Zastosowanie nowych przełączników obwodów DC w ochronie przed uszkodzeniami krótkiego zwarcia
I. Wstęp
Wraz z szybkim rozwojem nowoczesnych technologii informacyjnych, inteligencja stała się głównym trendem w rozwoju urządzeń przemysłowych. W dziedzinie wysokonapięciowego przełączania, inteligentne wyłączniki – jako kluczowe elementy kontrolne w systemach energetycznych – stanowią podstawę dla automatyzacji i inteligencji w systemach energetycznych. Niniejsze badanie skupia się na inteligentnym DC wyłączniku opartym na technologii mikrokontrolera (SCM), podkreślając jego praktyczne zastosowanie w monitorowaniu bieżącego prądu w czasie rzeczywistym i przerwaniu uszkodzeń w systemach zasilania DC na statkach. Oprócz konwencjonalnej komory gaszenia łuku, ten wyłącznik zawiera inteligentny system operacyjny, jednostkę detekcji prądu uszkodzeniowego i jednostkę przetwarzania sygnałów, co umożliwia efektywne radzenie sobie z specjalnymi wymaganiami ochrony przed uszkodzeniami w systemach DC.
II. Zasada przepływu prądu w DC wyłącznikach
Głównym wyzwaniem dla wyłączników w systemach DC jest gaszenie łuku. Zgodnie z teorią łuku, gaszenie łuku wymaga punktu zerowego prądu. Jednak systemy DC nie mają naturalnego punktu zerowego prądu, co sprawia, że gaszenie łuku jest szczególnie trudne.
Rozwiązanie – zasada przepływu prądu:
Poprzez wprowadzenie odwrotnego prądu do obwodu, tworzy się sztuczny punkt zerowy prądu, zapewniając niezbędny warunek do gaszenia łuku. Szczegółowa zasada wygląda następująco:
|
Stan obwodu |
Działanie elementów |
Zmiana prądu i proces gaszenia łuku |
|
Normalny stan |
Wyłącznik QF jest zamknięty. |
Wysokonapięciowe zasilanie DC dostarcza prąd do obciążenia przez QF, zapewniając stabilną pracę obwodu. |
|
Stan uszkodzenia (krótkie połączenie A–B) |
1. Prąd wzrasta szybko (szybkość zależy od L₁, L₂). |
1. Prąd wyładowania I₂ działa przeciwko oryginalnemu prądowi I₁. |
III. Projekt systemu
(1) Moduł monitorowania
Moduł monitorowania służy jako źródło sygnałów sterujących dla elektronicznego systemu operacyjnego, umożliwiając monitorowanie w czasie rzeczywistym zmian prądu w obwodzie i dostarczając odpowiedzi na anomalie prądu w sposób szybki i precyzyjny.
Przebieg przetwarzania sygnałów:
- Pobieranie sygnałów: Sygnały prądowe są zbierane za pomocą shuntu z niskonapięciowym końcem zazemionym (aby zapobiec zakłóceniom impulsom wysokiego napięcia) i bezindukcyjnym oporem (aby zachować amplitudę i kształt prądu).
- Przetwarzanie sygnałów: Pobrane sygnały napięcia (małe amplitudy z wysokoczęstotliwościowym szumem) → Obwód filtrujący (usunięcie szumów) → Izolacyjny obwód wzmacniający (wykorzystujący precyzyjny liniowy optokopler HCNR201, wzmacniacz operacyjny LM324 na stronie pierwotnej, wzmacniacz operacyjny OP07 na stronie wtórnej, działający jako transformator DC) → Próbkowanie i utrzymanie → Konwersja A/D → Wysłanie do SCM.
- Odpowiedź na uszkodzenie: Jeśli prąd przekracza dopuszczalne granice, SCM wydaje polecenie odłączenia i uruchamia alarm dźwiękowy.
(2) Przetwarzanie danych przez SCM
Kryteria oceny uszkodzeń:
- Normalna praca: Tempo wzrostu prądu Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, wartość prądu I ≤ Iₘₐₓ.
- Uszkodzenie krótkiego zwarcia: Kᵢ > Kₘₐₓ, a I może szybko przekroczyć Iₘₐₓ.
Model matematyczny i uproszczone obliczenia:
Z ΔU = ΔI · Rբ (opór shuntu),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Zaleta: Po ustaleniu Δt, potrzebne jest tylko ΔU między dwoma momentami, aby obliczyć Kᵢ, unikając operacji zmiennoprzecinkowych i znacząco redukując czas reakcji.
