नए डीसी सर्किट ब्रेकर का शॉर्ट-सर्किट दोष संरक्षण में अनुप्रयोग
I. परिचय
आधुनिक सूचना प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, बुद्धिमत्ता औद्योगिक उपकरणों के विकास का एक प्रमुख रुझान बन गई है। उच्च-वोल्टेज स्विचिंग के क्षेत्र में, बुद्धिमान सर्किट ब्रेकर—विद्युत प्रणालियों में महत्वपूर्ण नियंत्रण घटक—विद्युत प्रणालियों में स्वचालन और बुद्धिमत्ता की आधारशिला बनते हैं। यह अध्ययन एकल-चिप माइक्रोकंप्यूटर (SCM) प्रौद्योगिकी पर आधारित एक बुद्धिमान DC सर्किट ब्रेकर पर केंद्रित है, जो जहाजों की DC विद्युत प्रदान प्रणालियों में वास्तविक समय में धारा निगरानी और दोष रोकथाम के लिए इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग पर जोर देता है। इस सर्किट ब्रेकर में एक पारंपरिक आर्क-मिट्टी चैम्बर के अलावा, एक बुद्धिमान संचालन प्रणाली, दोष धारा निरीक्षण यूनिट, और एक सिग्नल प्रोसेसिंग यूनिट शामिल है, जो इसे DC प्रणाली दोष संरक्षण की विशेष आवश्यकताओं को प्रभावी रूप से संबोधित करने में सक्षम बनाता है।
II. DC सर्किट ब्रेकर का धारा स्थानांतरण सिद्धांत
DC प्रणालियों में सर्किट ब्रेकरों का मुख्य चुनौती आर्क का निर्मोचन है। आर्क सिद्धांत के अनुसार, आर्क को निर्मोचित करने के लिए धारा का शून्य प्रवर्तन आवश्यक होता है। हालांकि, DC प्रणालियों में प्राकृतिक धारा शून्य बिंदु की कमी होती है, जिससे आर्क का निर्मोचन विशेष रूप से कठिन हो जाता है।
समाधान – धारा स्थानांतरण सिद्धांत:
सर्किट में एक विपरीत धारा को प्रवेश देने से एक कृत्रिम धारा शून्य बिंदु बनाया जाता है, जो आर्क के निर्मोचन के लिए आवश्यक स्थिति प्रदान करता है। विशिष्ट सिद्धांत निम्नलिखित है:
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सर्किट की स्थिति |
घटक का संचालन |
धारा परिवर्तन और आर्क निर्मोचन प्रक्रिया |
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सामान्य स्थिति |
सर्किट ब्रेकर QF बंद है। |
उच्च-वोल्टेज DC लोड को QF के माध्यम से विद्युत प्रदान करता है, स्थिर सर्किट संचालन को सुनिश्चित करता है। |
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दोष स्थिति (A–B शॉर्ट) |
1. धारा तेजी से बढ़ती है (दर L₁, L₂ पर निर्भर करती है)। |
1. डिस्चार्ज धारा I₂ मूल धारा I₁ के विपरीत होती है। |
III. प्रणाली डिजाइन
(1) निगरानी मॉड्यूल
निगरानी मॉड्यूल इलेक्ट्रॉनिक संचालन प्रणाली के लिए नियंत्रण सिग्नल स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो सर्किट धारा परिवर्तनों की वास्तविक समय में निगरानी करने और धारा असामान्यताओं के लिए समय पर और सटीक प्रतिक्रिया प्रदान करने में सक्षम है।
सिग्नल प्रोसेसिंग प्रवाह:
- सिग्नल अधिग्रहण: धारा सिग्नल शंट के माध्यम से एक ग्राउंड किया गया निम्न-वोल्टेज टर्मिनल (उच्च-वोल्टेज पल्स हस्तक्षेप को रोकने के लिए) और गैर-इंडक्टिव रेजिस्टेंस (धारा एम्प्लीट्यूड और वेवफॉर्म को संरक्षित करने के लिए) के माध्यम से एकत्र किए जाते हैं।
