Anvendelse av nye DC strømbrytere i kortslutningsfeilbeskyttelse
I. Introduksjon
Med rask utvikling av moderne informasjonsteknologi har intelligens blitt en viktig trender i utviklingen av industriutstyr. I feltet for høyspenningsskruing er intelligente strømbrytere - som kritiske kontrollkomponenter i strømsystemer - grunnlaget for automatisering og intelligens i strømsystemer. Denne studien fokuserer på en intelligent DC-strømbryter basert på enkeltchip mikrodatateknologi (SCM), med vekt på dens praktiske anvendelse i sanntid strømovervåking og feilavbryting i skipets DC-strømforsyningssystemer. I tillegg til et konvensjonelt bueutslukningskammer inneholder denne strømbryteren et intelligent driftssystem, en feilstrømdeteksjonsenhet og en signalbehandlingsenhet, noe som gjør at den effektivt kan håndtere de spesielle kravene til DC-systems feilsikring.
II. Strømoverføringsprinsipp for DC-strømbrytere
Kjernen av utfordringen for strømbrytere i DC-system ligger i buelukking. Ifølge bueteori krever buelukking en nullgjennomgangspunkt for strømmen. Imidlertid mangler DC-systemer en naturlig nullpunkt for strøm, noe som gjør buelukking ekstremt vanskelig.
Løsning – Strømoverføringsprinsipp:
Ved å introdusere en motsatt rettet strøm i kretsen opprettes et kunstig nullgjennomgangspunkt, noe som gir nødvendige betingelser for buelukking. Det spesifikke prinsippet er som følger:
|
Kretsstatus |
Komponentdrift |
Strømendring og buelukningsprosess |
|
Normal status |
Strømbryter QF er lukket. |
Høyspenning DC strøm leverer lasten gjennom QF, og sikrer stabil kretsdrift. |
|
Feilstatus (A–B kortslutning) |
1. Strøm øker raskt (hastighet avhenger av L₁, L₂). |
1. Utløsepunktstrøm I₂ motarbeider den opprinnelige strømmen I₁. |
III. Systemdesign
(1) Overvåkingsmodul
Overvåkingsmodulen fungerer som kontrollsignal for det elektroniske driftssystemet, og muliggjør sanntids-overvåking av endringer i kretsstrengen, samt gir rask og nøyaktig respons til strømavvik.
Signalbehandlingsflyt:
- Signalfanging: Strømsignaler samles inn via en shunt med et nedtrykket lavspenningsterminal (for å unngå høyspenningimpulsstøy) og ikke-induktiv motstand (for å bevare strømamplitude og -bølgeform).
- Signalbehandling: Innhentede spennings-signaler (små amplituder med høyfrekvensstøy) → filterkrets (støyfjerning) → isolasjonsforsterkningskrets (ved hjelp av høypræcis lineær optisk kuppler HCNR201, primær-side operasjonsforsterker LM324, sekundær-side operasjonsforsterker OP07, fungerer som en DC-transformator) → prøvetaking og beholdelse → A/D-konvertering → sendt til SCM.
- Feilrespons: Hvis strømmen overstiger tillatte grenser, sender SCM en avbrytingskommando og utløser en summeralarm.
(2) Dataprosessering av SCM
Feilvurderingskriterier:
- Normal drift: Strømstigning Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, strømverdi I ≤ Iₘₐₓ.
- Kortslutningsfeil: Kᵢ > Kₘₐₓ, og I kan raskt overstige Iₘₐₓ.
Matematisk modell og forenklet beregning:
Fra ΔU = ΔI · Rբ (shuntmotstand),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Fordele: Etter fastsetting av Δt, er bare ΔU mellom to tidspunkter nødvendig for å beregne Kᵢ, unngår flyttalloperasjoner og reduserer signifikant responstiden.
