Aplicação de Novos Disjuntores de Circuito CC na Proteção de Falhas de Curto-Circuito

I. Introdução
Com o avanço rápido da tecnologia de informação moderna, a inteligência tornou-se uma grande tendência no desenvolvimento de equipamentos industriais. No campo dos interruptores de alta tensão, os interruptores inteligentes - como componentes de controlo críticos nos sistemas de energia - formam a base para a automação e a inteligência nos sistemas de energia. Este estudo concentra-se num interruptor inteligente de corrente contínua (CC) baseado na tecnologia de microcontrolador (MCU), enfatizando a sua aplicação prática na monitorização em tempo real da corrente e interrupção de falhas nos sistemas de fornecimento de energia CC a bordo de navios. Além de uma câmara extintora de arco convencional, este interruptor incorpora um sistema operativo inteligente, uma unidade de deteção de corrente de falha e uma unidade de processamento de sinais, permitindo-lhe abordar eficazmente os requisitos especiais de proteção contra falhas nos sistemas CC.

II. Princípio de Transferência de Corrente dos Interruptores CC
O desafio central para os interruptores em sistemas CC reside na extinção do arco. De acordo com a teoria do arco, extinguir um arco requer um ponto de passagem por zero da corrente. No entanto, os sistemas CC carecem de um ponto natural de passagem por zero da corrente, tornando a extinção do arco excepcionalmente difícil.

Solução – Princípio de Transferência de Corrente:
Introduzindo uma corrente reversa no circuito, cria-se um ponto de passagem por zero artificial, fornecendo a condição necessária para a extinção do arco. O princípio específico é o seguinte:

Estado do Circuito	Operação do Componente	Mudança de Corrente e Processo de Extinção do Arco
Estado Normal	O interruptor QF está fechado.	A energia DC de alta tensão alimenta a carga através de QF, assegurando a operação estável do circuito.
Estado de Falha (curto-circuito A–B)	1. A corrente aumenta rapidamente (a taxa depende de L₁, L₂). 2. Ao detectar a falha, o mecanismo abre os contactos de QF, gerando um arco. 3. O interruptor S fecha, descarregando o capacitor C através do interruptor.	1. A corrente de descarga I₂ opõe-se à corrente original I₁. 2. I₂ força I₁ a atravessar zero. 3. O arco em QF extingue-se no ponto de passagem por zero da corrente.

III. Design do Sistema

(1) Módulo de Monitorização
O módulo de monitorização serve como fonte de sinal de controlo para o sistema operativo eletrónico, permitindo a monitorização em tempo real das mudanças de corrente no circuito e fornecendo respostas oportunas e precisas às anomalias de corrente.

Fluxo de Processamento de Sinais:

Aquisição de Sinal: Os sinais de corrente são recolhidos através de um derivador com terminal de baixa tensão aterrado (para prevenir interferências de pulsos de alta tensão) e resistência não indutiva (para preservar a amplitude e forma de onda da corrente).
Processamento de Sinal: Sinais de tensão adquiridos (pequena amplitude com ruído de alta frequência) → Circuito de filtro (remoção de ruído) → Circuito de amplificação isolada (usando optoacoplador linear de alta precisão HCNR201, amplificador operacional primário LM324, amplificador operacional secundário OP07, agindo como um transformador DC) → Amostragem e retenção → Conversão A/D → Enviados ao MCU.
Resposta a Falhas: Se a corrente exceder os limites permitidos, o MCU emite um comando de desligamento e ativa um alarme sonoro.

(2) Processamento de Dados pelo MCU
Critérios de Julgamento de Falhas:

Operação normal: Taxa de subida da corrente Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, valor da corrente I ≤ Iₘₐₓ.
Falha de curto-circuito: Kᵢ > Kₘₐₓ, e I pode exceder Iₘₐₓ rapidamente.

