Toepassing van nieuwe gelijkstroomcircuitschakelaars in korte-slagfoutbescherming
I. Inleiding
Met de snelle vooruitgang van moderne informatietechnologie is intelligentie een belangrijke trend geworden in de ontwikkeling van industriële apparatuur. Op het gebied van hoogspanningschakelaars vormen intelligente schakelaars, als cruciale besturingselementen in elektriciteitsnetwerken, de basis voor automatisering en intelligentie in elektriciteitsnetwerken. Dit onderzoek richt zich op een intelligente gelijkstroom-schakelaar gebaseerd op single-chip microcomputer (SCM) technologie, met nadruk op de praktische toepassing ervan voor real-time stroommonitoring en storingonderbreking binnen scheepsvoedingssystemen. Naast een conventionele boogdoofkamer bevat deze schakelaar een intelligent besturingssysteem, een eenheid voor detectie van storingstroom en een signaalverwerkingsunit, waardoor hij effectief kan voldoen aan de specifieke eisen van systeembescherming tegen gelijkstroomstoringen.
II. Stroomoverdrachtprincipe van gelijkstroomschakelaars
De kernuitdaging voor schakelaars in gelijkstroomsystemen ligt in de boogdoof. Volgens de boogtheorie is er een stroomnulpunt nodig om een boog te doven. Gelijkstroomsystemen hebben echter geen natuurlijk stroomnulpunt, waardoor boogdoof uitzonderlijk moeilijk is.
Oplossing – Stroomoverdrachtprincipe:
Door een tegengestelde stroom in het circuit in te voeren, wordt een kunstmatig stroomnulpunt gecreëerd, wat de noodzakelijke voorwaarde biedt voor boogdoof. Het specifieke principe is als volgt:
|
Circuittoestand |
Componentbewerking |
Stroomwijziging en boogdoofproces |
|
Normale toestand |
Schakelaar QF is gesloten. |
Hoge spanning gelijkstroom voedt de belasting via QF, zodat stabiele circuitbedrijfsvoering wordt gewaarborgd. |
|
Storingstoestand (A–B kortsluiting) |
1. De stroom neemt snel toe (snelheid hangt af van L₁, L₂). |
1. De ontladingsstroom I₂ werkt tegen de oorspronkelijke stroom I₁. |
III. Systeemontwerp
(1) Bewakingmodule
De bewakingmodule fungeert als de controle-signaalbron voor het elektronische bedrijfssysteem, waardoor real-time monitoring van veranderingen in de circuitspanning mogelijk is en tijdige, nauwkeurige reacties op stroomafwijkingen kunnen worden gegeven.
Signaalverwerkingsstroom:
- Signaalverzameling: Stromesignalen worden verzameld via een shunt met een aangesloten laagspanningscontact (om hoge-spanningspulsinterferentie te voorkomen) en een niet-inductieve weerstand (om de stroomamplitude en -vorm te behouden).
- Signaalverwerking: Verkregen spanningssignalen (kleine amplitude met hoge-frequentie ruis) → Filtercircuit (ruisonderdrukking) → Isolatie-versterkingscircuit (met gebruik van high-precision lineaire optokoppelaar HCNR201, primaire zijde opamp LM324, secundaire zijde opamp OP07, functioneert als een DC-transformatie) → Monsternemen en vasthouden → A/D-conversie → Verzonden naar SCM.
- Storingreactie: Als de stroom de toegestane limieten overschrijdt, geeft de SCM een trip-commando en activeert een pieperalarm.
(2) Gegevensverwerking door SCM
Criteria voor storingsoordeel:
- Normale werking: stijgingsgraad Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, stroomwaarde I ≤ Iₘₐₓ.
- Kortsluitingsstoring: Kᵢ > Kₘₐₓ, en I kan snel Iₘₐₓ overschrijden.
Wiskundig model en vereenvoudigde berekening:
Van ΔU = ΔI · Rբ (shuntweerstand),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Voordelen: Na het fixeren van Δt, is alleen ΔU tussen twee momenten nodig om Kᵢ te berekenen, waardoor floating-point-berekeningen worden vermeden en de reactietijd aanzienlijk wordt verkort.
