Új DC áramkör-törések alkalmazása rövidzárló hibavédelemben
I. Bevezetés
A modern információs technológiák gyors fejlődésével az intelligencia a berendezések fejlesztésének egyik fő irányzata vált. A nagyfeszültségű kapcsolók területén az intelligens átkapcsolók – mint a villamos energiahálózatok kulcsfontosságú ellenőrző komponensei – alapvető szerepet játszanak a hálózatok automatizálásában és intelligensítésében. Ez a tanulmány egy egyszerű mikroprocesszor (SCM) alapú intelligens DC átkapcsolóról szól, különös tekintettel annak gyakorlati alkalmazására valós idejű áramfigyelés és hiba megszakítás céljából hajómeghajtó DC ellátási rendszerekben. A hagyományos tűzoltókamérán túl ez az átkapcsoló egy intelligens működő rendszert, hibákat érzékelő egységet és jel feldolgozó egységet is tartalmaz, amely lehetővé teszi, hogy hatékonyan kezelje a DC rendszer hibavédelmi speciális követelményeit.
II. DC Átkapcsolók Áramátviteli Elv
Az átkapcsolók legfőbb kihívása a DC rendszerekben a tűzoltás. A tűzoltási elmélet szerint a tűzoltáshoz szükség van egy áramerősség nullapontjára. Azonban a DC rendszerek nem rendelkeznek természetes nullaponttal, így a tűzoltás különösen nehéz feladat.
Megoldás – Az Áramátviteli Elv:
A tűzoltáshoz szükséges feltétel biztosítása érdekében bevezetünk egy ellenirányú áramot a körbe, amely artificiális áramerősség nullapontot hoz létre. A konkrét elv a következő:
|
Kör Állapota |
Alkatrészek Működése |
Áramváltozás és Tűzoltási Folyamat |
|
Normális Állapot |
A QF átkapcsoló zárva van. |
A magasfeszültségű DC energia a QF-n keresztül ellátja a terhelést, biztosítva a kör stabilitását. |
|
Hibás Állapot (A–B rövidzárlat) |
1. Az áramerősség gyorsan növekszik (a sebesség L₁, L₂-től függ). |
1. A kitöltő áram I₂ ellenkező irányba halad, mint az eredeti áram I₁. |
III. Rendszerterv
(1) Figyelő Modul
A figyelő modul az elektronikus működő rendszer vezérlő jelek forrása, lehetővé téve a kör áramerőssége változásainak valós idejű monitorozását, és időben, pontosan reagál a jelenlegi anomáliákra.
Jel Feldolgozási Folyamat:
- Jel Gyűjtés: Az áramerősség jelét shunt segítségével gyűjtik, ahol a nyalásterméken keresztül van a low-voltage vég (a nagyfeszültségű impulzusok interférenciájának elkerülése érdekében) és nem induktív ellenállás (az áramerősség amplitúdója és hullámképe megmarad).
- Jel Feldolgozás: Az elővett feszültség jel (kis amplitúdóval, magasfrekvenciás zajjal) → Szűrőkör (zaj eltávolítása) → Elszakító amplifikációs kör (magas pontosságú lineáris optokupler HCNR201, első oldali op-amp LM324, második oldali op-amp OP07, mint DC transzformátor) → Mintavétel és tartalom → A/D konverzió → Küldés az SCM-hez.
- Hiba Reakció: Ha az áramerősség meghaladja a megengedett határt, az SCM trip parancsot ad ki, és aktiválja a csengőt.
(2) Adatfeldolgozás az SCM-ben
Hiba Értékelési Kritériumok:
- Normál működés: Az áramerősség növekedési sebessége Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, az áramerősség értéke I ≤ Iₘₐₓ.
- Rövidzárlat hiba: Kᵢ > Kₘₐₓ, és az I gyorsan meghaladhatja az Iₘₐₓ-ot.
Matematikai Modell és Egyszerűsített Számítás:
A ΔU = ΔI · Rբ (shunt ellenállás),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Előny: A Δt fix után csak két pillanat közötti ΔU szükséges a Kᵢ kiszámításához, ami a lebegőpontos műveleteket elkerüli, és jelentősen csökkenti a válaszidőt.