- सिग्नल प्रोसेसिंग: प्राप्त वोल्टेज सिग्नल (छोटी एम्प्लीट्यूड और उच्च-आवृत्ति शोर) → फिल्टर सर्किट (शोर हटाना) → अलगाव आवर्धन सर्किट (उच्च-प्रिसिजन लाइनर ऑप्टोकूपलर HCNR201, प्राथमिक-साइड ऑप-एम्प LM324, द्वितीयक-साइड ऑप-एम्प OP07, जो एक DC ट्रांसफॉर्मर के रूप में कार्य करते हैं) → सैंपल और होल्ड → A/D कन्वर्जन → SCM को भेजा जाता है।
- दोष प्रतिक्रिया: यदि धारा स्वीकार्य सीमा से अधिक हो, तो SCM एक ट्रिप कमांड जारी करता है और बजर अलार्म ट्रिगर करता है।
(2) SCM द्वारा डेटा प्रोसेसिंग
दोष निर्णय मानदंड:
- सामान्य संचालन: धारा वृद्धि दर Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, धारा मान I ≤ Iₘₐₓ।
- शॉर्ट-सर्किट दोष: Kᵢ > Kₘₐₓ, और I तेजी से Iₘₐₓ से अधिक हो सकता है।
गणितीय मॉडल और सरलीकृत गणना:
ΔU = ΔI · Rբ (शंट रेजिस्टेंस),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ)।
लाभ: Δt को ठीक करने के बाद, केवल दो क्षणों के बीच ΔU की आवश्यकता होती है Kᵢ की गणना करने के लिए, जो फ्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशनों को बचाती है और प्रतिक्रिया समय में विशेष रूप से कमी लाती है।
दोष मानदंड: जब Uᵢₙ > Uₘₐₓ या ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ, तो SCM दोष निर्णय करता है।
(3) हस्तक्षेप रोधी उपाय
उच्च-वोल्टेज, उच्च-धारा वातावरण में शक्तिशाली इलेक्ट्रोमैग्नेटिक हस्तक्षेप के कारण, बहु-आयामी हस्तक्षेप रोधी डिजाइन अपनाया जाता है:
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हस्तक्षेप रोधी आयाम |
विशिष्ट उपाय |
उद्देश्य |
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इनपुट सिग्नल |
लाइनर ऑप्टोकूपलर HCNR201 द्वारा अलगाव |
नियंत्रण प्रणाली को उच्च-शक्ति सर्किट से अलग करता है; हस्तक्षेप को दबाता है और सुरक्षा को बढ़ाता है। |
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सिग्नल आउटपुट |
SCM ऑप्टोकूपलर स्विचों को नियंत्रित करता है डिस्चार्ज सर्किट में थायरिस्टर को ड्राइव करने के लिए |
केवल सिग्नल कनेक्शन को सुनिश्चित करता है; नियंत्रण प्रणाली पर उच्च-धारा के प्रभाव से बचाता है। |
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सिग्नल प्री-चैनल |
निम्न-पास फिल्टर सर्किट |
RF, पावर फ्रिक्वेंसी, और पल्स हस्तक्षेप को रोकता है; विश्वसनीयता को बढ़ाता है। |
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सॉफ्टवेयर स्तर |
1. संयुक्त डिजिटल फिल्टरिंग (मध्य + गतिशील औसत) |
डेटा शोर को फिल्टर करता है, कमांडों की सटीकता सुनिश्चित करता है, और प्रोग्राम भागने से रोकता है। |
(4) समग्र संरचनात्मक डिजाइन
संचालन मैकेनिज्म – द्विस्थितिक नित्यचुम्बकीय मैकेनिज्म:
- संरचना: बंद/खुलने के कोइल, नित्यचुम्बक, गतिशील लोहे का कोर (डैशड), आवरण।
- संचालन सर्किट:
- कार्य प्रक्रिया: SCM सिग्नल → ट्रांजिस्टर द्वारा आवर्धित → थायरिस्टर गेट नियंत्रित → दोष के दौरान, SMC खुलने का सिग्नल भेजता है → थायरिस्टर चालू होता है → कैपेसिटर खुलने के कोइल के माध्यम से डिस्चार्ज होता है → लोहे का कोर चलता है → QF खुलता है। बंद करना मैनुअल स्विच द्वारा नियंत्रित होता है।
धारा स्थानांतरण सर्किट (सुधारित संरचना):
- सुधार: चिंगारी अंतराल स्विचों को वैक्यूम स्विच (QF₂) से बदल दिया जाता है, समय विकीर्णता को कम करता है।
- संरचनात्मक पैरामीटर: QF₁ और QF₂ दोनों O के बिंदु से समान दूरी पर होते हैं; बाहुओं की लंबाई विशिष्ट पैरामीटरों पर आधारित होती है।
- दोष कार्य: नित्यचुम्बकीय मैकेनिज्म ऊर्जा देता है → लोहे का कोर नीचे चलता है → QF₁ खुलता है, QF₂ बंद होता है → कैपेसिटर C डिस्चार्ज होता है → QF₁ में आर्क धारा शून्य प्रवर्तन पर पहुंचती है → आर्क निर्मोचित होता है।
IV. प्रणाली प्रयोग
- वातावरण: संश्लेषित सर्किट प्रयोगशाला, विद्युत प्रौद्योगिकी संस्थान, डालियन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी।
- विधि: निम्न-आवृत्ति AC धारा DC शॉर्ट-सर्किट वृद्धि की नकल करती है; शिखर धारा पर विपरीत धारा प्रवेश दी जाती है।
- परिणाम:
- QF₁ के माध्यम से धारा वेवफॉर्म t₀ पर विपरीत धारा को सटीक रूप से प्रवेश दिया जाता है।
- विपरीत धारा शून्य प्रवर्तन पर ले जाती है, आर्क निर्मोचित होता है, और शॉर्ट-सर्किट धारा को सफलतापूर्वक रोक देती है।
V. निष्कर्ष
प्रयोग दिखाते हैं कि इलेक्ट्रॉनिक संचालन प्रणाली से युक्त नया DC सर्किट ब्रेकर DC विद्युत प्रदान प्रणालियों में शॉर्ट-सर्किट धारा को सफलतापूर्वक रोकता है, जिसके परिणाम संतोषजनक हैं। यह समाधान जहाज, मेट्रो, DC इलेक्ट्रोलिसिस, और इलेक्ट्रिक फर्नेस जैसी DC प्रणालियों के लिए शॉर्ट-सर्किट संरक्षण में व्यापक रूप से लागू किया जा सकता है।
मुख्य प्रणाली की विशेषताएं:
- वास्तविक समय की क्षमता: SCM-आधारित अधिग्रहण वास्तविक समय में निगरानी की अनुमति देता है, जिससे मजबूत नियंत्रण और न्यूनतम समय विकीर्णता होती है।
- त्वरित प्रतिक्रिया: सरलीकृत एल्गोरिदम फ्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशनों से बचाते हैं, प्रतिक्रिया समय को कम करते हैं, और त्वरित दोष निर्णय करते हैं।
- विश्वसनीयता: द्विस्थितिक नित्यचुम्बकीय मैकेनिज्म मेकेनिकल फेलर को कम करता है और खुलने का समय कम करता है; सुधारित संरचना रोकथाम और स्थानांतरण कार्यों के बीच संकेंद्रितता को सुनिश्चित करती है।
इस अध्ययन में प्रस्तुत बुद्धिमान DC सर्किट ब्रेकर समाधान उच्च व्यावहारिक मूल्य और आशाजनक अनुप्रयोग की प्रतिक्षा का दर्शन करता है, जो आधुनिक DC विद्युत प्रणालियों में बुद्धिमान संरक्षण उपकरणों की आवश्यकता को पूरा करता है।
