Paggamit ng Bagong DC Circuit Breakers sa Proteksyon sa Short-Circuit Fault
I. Pagkakaroon
Sa mabilis na pag-unlad ng modernong teknolohiya ng impormasyon, ang katalinuhan ay naging pangunahing trend sa pag-unlad ng 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, 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 intelligent operating system, fault current detection unit, at signal processing unit, na nagbibigay-daan nito upang makapagtugon nang epektibo sa 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 arc extinction. Ayon sa teorya ng ark, ang pag-extinguish ng ark ay nangangailangan ng current zero-crossing point. Gayunpaman, ang DC systems ay walang natural na current zero point, kaya napakahirap ang arc extinction.
Solusyon – Prinsipyong Pagsasalin ng Kuryente:
Sa pamamagitan ng pagpapakilala ng reverse current sa circuit, nililikha ang artipisyal na current zero point, na nagbibigay ng kinakailangang kondisyon para sa arc extinction. Ang espesipiko na prinsipyo ay sumusunod:
|
Kondisyon ng Circuit |
Paggana ng Komponente |
Pagbabago ng Kuryente at Proseso ng Arc Extinction |
|
Normal na Kondisyon |
Nasarado ang circuit breaker QF. |
Ang mataas na bolteheng DC power ay nagbibigay ng kuryente sa load sa pamamagitan ng QF, na nagpapatibay ng estableng operasyon ng circuit. |
|
Fault State (A–B short) |
1. Tumataas ang kuryente nang mabilis (rate depende sa L₁, L₂). |
1. Ang discharge current I₂ ay kontra sa orihinal na current I₁. |
III. disenyo ng Sistema
(1) Monitoring Module
Ang monitoring module ay nagsisilbing pinagmulan ng control signal para sa electronic operating system, nagbibigay-diin 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: Ang mga current signals ay ina-acquire sa pamamagitan ng shunt na may grounded low-voltage terminal (upang iwasan ang high-voltage pulse interference) at non-inductive resistance (upang panatilihin ang amplitude at waveform ng kuryente).
- Signal Processing: Nakuhang 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, gumagampan bilang DC transformer) → Sample and hold → A/D conversion → Ipadala sa SCM.
- Fault Response: Kung ang kuryente ay lumampas sa pinahihintulutang limit, ang SCM ay nag-iissue ng trip command at nag-trigger ng buzzer alarm.
(2) Data Processing by SCM
Mga Kriteryo ng Fault Judgment:
- Normal na operasyon: Current rise rate Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, halaga ng kuryente I ≤ Iₘₐₓ.
- Short-circuit fault: Kᵢ > Kₘₐₓ, at maaaring lumampas ang I sa Iₘₐₓ nang mabilis.
Mathematical Model at Simplified Calculation:
Mula ΔU = ΔI · Rբ (shunt resistance),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Advantage: Pagkatapos itakda ang Δt, kailangan lamang ang ΔU sa pagitan ng dalawang sandali upang makalkula ang Kᵢ, na iwas sa floating-point operations at malaki ang pagbawas ng response time.
Fault Criterion: Ina-assess ng SCM ang fault kapag Uᵢₙ > Uₘₐₓ o ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Mga Anti-Interference Measures
Dahil sa mataas na boltehen, mataas na kuryente na kalikasan na may malakas na electromagnetic interference, ina-adopt ang multi-dimensional anti-interference design:
|
Anti-Interference Dimension |
Espesipikong Mga Hakbang |
Layunin |
|
Input Signal |
Isolation via linear optocoupler HCNR201 |
Isolates control system mula sa high-power circuits; suppresses interference at nagpapataas ng seguridad. |
|
Signal Output |
SCM controls optocoupler switches upang mag-drive ng thyristors sa discharge circuit |
Ensures only signal connection; prevents high-current effects on control system. |
|
Signal Pre-Channel |
Low-pass filter circuit |
Blocks RF, power frequency, at pulse interference; improves reliability. |
|
Software Level |
1. Composite digital filtering (median + moving average) |
Filters data noise, ensures command accuracy, and prevents 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: Coils series-connected with pre-charged capacitors (energy source) at thyristors form 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. Closing is manually controlled via a switch.
Current Transfer Circuit (Improved Structure):
- Improvement: Replaces spark gap switches with vacuum switches (QF₂), reducing time dispersion.
- Structural Parameters: QF₁ at QF₂ equidistant from pivot O; arm lengths determined based on specific parameters.
- Fault Action: Permanent magnet mechanism energizes → iron core moves down → QF₁ opens, QF₂ closes → capacitor C discharges → arc current in QF₁ crosses zero → arc extinguishes.
IV. System Experiment
- Environment: Synthetic Circuit Laboratory, Institute of Power Electronics, Dalian University of Technology.
- Method: Low-frequency AC current simulates DC short-circuit rise; reverse current introduced at peak current.
- Results:
- Ang waveform ng kuryente sa pamamagitan ng QF₁ ay nagpapakita ng reverse current na maipapakilala nang tumpak sa t₀.
- Ang reverse current ay pilit na pinapalampas ang zero-crossing, nag-eextinguish ng ark, at matagumpay na nag-iinterrupt ng short-circuit current.
V. Conclusion
Ang mga eksperimento ay nagpapakita na ang bagong DC circuit breaker na may electronic operating system ay matagumpay na nag-iinterrupt ng short-circuit currents sa DC power supply systems, na may sapat na resulta. Ang solusyong ito ay maaaring malaganap na gamitin sa short-circuit protection para sa DC systems tulad ng mga barko, subways, DC electrolysis, at electric furnaces.
Core System Features:
- Real-Time Performance: SCM-based acquisition enables real-time monitoring with strong controllability and minimal time dispersion.
- Rapid Response: Simplified algorithms avoid floating-point operations, reducing response time for quick fault detection.
- Reliability: Bistable permanent magnet mechanism reduces mechanical failures and shortens opening time; improved structure ensures synchronization between interruption and 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 application prospects, na sumasagot sa urgent na pangangailangan para sa intelligent protection equipment sa modernong DC power systems.