Hiba Kritérium: Az SCM hibát értékel, ha Uᵢₙ > Uₘₐₓ vagy ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Zavarmentesítő intézkedések
A nagyfeszültségű, nagy áramerősségű környezetben, ahol erős elektromágneses interferencia van, többdimenziós zavarmentesítő tervezést alkalmaznak:
|
Zavarmentesítés Dimenziója |
Konkrét Intézkedések |
Cél |
|
Bemeneti Jel |
Lineáris optokupler (HCNR201) segítségével történő izoláció |
Izolálja a vezérlő rendszert a nagy teljesítményű körökkel; minimalizálja a zavarokat, és javítja a biztonságot. |
|
Jel Kimenet |
Az SCM optokupler kapcsolókat vezérli a kitöltő kör thyristorainak indításához |
Csak jelkapcsolat biztosítása; megelőzi a nagy áramerősség hatásait a vezérlő rendszerre. |
|
Jel Előcsatorna |
Alacsony átviteli szűrőkör |
Letiltja a rádiófrekvenciás, hőmérsékleti és impulzus zavarokat; javítja a megbízhatóságot. |
|
Szoftver Szint |
1. Komplex digitális szűrés (medián + mozgó átlag) |
Szűri a jelzési zajt, biztosítja a parancsok pontosságát, és megelőzi a program futásának megszakadását. |
(4) Összefoglaló Strukturális Tervezés
Működési Mechanizmus – Bistabilis Végtelen Magnes Mechanizmus:
- Összetétel: Bezáró/nyitó ciklusok, végtelen magnesek, mozgó vasmag (szaggatott vonal), háztartási rész.
- Működési Kör: A ciklusok sorosan kapcsolódó előre feltöltött kondenzátorokkal (energiaforrásként) és thyristorokkal alkotják a kitöltő köröket.
- Működési Folyamat: SCM jel → tranzisztorok általi erősítés → thyristor kapcsolók ellenőrzése → hiba esetén az SMC nyitó jelet küld → a thyristor átmeneti állapotba kerül → a kondenzátor a nyitó cikluson keresztül kitölt → a vasmag mozog → a QF nyílik. A bezárás manuálisan történik kapcsolóval.
Áramátviteli Kör (Fejlett Szerkezet):
- Fejlesztés: A tűzoltási kapcsolók helyettesítése vakuum kapcsolókkal (QF₂), csökkentve az időbeli szóródást.
- Szerkezeti Paraméterek: A QF₁ és QF₂ egyenlő távolságra van az O tengelytől; a kar hossza specifikus paraméterek alapján van meghatározva.
- Hiba Működés: A bistabilis magnes mechanizmus energiára tölt → a vasmag lefelé mozog → a QF₁ nyílik, a QF₂ bezár → a kondenzátor C kitölt → a QF₁-ben lévő tűzoltási áram áthalad a nullaponton → a tűzoltás megszűnik.
IV. Rendszerkísérlet
- Környezet: Dalian Műszaki Egyetem Villamos Energia Elektronika Intézete, Szintézis Kör Laboratórium.
- Módszer: Alacsony frekvenciájú AC áram szimulálja a DC rövidzárlat emelkedését; ellenirányú áram bevezetése a csúcsáramerősség pillanatában.
- Eredmények:
- A QF₁-en átmenő áramerősség hullámképe pontosan t₀ pillanatban mutat ellenirányú áramot.
- Az ellenirányú áram kényszeríti a nullaponton áthaladást, elérve a tűzoltást, és sikeresen megszakítja a rövidzárlati áramerősséget.
V. Következtetés
A kísérletek azt mutatják, hogy az új, elektronikus működő rendszerrel ellátott DC átkapcsoló sikeresen megszakítja a DC ellátási rendszerek rövidzárlati áramerősségét, elégedéstudatos eredményekkel. Ez a megoldás széles körben alkalmazható a hajók, metrók, DC elektrolízis, és elektromos sütők DC rendszereinek rövidzárlatvédelmére.
Rendszer Kifejezett Tulajdonságai:
- Valós Idejű Teljesítmény: Az SCM alapú gyűjtés lehetővé teszi a valós idejű monitorozást, erős ellenőrzhetőséggel és minimális időbeli szóródással.
- Gyors Válasz: Egyszerűsített algoritmusok, amelyek elkerülik a lebegőpontos műveleteket, csökkentve a válaszidőt, gyors hiba észlelést biztosítva.
- Megbízhatóság: A bistabilis magnes mechanizmus csökkenti a gépi hibákat, és rövidíti a nyitási időt; a fejlett szerkezet garantálja a megszakítási és átvezetési műveletek szinkronizációját.
Az ebben a tanulmányban bemutatott intelligens DC átkapcsoló megoldás nagy gyakorlati értéket és reménytelen alkalmazási kilátásokat kínál, kielégítve a modern DC ellátási rendszerek intelligens védelmi berendezései számára a sürgős igényt.
