Uusien suoravirtasulkeuttimien soveltaminen lyhytsulkuvarojen suojaamiseen
I. Johdanto
Nykyisen informaatioteknologian nopean kehityksen myötä älykkyydestä on tullut merkittävä trendi teollisuuslaitteiden kehityksessä. Korkeajännitevaihtokytkimien alalla älykkäät sähkökytkimet—jotka ovat kriittisiä ohjauskomponentteja sähköverkoissa—muodostavat perustan automaatioille ja älykkyydelle sähköverkoissa. Tämä tutkimus keskittyy SCM-teknologiaan pohjautuvaan älykkääseen suorajännitekytkimeen, korostamalla sen käytännön soveltamista reaaliaikaiseen virran valvontaan ja sijaisvirran keskeyttämiseen laivojen suorajänniteverkoissa. Lisäksi perinteiselle arkuinhousulle tämä kytkin sisältää älykkään toimintajärjestelmän, sijaisvirran havaintoyksikön ja signaalinkäsittelyyksikön, mikä mahdollistaa tehokkaan vastauksen erityistarpeisiin suorajänniteverkon suojassa.
II. Suorajännitekytkimen virran siirtoperiaate
Suorajänniteverkossa kytkimillä on ydinongelmana arkuinhousun poisto. Arkuinhousuteorian mukaan arkun poistamiseen tarvitaan virran nollakulmapiste. Kuitenkin suorajänniteverkossa ei ole luonnollista virran nollakulmapistettä, mikä tekee arkuinhousun poistamisesta erityisen vaikeaa.
Ratkaisu – Virransiirtoperiaate:
Käänteisen virran tuominen piiriin luo teoreettisen virran nollakulmapisteen, mikä tarjoaa edellytyksen arkuinhousun poistamiselle. Tarkemmin periaate on seuraava:
|
Piirin tila |
Komponenttien toiminta |
Virran muutos ja arkuinhousun poistuminen |
|
Normaali tila |
Kytkin QF on suljettu. |
Korkeajännite suorajännite tarjoaa kuormituksen QF:n kautta, varmistamalla vakauden piirissä. |
|
Sijaisvirran tila (A–B lyhyys) |
1. Virra kasvaa nopeasti (nopeus riippuu L₁, L₂). |
1. Purkautumisvirra I₂ vastustaa alkuperäistä virran I₁. |
III. Järjestelmän suunnittelu
(1) Valvontaosa
Valvontaosa toimii elektronisen toimintajärjestelmän ohjaussignaalin lähteenä, mahdollistaen reaaliaikaisen valvonnan piirivirran muutoksia ja tarjoamalla ajankohtaista, tarkkaa vastausta virran epämuodostumisiin.
Signaalinkäsittelyn kulku:
- Signaalien kerääminen: Virrasignaalit kerätään shuntin kautta, jolla on maanjäristetty matalajännite (estää korkeajännitepulssihäiriöt) ja ei-induktiivinen vastus (säilyttää virran amplitudin ja aaltomuodon).
- Signaalien käsittely: Kerätyt jännitesignaalit (pienet amplitudit korkean taajuuden häiriöineen) → Suodatuspiiri (häiriöiden poisto) → Erillisammplifiointipiiri (käyttäen tarkkaa lineaarista optokuplia HCNR201, ensimmäisen asteen op-amp LM324, toisen asteen op-amp OP07, toimii DC-muuntajana) → Otos ja pitäminen → A/D-muunnos → Lähetetään SCM:lle.
- Sijaisvirran vastaus: Jos virra ylittää sallitut rajat, SCM lähettää avaussignaalin ja aktivoi hälytysmerkin.
(2) SCM:n datankäsittely
Sijaisvirran osoitusperusteet:
- Normaali toiminta: Virran nousunopeus Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, virran arvo I ≤ Iₘₐₓ.
- Lyhyysvirhe: Kᵢ > Kₘₐₓ, ja I voi ylittää Iₘₐₓ nopeasti.
Matemaattinen malli ja yksinkertaistettu laskenta:
ΔU = ΔI · Rբ (shuntin vastus),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Etu: Kun Δt on kiinteä, vain ΔU kahden hetken välillä tarvitaan Kᵢ:n laskemiseksi, välttäen liukulukuoperaatiot ja vähentäen huomattavasti vastausaikaa.
