektromagnetisk støj, anvendes en multidimensionel anti-støjdesign:

​​(4) Helhedsstrukturdesign​
​Driftmekanisme – To-stabil magnetmekanisme:​​

• ​Sammensætning:​​ Lukke/åbningsbobiner, permanente magneter, bevægelig jernkjerne (stiplet), beholder.
• ​Driftskredsløb:​​ Bobiner serie-forbundet med forladede kondensatorer (energikilde) og thyristorer danner udtømmingskredsløb.
• ​Handlinger:​​ SCM-signal → forstærket af transistorer → kontrollerer thyristorgater → ved fejl sender SCM åbningsignal → thyristor ledes → kondensator udtømmes gennem åbningsbobin → jernkernen bevæger sig → QF åbnes. Lukning er manuelt kontrolleret via en knap.

​Strømoverførselskredsløb (forbedret struktur):​​

• ​Forbedring:​​ Erstatter sparkgap relæer med vakuumrelæer (QF₂), hvilket reducerer tidsdispersion.
• ​Strukturelle parametre:​​ QF₁ og QF₂ lige langt fra omdrejningspunkt O; armlængder bestemt ud fra specifikke parametre.
• ​Fejlhandling:​​ Permanent magnetmekanisme energiseres → jernkernen bevæger sig ned → QF₁ åbnes, QF₂ lukkes → kondensator C udtømmes → bukestrom i QF₁ krydser nul → bue kvinter.

​IV. Systemeksperiment​

• ​Miljø:​​ Syntetisk kredsløbslaboratorium, Institut for Strømteknologi, Dalian Universitet for Teknologi.
• ​Metode:​​ Lavfrekvens AC-strøm simulerer stigning i DC-kortslutning; modsatrettede strøm introduceret ved maksimal strøm.
• ​Resultater:​​
• Strømbølgeform gennem QF₁ viser, at modsatrettede strøm præcist introduceret ved t₀.
• Modsatrettede strøm tvinger nulpunkt, opnår buksekvinting og afbryder succesfuldt kortslutningsstrøm.

​V. Konklusion​
Eksperimenter viser, at den nye DC-afbryder med elektronisk driftssystem succesfuldt afbryder kortslutningsstrømme i DC-strømforsyningsanlæg, med tilfredsstillende resultater. Denne løsning kan bredt anvendes til kortslutningsbeskyttelse i DC-systemer såsom skibe, metroer, DC-elektrolyse og elektriske ovne.

​Kernegenskaber af systemet:​​

• ​Real-tidsydeevne:​​ SCM-baseret forsamling gør realtidsovervågning mulig med stærk kontrollabilitet og minimal tidsdispersion.
• ​Hurtig respons:​​ Forenklet algoritme undgår flydende kommaoperationer, hvilket reducerer svar_tiden for hurtig fejldetektion.
• ​Pålidelighed:​​ To-stabil permanent magnetmekanisme reducerer mekaniske fejl og forkorter åbnings tid; forbedret struktur sikrer synkronisering mellem afbrydelse og overførselsoperationer.

Den intelligente DC-afbryderløsning, der er præsenteret i dette studie, har høj praktisk værdi og lovende anvendelsesmuligheder, og opfylder den presserende efterspørgsel på intelligente beskyttelsesudstyr i moderne DC-strømsystemer.