Penerapan Pemutus Sirkuit DC Baru dalam Perlindungan Gangguan Arus Pendek

I. Pendahuluan​
Dengan perkembangan pesat teknologi informasi modern, kecerdasan telah menjadi tren utama dalam pengembangan peralatan industri. Dalam bidang pemutus sirkuit tegangan tinggi, pemutus sirkuit cerdas—sebagai komponen kontrol kritis dalam sistem tenaga listrik—membentuk dasar untuk otomatisasi dan kecerdasan dalam sistem tenaga listrik. Penelitian ini fokus pada pemutus sirkuit DC cerdas berbasis teknologi mikrokontroler (SCM), menekankan penerapannya secara praktis dalam pemantauan arus real-time dan pemutusan gangguan dalam sistem pasokan tenaga DC kapal. Selain ruang pemadam busur konvensional, pemutus sirkuit ini juga mengintegrasikan sistem operasi cerdas, unit deteksi arus gangguan, dan unit pemrosesan sinyal, yang memungkinkannya efektif mengatasi persyaratan khusus perlindungan gangguan sistem DC.

​II. Prinsip Transfer Arus Pemutus Sirkuit DC​
Tantangan utama bagi pemutus sirkuit dalam sistem DC terletak pada pemadaman busur. Menurut teori busur, pemadaman busur membutuhkan titik nol arus. Namun, sistem DC tidak memiliki titik nol alami, sehingga pemadaman busur menjadi sangat sulit.

​Solusi – Prinsip Transfer Arus:​​
Dengan memperkenalkan arus balik ke dalam rangkaian, titik nol arus buatan dibuat, memberikan syarat yang diperlukan untuk pemadaman busur. Prinsip spesifiknya adalah sebagai berikut:

​III. Desain Sistem​

​​(1) Modul Pemantauan​
Modul pemantauan berfungsi sebagai sumber sinyal kontrol untuk sistem operasi elektronik, memungkinkan pemantauan real-time perubahan arus rangkaian dan memberikan respons yang tepat waktu dan akurat terhadap anomali arus.

​Alur Pemrosesan Sinyal:​​

• ​Pengambilan Sinyal:​​ Sinyal arus dikumpulkan melalui shunt dengan terminal tegangan rendah yang di-ground (untuk mencegah gangguan pulsa tegangan tinggi) dan resistansi non-induktif (untuk mempertahankan amplitudo dan bentuk gelombang arus).
• ​Pemrosesan Sinyal:​​ Sinyal tegangan yang diperoleh (amplitudo kecil dengan noise frekuensi tinggi) → Rangkaian filter (penghapusan noise) → Rangkaian amplifikasi isolasi (menggunakan optokopler linear HCNR201, op-amp primer LM324, op-amp sekunder OP07, berfungsi sebagai transformator DC) → Sampel dan tahan → Konversi A/D → Dikirim ke SCM.
• ​Respon Gangguan:​​ Jika arus melebihi batas yang diperbolehkan, SCM mengeluarkan perintah trip dan memicu alarm buzzer.

​​(2) Pemrosesan Data oleh SCM​
​Kriteria Penilaian Gangguan:​​

• Operasi normal: Laju naik arus Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, nilai arus I ≤ Iₘₐₓ.
• Gangguan hubungan singkat: Kᵢ > Kₘₐₓ, dan I mungkin melebihi Iₘₐₓ dengan cepat.

​Model Matematika dan Perhitungan Sederhana:​​
Dari ΔU = ΔI · Rբ (resistansi shunt),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Keuntungan:​​ Setelah Δt ditetapkan, hanya diperlukan ΔU antara dua momen untuk menghitung Kᵢ, menghindari operasi floating-point dan mengurangi waktu respons secara signifikan.
​Kriteria Gangguan:​​ SCM menilai adanya gangguan ketika Uᵢₙ > Uₘₐₓ atau ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

​​(3) Tindakan Anti-Gangguan​
Karena lingkungan tegangan tinggi, arus tinggi dengan gangguan elektromagnetik kuat, desain anti-gangguan multidimensi diterapkan:

​​(4) Desain Struktur Keseluruhan​
​Mekanisme Operasi – Mekanisme Magnet Tetap Bistabil:​​

• ​Komposisi:​​ Kumparan tutup/buka, magnet permanen, inti besi bergerak (putus-putus), housing.
• ​Rangkaian Operasi:​​ Kumparan seri-dihubungkan dengan kapasitor pra-charged (sumber energi) dan tiristor membentuk rangkaian pengosongan.
• ​Proses Tindakan:​​ Sinyal SCM → diamplifikasi oleh transistor → mengontrol gerbang tiristor → selama gangguan, SMC mengirim sinyal pembukaan → tiristor menghantar → kapasitor mengosongkan melalui kumparan pembukaan → inti besi bergerak → QF terbuka. Penutupan dikendalikan secara manual melalui saklar.

​Rangkaian Transfer Arus (Struktur yang Ditingkatkan):​​

• ​Peningkatan:​​ Mengganti saklar celah api dengan saklar vakum (QF₂), mengurangi dispersi waktu.
• ​Parameter Struktural:​​ QF₁ dan QF₂ sama jaraknya dari poros O; panjang lengan ditentukan berdasarkan parameter spesifik.
• ​Tindakan Gangguan:​​ Mekanisme magnet tetap dipersiapkan → inti besi bergerak turun → QF₁ terbuka, QF₂ tertutup → kapasitor C mengosongkan → arus busur di QF₁ melintasi nol → busur padam.

​IV. Eksperimen Sistem​

• ​Lingkungan:​​ Laboratorium Rangkaian Sintetik, Institut Elektronika Daya, Universitas Teknologi Dalian.
• ​Metode:​​ Arus AC frekuensi rendah mensimulasikan kenaikan hubungan singkat DC; arus balik diperkenalkan pada arus puncak.
• ​Hasil:​​
• Bentuk gelombang arus melalui QF₁ menunjukkan arus balik diperkenalkan dengan tepat pada t₀.
• Arus balik memaksa lintasan nol, mencapai pemadaman busur, dan berhasil memutus arus hubungan singkat.

​V. Kesimpulan​
Eksperimen menunjukkan bahwa pemutus sirkuit DC baru dengan sistem operasi elektronik berhasil memutus arus hubungan singkat dalam sistem pasokan tenaga DC, dengan hasil yang memuaskan. Solusi ini dapat diterapkan secara luas dalam perlindungan hubungan singkat untuk sistem DC seperti kapal, kereta bawah tanah, elektrolisis DC, dan tungku listrik.

​Ciri Sistem Inti:​​

• ​Kinerja Real-Time:​​ Pengambilan berbasis SCM memungkinkan pemantauan real-time dengan kontrol yang kuat dan dispersi waktu minimal.
• ​Respons Cepat:​​ Algoritma yang disederhanakan menghindari operasi floating-point, mengurangi waktu respons untuk deteksi gangguan yang cepat.
• ​Keandalan:​​ Mekanisme magnet tetap bistabil mengurangi kegagalan mekanis dan mempersingkat waktu pembukaan; struktur yang ditingkatkan memastikan sinkronisasi antara operasi pemutusan dan transfer.

Solusi pemutus sirkuit DC cerdas yang disajikan dalam penelitian ini menawarkan nilai praktis yang tinggi dan prospek aplikasi yang menjanjikan, memenuhi permintaan mendesak untuk peralatan perlindungan cerdas dalam sistem tenaga DC modern.