Uporaba novih preklopnikov z enosmerne struje za zaščito pred kratkimi krogi
I. Uvod
Z naraščanjem sodobne informacijske tehnologije je inteligenca postala glavna trenda v razvoju industrijske opreme. V področju visokonapetostnega preklopa so inteligentni preklopi – kot ključni kontrolni komponenti v električnih sistemih – osnova za avtomatizacijo in inteligenco v električnih sistemih. Ta študija se osredotoča na inteligentni DC preklop, temelječ na tehnologiji enojnega čipa (SCM), s poudarkom na njegovi praktični uporabi pri stvarnem času nadzora toka in prekinjanja napak v DC oskrbnih sistemih ladji. Poleg običajne izgornice za ugasanje loka vključuje ta preklop tudi inteligentni operacijski sistem, enoto za zaznavanje tokov napak in enoto za obdelavo signalov, kar mu omogoča učinkovito reševanje posebnih zahtev za zaščito DC sistemov pred napakami.
II. Načelo prenosa toka v DC preklopih
Osnovno izziv za preklope v DC sistemih je ugasanje loka. Po teoriji loka je za njegovo ugasanje potreben trenutek, ko je tok enak nič. Vendar pa DC sistemi ne posjedujeta naravnega trenutka, ko je tok enak nič, kar ugasanje loka izjemno oteži.
Rešitev – Načelo prenosa toka:
S pridružitvijo obratnega toka v krunicu ustvarimo umetni trenutek, ko je tok enak nič, kar zagotavlja potrebno stanje za ugasanje loka. Specifično načelo je naslednje:
|
Stanje krunic |
Dejanje komponente |
Sprememba toka in postopek ugasanja loka |
|
Normalno stanje |
Preklop QF je zaprt. |
Visokonapetostni DC vir oskrbuje opto skozi QF, zagotavljajoč stabilno delovanje krunic. |
|
Napaka (kratki krog A–B) |
1. Tok hitro narašča (hitrost odvisna od L₁, L₂). |
1. Odpeljujni tok I₂ nasprotuje prvotnemu toku I₁. |
III. Sistemski dizajn
(1) Modul za nadzor
Modul za nadzor služi kot vir kontrolnih signalov za elektronski operacijski sistem, omogoča stvarnotočasni nadzor sprememb toka v krunicu in priskrbi ustrezne in natančne odgovore na abnormalnosti toka.
Tek pretvorbe signala:
- Zbiranje signalov: Trenutni signali so zbrani preko shunt z nizkonapetostnim koncem, ki je pripegnjen na zemljo (za preprečevanje motenj visokonapetostnih impulsov) in nenamotnega upora (za ohranjanje amplitude in valovne oblike toka).
- Obdelava signala: Prispevane napetosti (mala amplituda z visoko frekvenco) → filtra (odstranitev šuma) → izolacijska pojačevalna krunic (z uporabo visokonatančnega linearnega optokupla HCNR201, primarni strani pojačalo LM324, sekundarna stran pojačalo OP07, deluje kot DC transformator) → vzorčenje in držanje → A/D pretvorba → Poslano na SCM.
- Odgovor na napako: Če tok preseže dovoljene meje, SCM izda ukaz za preklop in aktivira zvok alarm.
(2) Obdelava podatkov s SCM
Kriterij ocenjevanja napak:
- Normalno delovanje: Stopnja rasti toka Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, vrednost toka I ≤ Iₘₐₓ.
- Kratki krog: Kᵢ > Kₘₐₓ, in I se lahko hitro poveča preko Iₘₐₓ.
Matematični model in poenostavljena izračunavanja:
Iz ΔU = ΔI · Rբ (shunt upor),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Prednosti: Po fiksiranju Δt, potrebno je le ΔU med dvema trenutkoma za izračun Kᵢ, kar izbega operacije s plavajočo vejico in znatno zmanjša čas odziva.