Feilkriterier: SCM vurderer en feil når Uᵢₙ > Uₘₐₓ eller ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Støytilltak
På grunn av høyspenning, høystrøm-miljø med sterk elektromagnetisk støy, blir flerdimensjonale støytilltak implementert:
|
Støydimensjon |
Spesifikke tiltak |
Mål |
|
Inngående signal |
Isolasjon via lineær optisk kuppler HCNR201 |
Isolerer kontrollsystemet fra høyeffekt-krefter; demper støy og forbedrer sikkerheten. |
|
Signalutdata |
SCM kontrollerer optisk kuppler-brytere for å drive thyristorer i utløsekretsen |
Sikrer bare signalkobling; forebygger høystrømeffekter på kontrollsystemet. |
|
Signal forkanal |
Lavpassfilterkrets |
Blokkerer RF, nettfrekvens- og pulsjestøy; forbedrer påliteligheten. |
|
Programvarenivå |
1. Sammensatt digital filtrering (median + glidende gjennomsnitt) |
Filtrerer datastøy, sikrer kommandonøyaktighet, og forebygger programflyt. |
(4) Helhetlig strukturdesign
Driftmekanisme – To-stable permanent magnet mekanisme:
- Sammensetning: Lukkings/åpnings spoler, permanente magneter, bevegelig jernkjern (stryket), beholder.
- Driftskrets: Spoler seriekoplet med forhåndsoppladet kondensatorer (energikilde) og thyristorer danner utløsekretser.
- Handlingsprosess: SCM-signal → forsterket av transistorer → kontrollerer thyristorbryter → under feil sender SMC åpningsignal → thyristor leder → kondensator slippes gjennom åpningsspolet → jernkjernen beveger seg → QF åpnes. Lukking styres manuelt via en bryter.
Strømoverføringskrets (forbedret struktur):
- Forbedring: Erstatter gnistgapsbrytere med vakuum-brytere (QF₂), reduserer tidsdispersjon.
- Strukturelle parametre: QF₁ og QF₂ like langt fra roteringspunkt O; armlengder bestemt basert på spesifikke parametre.
- Feilhandlinger: Permanent magnet mekanisme energiseres → jernkjernen beveger seg ned → QF₁ åpnes, QF₂ lukkes → kondensator C slippes → buestrøm i QF₁ krysser null → bue slukkes.
IV. Systemeksperiment
- Miljø: Syntetisk kretslaboratorium, Institutt for strømteknikk, Dalian Universitet for Teknologi.
- Metode: Lavfrekvent AC strøm simulerer DC kortslutningsstigning; motsatt rettet strøm introdusert ved toppstrøm.
- Resultater:
- Strømbølgeform gjennom QF₁ viser at motsatt rettet strøm ble presist introdusert ved t₀.
- Motsatt rettet strøm tvinger nullgjennomgang, oppnår buelukking, og avbryter vellykket kortslutningsstrøm.
V. Konklusjon
Eksperimenter viser at den nye DC-strømbryteren med det elektroniske driftssystemet vellykket avbryter kortslutningsstrømmer i DC-strømforsyningssystemer, med tilfredsstillende resultater. Denne løsningen kan bli bredt anvendt i kortslutningsbeskyttelse for DC-systemer som skip, tunnelbaner, DC-elektrolys og elektriske ovner.
Kjerne systemegenskaper:
- Sanntidskapasitet: SCM-basert innsamling muliggjør sanntids-overvåking med sterk kontrollbarhet og minimal tidsdispersjon.
- Rask respons: Forenklete algoritmer unngår flyttalloperasjoner, reduserer responstid for rask feildeteksjon.
- Pålitelighet: To-stable permanent magnet mekanisme reduserer mekaniske feil og forkorter åpnings-tid; forbedret struktur sikrer synkronisering mellom avbryting og overføringsoperasjoner.
Den intelligente DC-strømbryterløsningen presentert i denne studien tilbyr høy praksisverdi og lovende anvendelsesutsikter, og møter den presserende behovet for intelligente beskyttelsesenheter i moderne DC-strømsystemer.