Sijaisvirran osoiteperuste: SCM todistaa sijaisvirran, kun Uᵢₙ > Uₘₐₓ tai ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Häiriösuojatoimenpiteet
Korkeajännite- ja -virtaympäristössä voimakkailla sähkömagneettisilla häiriöillä käytetään monipuolista häiriösuojasuunnittelua:
|
Häiriösuojan ulottuvuus |
Tarkemmat toimenpiteet |
Tarkoitus |
|
Signaalien syöttö |
Erillisyyden saavuttaminen lineaarisella optokupilla HCNR201 |
Erillistää ohjausjärjestelmän korkeatehoisista piireistä; vähentää häiriöitä ja parantaa turvallisuutta. |
|
Signaalien ulostulo |
SCM hallitsee optokuplien kytkimiä purkautumispiirin thyristoreiden ohjaamiseksi |
Varmistaa vain signaalien yhteyden; estää korkeavirta-vaikutukset ohjausjärjestelmään. |
|
Signaalien ennakkoprosessointikanava |
Matalataajuussuodatuspiiri |
Estää RF-, virtataso- ja pulssihäiriöt; parantaa luotettavuutta. |
|
Ohjelmistotasolla |
1. Yhdistetty digitaalinen suodatus (mediaani + liukuväkymä) |
Suodattaa datahäiriöt, varmistaa komennon tarkkuuden ja estää ohjelman harha-asentoja. |
(4) Kokonaisrakenteen suunnittelu
Toimintamekanismi – Bistabiili pysyvämagneettinen mekanismi:
- Kokoonpano: Suljetus-/avauskytkimet, pysyvämagneetit, liikkuv rautaydin (katkoviiva), kotelot.
- Toimintapiiri: Kytkimet sarjapainotteet esiladattujen kondensaattorien (energialähteet) ja thyristoreiden kanssa muodostavat purkautumispiirit.
- Toimintaprosessi: SCM-signaali → amplifioituna transistorien kautta → hallitsee thyristorien portteja → sijaisvirran aikana, SCM lähettää avaussignaalin → thyristori johtaa → kondensaattori purkautuu avauskytkimen kautta → rautaydin liikkuu → QF avautuu. Suljetus tapahtuu manuaalisesti kytkimen kautta.
Virransiirtopiiri (parannettu rakenne):
- Parannus: Korvaa sparkgap-kytkimet tyhjiökytkimillä (QF₂), vähentäen ajan hajontaa.
- Rakenteelliset parametrit: QF₁ ja QF₂ ovat yhtä kaukana kiintopisteen O:sta; käsivarren pituudet määritellään tarkoitetuilla parametreilla.
- Sijaisvirran toiminta: Pysyvämagneettinen mekanismi energisoituu → rautaydin liikkuu alas → QF₁ avautuu, QF₂ sulkeutuu → kondensaattori C purkautuu → arkuinhousu QF₁:n kautta leikkaa nollakulman → arkuinhousu poistuu.
IV. Järjestelmän koe
- Ympäristö: Synteesipiirojen laboratorio, Dalian University of Technology:n sähkötekniikan instituutissa.
- Menetelmä: Matalataajuinen vaihtovirta simuloi suorajänniteen lyhyysvirran nousua; käänteinen virra tuodaan huippuvirran aikana.
- Tulokset:
- QF₁:n kautta kulkevan virran aalto muodostaa käänteisen virran tarkasti hetkellä t₀.
- Käänteinen virra pakottaa nollakulman, saavuttaa arkuinhousun poiston ja keskeyttää onnistuneesti lyhyysvirran.
V. Johtopäätös
Kokeet osoittavat, että uusi suorajännitekytkin elektronisella toimintajärjestelmällä onnistuu keskeyttämään suorajänniteverkon lyhyysvirrat, tulokset olivat tyydyttäviä. Tämä ratkaisu voidaan laajasti soveltaa suorajänniteverkkojen, kuten laivojen, metrotien, suorajännitteen sähkölyydytys- ja sähköuunien, lyhyysviransuojaksi.
Järjestelmän ydinominaisuudet:
- Reaaliaikainen toiminta: SCM-pohjainen keräys mahdollistaa reaaliaikaisen valvonnan vahvalla ohjaamiskyvyn ja pienellä ajan hajonnalla.
- Nopea reaktio: Yksinkertaiset algoritmit välttävät liukulukuoperaatiot, vähentäen vastausaikaa nopean sijaisvirran havaitsemiseksi.
- Luotettavuus: Bistabiili pysyvämagneettinen mekanismi vähentää mekaanisia vikoja ja lyhentää avausaikaa; parannettu rakenne varmistaa synkronisoinnin keskeyttämisen ja siirtämisen välillä.
Tämä tutkimuksessa esitelty älykkään suorajännitekytkimen ratkaisu tarjoaa korkean käytännön arvon ja lupaavia sovellusmahdollisuuksia, vastaten nykyaikaisissa suorajänniteverkoissa älykkäälle suojalaitteelle olevaa kiireellistä tarvetta.