Kriterij napake: SCM določi napako, ko je Uᵢₙ > Uₘₐₓ ali ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Merila proti motnjam
V okolju z visokimi napetostmi in tokovi ter močno elektromagnetno motnjo je uporabljen večdimenzionalni dizajn za zmanjševanje motenj:
|
Dimenzija za motnje |
Specifične mere |
Namen |
|
Vhodni signal |
Izolacija z linearnim optokuplom HCNR201 |
Izolira kontrolni sistem od močnih krunic; zmanjša motnje in izboljša varnost. |
|
Izhodni signal |
SCM nadzira optokuplov za pogon tiristorjev v odpeljuvalni krunic |
Osigura samo povezavo signalov; preprečuje učinke visokih tokov na kontrolni sistem. |
|
Signali v predkanalu |
Nizkoprolazna filtra krunic |
Blokira RF, frekvence moči in impulzne motnje; izboljša zanesljivost. |
|
Software |
1. Kompozitni digitalni filtri (mediana + premikajoča povprečja) |
Filtrira šum v podatkih, zagotavlja natančnost ukazov in preprečuje odstopanje programa. |
(4) Splošni strukturni dizajn
Mehanizem delovanja – Dvovalen trajni magnetni mehanizem:
- Sestavine: Bobini za zapirajoči/odpirajoči mehanizem, trajni magneti, gibljivi železni jezgrji (črtkano), kužel.
- Operacijska krunic: Bobini so serijno vezane s prenapeto kapacitorno (vir energije) in tiristorji tvorijo odpeljuvalne krunic.
- Postopek dejanja: Signal SCM → pojačan z tranzistorji → nadzira vrata tiristorjev → ob napaki, SMC pošlje odpirajoči signal → tiristor se zapre → kapacitor se odpeljuje skozi odpirajočo bobino → železni jezgrji se premakne → QF se odpre. Zapiranje je ročno nadzirano preko preklopa.
Krunica za prenos toka (izboljšana struktura):
- Izboljšave: Nadomesti iskre s vakuumskimi preklopi (QF₂), zmanjša čas disperzije.
- Strukturni parametri: QF₁ in QF₂ enako oddaljeni od pivota O; dolžine rokov določene glede na specifične parametre.
- Dejanje ob napaki: Trajni magnetni mehanizem se energizira → železni jezgrji se premakne navzdol → QF₁ se odpre, QF₂ se zapre → kapacitor C se odpeljuje → lokovni tok v QF₁ preide skozi nič → lok ugašen.
IV. Sistemski poskus
- Okolje: Sintetična laboratorija za krunic, Inštitut za elektronsko moč, Univerza za tehnologijo v Dalianu.
- Metoda: Nizkofrekvenčni AC tok simuliira DC kratki krog; obratni tok pridružen na vrhu toka.
- Rezultati:
- Tokovna valovna oblika skozi QF₁ kaže, da je obratni tok točno pridružen ob t₀.
- Obratni tok prisili prehod skozi nič, doseže ugasanje loka in uspešno prekine tok kratkega kroga.
V. Zaključek
Poskusi kažejo, da novi DC preklop z elektronskim operacijskim sistemom uspešno prekine tok kratkega kroga v DC oskrbnih sistemih, z zadovoljivimi rezultati. Ta rešitev se lahko široko uporablja za zaščito pred kratkimi krogi v DC sistemih, kot so ladje, podzemnice, DC elektroliza in pečnice.
Glavne značilnosti sistema:
- Stvarnotočasno delovanje: Zbiranje na osnovi SCM omogoča stvarnotočasni nadzor z močno nadzirnostjo in minimalno časovno disperzijo.
- Hiter odziv: Poenostavljene algoritme izbega operacije s plavajočo vejico, zmanjša čas odziva za hitro zaznavanje napak.
- Zanesljivost: Dvovalen trajni magnetni mehanizem zmanjša mehanske napake in skrči čas odpiranja; izboljšana struktura zagotavlja sinhronizacijo med prekinjanjem in prenositvijo dejanj.
Inteligentna rešitev DC preklopa, predstavljena v tej študiji, ponuja visoko praktično vrednost in obetajoče uporabne možnosti, ki ustrezajo nujnemu povpraševanju po inteligentni zaščitni opremi v sodobnih DC električnih sistemih.
