Aplicación de novos interruptores de corrente directa na protección contra fallos de curto circuito

I. Introdución
Coa rápida avance da tecnoloxía de información moderna, a intelixencia converteuse nunha tendencia importante no desenvolvemento do equipamento industrial. No campo dos interruptores de alta tensión, os interruptores de circuito intelixentes — como compoñentes de control críticos nos sistemas de enerxía eléctrica — forman a base para a automatización e a intelixencia nos sistemas de enerxía eléctrica. Este estudo centrase nun interruptor de circuito DC intelixente baseado na tecnoloxía de microcontroladores (SCM), enfatizando a súa aplicación práctica no monitorizado en tempo real da corrente e na interrupción de fallos nos sistemas de alimentación DC de bordo. Alemá dunha cámara convencional de extinción de arcos, este interruptor de circuito incorpora un sistema operativo intelixente, unha unidade de detección de corrente de fallo e unha unidade de procesamento de sinais, permitindo que aborde eficazmente os requisitos especiais da protección contra fallos nos sistemas DC.

II. Principio de Transferencia de Corrente dos Interruptores de Circuito DC
O desafío central para os interruptores de circuito nos sistemas DC atópase na extinción de arcos. Segundo a teoría do arco, extinguir un arco require un punto de paso por cero da corrente. Pero, os sistemas DC carecen dun punto natural de paso por cero, facendo que a extinción de arcos sexa extremadamente difícil.

Solución – Principio de Transferencia de Corrente:
Introducindo unha corrente inversa no circuito, crea un punto de paso por cero artificial, proporcionando a condición necesaria para a extinción de arcos. O principio específico é o seguinte:

Estado do Circuíto	Operación do Componente	Cambio de Corrente e Proceso de Extinción de Arco
Estado Normal	O interruptor de circuito QF está pechado.	A enerxía DC de alta tensión alimenta a carga a través de QF, asegurando un funcionamento estable do circuito.
Estado de Fallo (curto-circuíto A–B)	1. A corrente aumenta rapidamente (a taxa depende de L₁, L₂). 2. Ao detectar o fallo, o mecanismo abre os contactos de QF, xerando un arco. 3. O conmutador S pecha, descargando o capacitor C a través do interruptor.	1. A corrente de descarga I₂ opónse á corrente orixinal I₁. 2. I₂ forza a I₁ a cruzar cero. 3. O arco en QF extingúese no punto de paso por cero da corrente.

III. Diseño do Sistema

(1) Módulo de Monitorización
O módulo de monitorización actúa como fonte de sinais de control para o sistema operativo electrónico, permitindo o monitorizado en tempo real dos cambios de corrente no circuito e proporcionando respostas oportunas e precisas a anormalidades de corrente.

Fluxo de Procesamento de Sinais:

Adquisición de Sinais: Os sinais de corrente recóllense a través dun derivador con un terminal de baixa tensión terra (para evitar interferencias de pulsos de alta tensión) e resistencia non inductiva (para preservar a amplitud e a forma de onda da corrente).
Procesamento de Sinais: Sinais de voltaxe adquiridos (baixa amplitud con ruido de alta frecuencia) → Circuíto filtro (eliminación de ruido) → Circuíto de amplificación de isolamento (usando o optacoplador lineal de alta precisión HCNR201, amplificador operacional primario LM324, amplificador operacional secundario OP07, actuando como transformador DC) → Muestra e mantén → Conversión A/D → Enviado ao SCM.
Resposta a Fallos: Se a corrente excede os límites permitidos, o SCM emite un comando de apertura e activa unha alarma de buzzer.

(2) Procesamento de Datos polo SCM
Criterios de Xuízo de Fallos:

Funcionamento normal: Taxa de subida da corrente Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, valor da corrente I ≤ Iₘₐₓ.
Fallo de curto-circuíto: Kᵢ > Kₘₐₓ, e I pode superar rapidamente Iₘₐₓ.