Kryterium uszkodzenia: SCM uznaje uszkodzenie, gdy Uᵢₙ > Uₘₐₓ lub ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Miary antyinterferencyjne
Ze względu na środowisko o wysokim napięciu i dużym prądzie z silnymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, zastosowano wielowymiarowy projekt antyinterferencyjny:
|
Wymiar antyinterferencyjny |
Specyficzne środki |
Cel |
|
Sygnał wejściowy |
Izolacja za pomocą liniowego optokoplera HCNR201 |
Izoluje system sterujący od obwodów o dużej mocy; tłumienie zakłóceń i zwiększenie bezpieczeństwa. |
|
Sygnał wyjściowy |
SCM kontroluje przełączniki optokoplera, które napędzają tirystry w obwodzie wyładowania |
Zapewnia jedynie połączenie sygnałowe; zapobiega wpływom dużych prądów na system sterujący. |
|
Przedkanal sygnałowy |
Obwód filtru dolnoprzepustowego |
Blokowanie zakłóceń RF, częstotliwości sieciowej i impulsowych; zwiększenie niezawodności. |
|
Poziom oprogramowania |
1. Kompozytowe cyfrowe filtry (mediana + średnia ruchoma) |
Filtruje szum danych, zapewnia dokładność poleceń i zapobiega ucieczce programu. |
(4) Całkowity projekt strukturalny
Mechanizm działania – dwustabilny magnetyczny mechanizm permanentny:
- Skład: Cewki zamykające/otwierające, magnesy permanentne, ruchome rdzenie żelazne (kreskowane), obudowa.
- Obwód pracy: Cewki szeregowo połączone z wcześnie naładowanymi kondensatorami (źródłem energii) i tirystrami tworzą obwody wyładowania.
- Proces działania: Sygnał SCM → wzmacniany przez tranzystory → kontroluje bramki tirystorów → podczas uszkodzenia, SMC wysyła sygnał otwarcia → tirystor przewodzi → kondensator wyładowuje się przez cewkę otwierającą → rdzeń żelazny porusza się → QF otwiera. Zamknięcie jest ręcznie kontrolowane za pomocą przełącznika.
Obwód przepływu prądu (poprawiona struktura):
- Poprawa: Zastępowanie przełączników z przerwami iskrowymi przełącznikami próżniowymi (QF₂), zmniejszając dyspersję czasową.
- Parametry strukturalne: QF₁ i QF₂ równoodległe od punktu osiowego O; długości ramion określone na podstawie konkretnych parametrów.
- Działanie podczas uszkodzenia: Mechanizm magnetyczny permanentny aktywuje → rdzeń żelazny porusza się w dół → QF₁ otwiera, QF₂ zamyka → kondensator C wyładowuje się → prąd łuku w QF₁ przekracza zero → łuk gasnie.
IV. Eksperyment systemowy
- Środowisko: Laboratorium Syntetycznych Obwodów, Instytut Elektroniki Mocy, Politechnika w Dalian.
- Metoda: Niskoczęstotliwościowy prąd AC symuluje wzrost prądu przy krótkim zwarcia DC; odwrotny prąd wprowadzany w momencie maksymalnego prądu.
- Wyniki:
- Wykres prądu przez QF₁ pokazuje, że odwrotny prąd został dokładnie wprowadzony w momencie t₀.
- Odwrotny prąd zmusza do przekroczenia zera, osiąga gaszenie łuku i pomyślnie przerzuca prąd krótkiego zwarcia.
V. Podsumowanie
Eksperymenty wykazały, że nowy DC wyłącznik z elektronicznym systemem operacyjnym pomyślnie przerzuca prądy krótkich zwarcia w systemach zasilania DC, z zadowalającymi wynikami. To rozwiązanie może być szeroko stosowane w ochronie przed krótkimi zwarciami w systemach DC, takich jak statki, metra, elektroliza DC i piecyki elektryczne.
Główne cechy systemu:
- Real-time: Akwizycja oparta na SCM umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym z silną kontrolą i minimalną dyspersją czasową.
- Szybka reakcja: Uproszczone algorytmy unikają operacji zmiennoprzecinkowych, zmniejszając czas reakcji na szybkie wykrywanie uszkodzeń.
- Niezawodność: Dwustabilny magnetyczny mechanizm permanentny redukuje awarie mechaniczne i skraca czas otwarcia; poprawiona struktura zapewnia synchronizację między przerzutem a działaniami przerzutowymi.
Prezentowane w tym badaniu rozwiązanie inteligentnego DC wyłącznika oferuje wysoką praktyczną wartość i obiecujące perspektywy zastosowania, spełniając pilną potrzebę w zakresie inteligentnych urządzeń ochronnych w nowoczesnych systemach zasilania DC.