Modelo Matemático e Cálculo Simplificado:
De ΔU = ΔI · Rբ (resistência do derivador),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Vantagem: Após fixar Δt, apenas ΔU entre dois momentos é necessário para calcular Kᵢ, evitando operações de ponto flutuante e reduzindo significativamente o tempo de resposta.
Critério de Falha: O MCU julga uma falha quando Uᵢₙ > Uₘₐₓ ou ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

(3) Medidas Anti-Interferência
Devido ao ambiente de alta tensão e alta corrente com forte interferência eletromagnética, adota-se um design anti-interferência multidimensional:

Dimensão Anti-Interferência	Medidas Específicas	Objetivo
Sinal de Entrada	Isolamento via optoacoplador linear HCNR201	Isola o sistema de controlo dos circuitos de alta potência; suprime interferências e melhora a segurança.
Sinal de Saída	MCU controla os interruptores optoacopladores para acionar tiristores no circuito de descarga	Assegura apenas a ligação de sinal; previne efeitos de alta corrente no sistema de controlo.
Canal Pré-Sinal	Circuito de filtro de baixa passagem	Bloqueia interferências RF, de frequência de rede e pulsos; melhora a confiabilidade.
Nível de Software	1. Filtragem digital composta (mediana + média móvel) 2. Comandos críticos redundantes 3. Armadilhas de software + tratamento de interferências	Filtra o ruído de dados, assegura a precisão dos comandos e previne a fuga do programa.

(4) Design Estrutural Global
Mecanismo de Operação – Mecanismo de Ímã Permanente Bistável:

Composição: Bobinas de fechamento/abertura, ímãs permanentes, núcleo móvel de ferro (tracejado), invólucro.
Circuito de Operação: As bobinas estão em série com capacitores pré-carregados (fonte de energia) e tiristores, formando circuitos de descarga.
Processo de Ação: Sinal do MCU → amplificado por transistores → controla as portas dos tiristores → durante a falha, o SMC envia um sinal de abertura → o tiristor conduz → o capacitor descarrega através da bobina de abertura → o núcleo de ferro move-se → QF abre. O fechamento é controlado manualmente através de um interruptor.

Circuito de Transferência de Corrente (Estrutura Melhorada):

Melhoria: Substitui os interruptores de faísca por interruptores a vácuo (QF₂), reduzindo a dispersão temporal.
Parâmetros Estruturais: QF₁ e QF₂ equidistantes do pivô O; comprimentos de braço determinados com base em parâmetros específicos.
Ação de Falha: O mecanismo de ímã permanente energiza → o núcleo de ferro move-se para baixo → QF₁ abre, QF₂ fecha → o capacitor C descarrega → a corrente de arco em QF₁ atravessa zero → o arco extingue-se.

IV. Experimento do Sistema

Ambiente: Laboratório de Circuitos Sintéticos, Instituto de Eletrônica de Potência, Universidade de Tecnologia de Dalian.
Método: A corrente AC de baixa frequência simula a subida de curto-circuito DC; a corrente reversa é introduzida no pico da corrente.
Resultados:

A forma de onda da corrente através de QF₁ mostra que a corrente reversa foi introduzida precisamente em t₀.
A corrente reversa força a passagem por zero, alcançando a extinção do arco e interrompendo com sucesso a corrente de curto-circuito.

V. Conclusão
Os experimentos demonstraram que o novo interruptor CC com o sistema operativo eletrónico interrompe com sucesso as correntes de curto-circuito nos sistemas de fornecimento de energia CC, com resultados satisfatórios. Esta solução pode ser amplamente aplicada na proteção contra curto-circuitos em sistemas CC, como navios, metrôs, eletrodiálise DC e fornos elétricos.

Características Principais do Sistema:

Desempenho em Tempo Real: A aquisição baseada em MCU permite a monitorização em tempo real com forte controlabilidade e mínima dispersão temporal.
Resposta Rápida: Algoritmos simplificados evitam operações de ponto flutuante, reduzindo o tempo de resposta para a rápida deteção de falhas.
Confiabilidade: O mecanismo de ímã permanente bistável reduz as falhas mecânicas e encurta o tempo de abertura; a estrutura melhorada assegura a sincronização entre as operações de interrupção e transferência.

A solução de interruptor inteligente CC apresentada neste estudo oferece elevado valor prático e promissoras perspectivas de aplicação, atendendo à urgente demanda por equipamentos de proteção inteligente nos sistemas de energia CC modernos.

09/05/2025

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