Modelo Matemático e Cálculo Simplificado:
De ΔU = ΔI · Rբ (resistencia do derivador),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Vantaxe: Despois de fixar Δt, só se necesita ΔU entre dous momentos para calcular Kᵢ, evitando as operacións de coma flotante e reducindo significativamente o tempo de resposta.
Criterio de Fallo: O SCM xuíga un fallo cando Uᵢₙ > Uₘₐₓ ou ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

(3) Medidas Anti-Interferencia
Debido ao ambiente de alta tensión e alta corrente con forte interferencia electromagnética, adoptouse un deseño anti-interferencia multidimensional:

Dimensión Anti-Interferencia	Medidas Específicas	Obxectivo
Sinal de Entrada	Isolación mediante optacoplador lineal HCNR201	Isola o sistema de control dos circuitos de alta potencia; suprime a interferencia e mellora a seguridade.
Sinal de Saída	SCM controla os conmutadores optacoplados para accionar tiristores no circuito de descarga	Asegura só a conexión de sinais; previne os efectos de alta corrente no sistema de control.
Canle Previa do Sinal	Circuíto filtro de baixas frecuencias	Bloquea a interferencia RF, de frecuencia de rede e de pulsos; mellora a fiabilidade.
Nivel de Software	1. Filtrado digital composto (mediana + media móbil) 2. Comandos críticos redundantes 3. Trampas de software + manejo de interferencia	Filtra o ruído de datos, asegura a precisión dos comandos e previne a fuga do programa.

(4) Diseño Estructural Xeral
Mecanismo Operativo – Mecanismo de Imán Permanente Bistable:

Composición: Bobinas de pechado/abertura, imás permanentes, núcleo de ferro móvil (en trazos), carcasa.
Circuíto Operativo: As bobinas están conectadas en serie con capacitores pre-cargados (fonte de enerxía) e tiristores formando circuitos de descarga.
Proceso de Acción: Sinal do SCM → amplificado por transistores → controla as portas dos tiristores → durante o fallo, o SMC envía un sinal de apertura → o tiristor conduz → o capacitor descarga a través da bobina de apertura → o núcleo de ferro move → QF abre. O pechado controlase manualmente mediante un conmutador.

Circuíto de Transferencia de Corrente (Estructura Melorada):

Melora: Substitúen-se os conmutadores de brecha de chispa por conmutadores de vacío (QF₂), reducindo a dispersión temporal.
Parámetros Estructurais: QF₁ e QF₂ equidistantes do pivote O; as lonxitudes dos brazos determinanse segundo parámetros específicos.
Acción de Fallo: O mecanismo de imán permanente energiza → o núcleo de ferro move cara abaixo → QF₁ abre, QF₂ pecha → o capacitor C descarga → a corrente de arco en QF₁ cruza cero → o arco extingúese.

IV. Experiencia do Sistema

Entorno: Laboratorio de Circuitos Sintéticos, Instituto de Electrónica de Potencia, Universidade de Tecnoloxía de Dalian.
Método: A corrente AC de baixa frecuencia simula a subida de corrente de curto-circuíto DC; introducise unha corrente inversa no pico de corrente.
Resultados:

A forma de onda de corrente a través de QF₁ mostra que a corrente inversa introduceuse precisamente en t₀.
A corrente inversa forza o paso por cero, logra a extinción do arco e interrompe correctamente a corrente de curto-circuíto.

V. Conclusión
As experiencias demostran que o novo interruptor de circuito DC co sistema operativo electrónico interrompe satisfactoriamente as correntes de curto-circuíto nos sistemas de alimentación DC, con resultados satisfactorios. Esta solución pode aplicarse ampliamente na protección contra curtos-circuitos en sistemas DC como barcos, metros, electrolisis DC e fornos eléctricos.

Características Principais do Sistema:

Rendemento en Tempo Real: A adquisición baseada en SCM permite o monitorizado en tempo real con forte controlabilidade e mínima dispersión temporal.
Resposta Rápida: Algoritmos simplificados evitan as operacións de coma flotante, reducindo o tempo de resposta para a rápida detección de fallos.
Fiabilidade: O mecanismo de imán permanente bistable reduce as fallas mecánicas e acorta o tempo de apertura; a estrutura mellorada asegura a sincronización entre as operacións de interrupción e transferencia.

A solución de interruptor de circuito DC intelixente presentada neste estudo ofrece un alto valor práctico e prometedores horizontes de aplicación, satisfacendo a demanda urgente de equipos de protección intelixentes nos sistemas de enerxía DC modernos.

09/05/2025

Recomendado

Máis