Primjena novih prekidnika niskofrekventnog strujnog kruga u zaštiti od kvarova na kratko zatvorenu
I. Uvod
Uz brz napredak moderne informacijske tehnologije, inteligencija postala je glavni trend u razvoju industrijskog opreme. U području visokonaponskog prekidača, inteligentni prekidači - kao ključne kontrolne komponente u električnim sustavima - čine temelj za automatizaciju i inteligenciju u električnim sustavima. Ova studija fokusira se na inteligentni DC prekidač temeljen na tehnologiji jednočipnog mikroprocesora (SCM), naglašavajući njegovu praktičnu primjenu u stvarnom vremenu nadzora struje i prekida grešaka unutar DC napajanja brodova. Pored konvencionalne kamarice za ugasište, ovaj prekidač uključuje inteligentni operativni sustav, jedinicu za otkrivanje greškovite struje i jedinicu za obradu signala, omogućujući mu da efektivno riješi specifične zahtjeve zaštite od grešaka DC sustava.
II. Princip prijenosa struje DC prekidača
Ključni izazov za prekidače u DC sustavima leži u gasenju lukove. Prema teoriji luka, gasenje luka zahtijeva nultočku struje. Međutim, DC sustavi nemaju prirodnu nultočku struje, što čini gasenje luka izuzetno teškim.
Rješenje – Princip prijenosa struje:
Uvođenjem suprotne struje u krug, stvara se umjetna nultočka struje, pružajući nužan uvjet za gasenje luka. Konkretni princip je sljedeći:
|
Stanje kruga |
Funkcija komponente |
Promjena struje i proces gasenja luka |
|
Normalno stanje |
Prekidač QF je zatvoren. |
Visokonaponsko DC napajanje snabdijevaju opterećenje kroz QF, osiguravajući stabilno funkcioniranje kruga. |
|
Stanje greške (kratkospoj A–B) |
1. Struja se brzo povećava (stopa ovisi o L₁, L₂). |
1. Otpuštena struja I₂ protivi originalnoj struji I₁. |
III. Dizajn sustava
(1) Modul nadzora
Modul nadzora služi kao izvor kontalnih signala za elektronički operativni sustav, omogućujući stvarnotrenutni nadzor promjena struje u krugu i pružajući pravovremene i precizne reakcije na anormalnosti struje.
Tok obrade signala:
- Akvizicija signala: Signali struje se prikupljaju putem shunta s zemljenom niskonaponskom stranom (za sprečavanje interferencije visokonaponskih impulsa) i neinduktivnim otporom (za održavanje amplituda i valnih oblika struje).
- Obrada signala: Prihvaćeni signali napon (mala amplituda s visokofrekventnim šumom) → Filtarski krug (uklanjanje šuma) → Izolacijski pojačavajući krug (koristeći visokotocne linearni optokupljač HCNR201, primarni op-amplifikator LM324, sekundarni op-amplifikator OP07, djelujući kao DC transformator) → Uzorkovanje i zadržavanje → A/D pretvorba → Slanje na SCM.
- Reakcija na grešku: Ako struja premaže dopuštene granice, SCM emitira naredbu za prekid i aktivira zvono alarm.
(2) Obrada podataka SCM-om
Kriteriji ocjene greške:
- Normalno funkcioniranje: Stopa porasta struje Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, vrijednost struje I ≤ Iₘₐₓ.
- Kratkospojna greška: Kᵢ > Kₘₐₓ, a I može brzo preći Iₘₐₓ.
Matematički model i pojednostavljeni račun:
Iz ΔU = ΔI · Rբ (shunt otpor),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Prednost: Nakon fiksiranja Δt, potreban je samo ΔU između dva trenutka za izračun Kᵢ, izbjegavajući operacije s pomičnim zarezom i značajno smanjujući vrijeme reakcije.