Storingcriteria: De SCM beoordeelt een storing wanneer Uᵢₙ > Uₘₐₓ of ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Anti-interferentiemaatregelen
Vanwege de hoge-spanning, hoge-stroomomgeving met sterke elektromagnetische interferentie, wordt een meervoudig anti-interferentieontwerp toegepast:
|
Anti-interferentiedimensie |
Specifieke maatregelen |
Doel |
|
Invoersignaal |
Isolatie via lineaire optokoppelaar HCNR201 |
Isoleert het besturingssysteem van de hogevermogenscircuits; onderdrukt interferentie en verhoogt veiligheid. |
|
Signaaluitvoer |
SCM bestuurt optokoppelaar-schakelaars om thyristoren in het ontladingscircuit aan te sturen |
Zorgt ervoor dat er alleen een signaalverbinding is; voorkomt dat hoge stroom het besturingssysteem beïnvloedt. |
|
Signaalkanaal voorafgaand |
Laagdoorlaatfiltercircuit |
Blokkeert RF, netfrequentie en pulssignaalinterferentie; verbetert betrouwbaarheid. |
|
Software niveau |
1. Samengestelde digitale filtering (mediaan + drijvend gemiddelde) |
Filtert datasignalen, zorgt voor commandonauwkeurigheid en voorkomt programma-uitloop. |
(4) Algemene structuurontwerp
Bedrijfsmechanisme – Bistabiel permanente magneetmechanisme:
- Samenstelling: Sluit/open spoelen, permanente magneten, bewegende ijzerkern (gestippeld), behuizing.
- Bedrijfscircuit: Spoelen zijn serie-verbonden met vooraf opgeladen condensatoren (energiebron) en thyristoren vormen ontladingscircuits.
- Actieproces: SCM-signaal → versterkt door transistors → bestuurt thyristorgaten → bij storing stuurt SMC openingsignaal → thyristor geleidt → condensator ontladen door openingsspoel → ijzerkern beweegt → QF opent. Sluiten wordt handmatig gecontroleerd via een schakelaar.
Stroomoverdrachtcircuit (verbeterde structuur):
- Verbetering: Vervangt vonkspanningschakelaars door vacuümschakelaars (QF₂), wat tijdsdispersie vermindert.
- Structuurparameters: QF₁ en QF₂ op gelijke afstand van spil O; armlengtes bepaald op basis van specifieke parameters.
- Storingactie: Permanente magneetmechanisme wordt geactiveerd → ijzerkern beweegt omlaag → QF₁ opent, QF₂ sluit → condensator C ontladen → boogstroom in QF₁ kruist nul → boog dooft.
IV. Systeemexperiment
- Omgeving: Synthetisch Circuit Laboratorium, Instituut voor Elektronica, Dalian Universiteit van Technologie.
- Methode: Lage-frequentie AC-stroom simuleert de stijging van gelijkstroom kortsluiting; tegengestelde stroom wordt ingevoerd bij piekstroom.
- Resultaten:
- Stroomvorm door QF₁ toont precies ingevoerde tegengestelde stroom bij t₀.
- Tegengestelde stroom dwingt nulpunten, bereikt boogdoof en slaagt erin de kortsluitingsstroom te onderbreken.
V. Conclusie
Experimenten tonen aan dat de nieuwe gelijkstroomschakelaar met elektronisch bedrijfssysteem succesvol kortsluitingsstromen in gelijkstroomvoedingssystemen onderbreekt, met bevredigende resultaten. Deze oplossing kan breed toegepast worden in kortsluitingsbescherming voor gelijkstroomsystemen zoals schepen, metro's, gelijkstroom-elektrolyse en elektrische ovens.
Kernsysteemeigenschappen:
- Realtime-prestaties: SCM-gebaseerde acquisitie stelt real-time monitoring in staat met sterke bestuurbaarheid en minimale tijdsdispersie.
- Rapide respons: Vereenvoudigde algoritmen vermijden floating-point-berekeningen, waardoor de reactietijd wordt verlaagd voor snelle storingdetectie.
- Betrouwbaarheid: Bistabiel permanente magneetmechanisme vermindert mechanische fouten en verkort de openingstijd; verbeterde structuur garandeert synchronisatie tussen onderbrekings- en overdrachtsoperaties.
De intelligente gelijkstroomschakelaaroplossing die in dit onderzoek wordt gepresenteerd, biedt een hoge praktische waarde en veelbelovende toepassingsperspectieven, en voldoet aan de dringende behoefte aan intelligente beschermingsapparatuur in moderne gelijkstroomvoedingssystemen.