Kriterij greške: SCM smatra da postoji greška kada je Uᵢₙ > Uₘₐₓ ili ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Mjere za suzbijanje interferencije
Zbog visokonaponskog, visokostrujnog okruženja s jakom elektromagnetskom interferencijom, koristi se višedimenzionalni dizajn za suzbijanje interferencije:
|
Dimenzija suzbijanja interferencije |
Specifične mjere |
Svrha |
|
Ulazni signal |
Izolacija putem linearnog optokupljača HCNR201 |
Izolira kontrolni sustav od visokosnopnih krugova; suzbija interferenciju i povećava sigurnost. |
|
Izlazni signal |
SCM kontrolira optokupljačke prekidače za pokretanje tiristora u otpuštenju kruga |
Osigurava samo vezu signala; spriječava utjecaj visoke struje na kontrolni sustav. |
|
Prekanal signala |
Niskopropusni filtar |
Blokira RF, mrežnu frekvenciju i impulsnih interferenciju; poboljšava pouzdanost. |
|
Softverski nivo |
1. Kompozitni digitalni filtar (medijan + pomična sredina) |
Filtrira šum podataka, osigurava točnost naredbi i spriječava odjek programa. |
(4) Ukupni dizajn strukture
Mehanizam rada – bistabilni trajni magnetni mehanizam:
- Sastav: Zatvarajući/otvarajući cijevi, trajni magneti, pokretno željezno jezgro (ispunjeno crta), kućište.
- Radni krug: Serijski spojeni cijevi s prednapunjenim kondenzatorima (izvor energije) i tiristorima formiraju otpuštenje krugova.
- Proces akcije: Signal SCM-a → pojačan tranzistorima → kontrolira vrata tiristora → tijekom greške, SMC šalje naredbu za otvaranje → tiristor provodi → kondenzator se otpušta kroz otvarajuću cijev → željezno jezgro se pomakne → QF se otvori. Zatvaranje se ručno kontrolira putem prekidača.
Krug prijenosa struje (poboljšana struktura):
- Poboljšanje: Zamjenjuje iskrene prekidače vakuumskim prekidačima (QF₂), smanjujući vremensku disperziju.
- Strukturni parametri: QF₁ i QF₂ su jednako udaljeni od točke O; duljine ramena određuju se na temelju specifičnih parametara.
- Akcija greške: Trajni magnetni mehanizam energizira → željezno jezgro se pomakne prema dolje → QF₁ se otvori, QF₂ se zatvori → kondenzator C se otpušta → struja luka u QF₁ prolazi nultočku → luk gašen.
IV. Eksperiment sustava
- Okruženje: Laboratorij sintetičkih krugova, Institut za elektroniku snaga, Dalian University of Technology.
- Metoda: Niskofrekventna AC struja simulira porast DC kratkospoja; suprotne struje se uvode na vrhu struje.
- Rezultati:
- Valni oblik struje kroz QF₁ pokazuje precizno uvodenje suprotne struje u t₀.
- Suprotne struje prisiljavaju nultočku, postižu gasenje luka i uspješno prekinu struju kratkospoja.
V. Zaključak
Eksperimenti pokazuju da novi DC prekidač s elektroničkim operativnim sustavom uspješno prekida struju kratkospoja u DC napajanjima, s zadovoljavajućim rezultatima. Ovo rješenje može se široko primijeniti u zaštiti od kratkospoja u DC sustavima, poput brodova, metra, DC elektrolize i električnih pećeva.
Ključne značajke sustava:
- Stvarnotrenutna performansa: Akvizicija temeljena na SCM-u omogućuje stvarnotrenutni nadzor s jakom kontrolom i minimalnom vremenskom disperzijom.
- Brza reakcija: Pojednostavljeni algoritmi izbjegavaju operacije s pomičnim zarezom, smanjujući vrijeme reakcije za brzo otkrivanje grešaka.
- Pouzdanost: Bistabilni trajni magnetni mehanizam smanjuje mehaničke propade i skraćuje vrijeme otvaranja; poboljšana struktura osigurava sinkronizaciju između prekida i prijenosa operacija.
Inteligentno rješenje DC prekidača predstavljeno u ovoj studiji nudi visoku praktičnu vrijednost i obilježave perspektive primjene, odgovarajući urgentnoj potrebi za inteligentnim zaštitnim opremama u modernim DC električnim sustavima.
