Primena novih prekidaja na strujni tok u zaštiti od krajnjih krivica
I. Uvod
Sa brzim napredovanjem moderne informacione tehnologije, inteligencija je postala glavna tendencija u razvoju industrijskog opreme. U oblasti visokonaponskog preključivanja, inteligentni prekidaci - kao ključne komponente za kontrolu u sistemu snabdijevanja električnom energijom - čine temelj automatizacije i inteligencije u sistemima snabdijevanja električnom energijom. Ova studija fokusira se na inteligentni DC prekidac zasnovan na tehnologiji mikrokontrolera (SCM), naglašavajući njegovu praktičnu primenu u stvarnom vremenu za praćenje struje i prekid grešaka unutar brodskih DC sistema snabdijevanja električnom energijom. Pored konvencionalne kamere za gasenje lukova, ovaj prekidac uključuje inteligentni operativni sistem, jedinicu za detekciju greškovne struje i jedinicu za obradu signala, omogućavajući mu da efikasno reši specifične zahteve zaštitnih sistema DC.
II. Princip prenosa struje DC prekidaca
Jezgreni izazov za prekidace u DC sistemima leži u gasenju luka. Prema teoriji luka, potrebna je tačka nule struje za gasenje luka. Međutim, DC sistemi nemaju prirodnu tačku nule struje, što čini gasenje luka izuzetno teškim.
Rešenje - Princip prenosa struje:
Uvođenjem inverzne struje u kola, stvara se umetnička tačka nule struje, obezbeđujući potreban uslov za gasenje luka. Konkretni princip je sledeći:
|
Stanje kola |
Funkcionisanje komponenti |
Promena struje i proces gasenja luka |
|
Normalno stanje |
Prekidac QF je zatvoren. |
Visokonaponski DC sistem snabdeva opterećenje kroz QF, osiguravajući stabilno funkcionisanje kola. |
|
Greškovno stanje (A–B kratak spoj) |
1. Struja se brzo povećava (stopa zavisi od L₁, L₂). |
1. Ispraznjava struja I₂ suprotstavlja originalnu struju I₁. |
III. Sistem dizajna
(1) Modul nadzora
Modul nadzora služi kao izvor kontrolnih signala za elektronski operativni sistem, omogućavajući stvarno-vremensko praćenje promena struje u kolu i pružajući pravočasne i precizne odgovore na anormalnosti struje.
Tok obrade signala:
- Akcija signala: Signali struje se prikupljaju putem šunt-a sa zemljenim niskonaponskim terminalom (za sprečavanje interferencije visokonaponskih impulsa) i neinduktivnim otporom (za održavanje amplituda i talasa struje).
- Obrada signala: Prihvaćeni signali napona (male amplitude sa visokofrekventnim šumom) → Filter kola (uklanjanje šuma) → Izolaciono pojačavajuće kolo (koristeći visokoprecizni linearni optokupljač HCNR201, pojačivač na primarnoj strani LM324, pojačivač na sekundarnoj strani OP07, koji deluje kao DC transformator) → Uzorkovanje i čuvanje → A/D konverzija → Poslat na SCM.
- Odgovor na grešku: Ako struja premaši dozvoljene granice, SCM emituje naredbu za isključivanje i aktivira alarm zvonika.
(2) Obrada podataka pomoću SCM
Kriterijumi procene greške:
- Normalna operacija: Stopa rasta struje Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, vrednost struje I ≤ Iₘₐₓ.
- Greška kratkog spoja: Kᵢ > Kₘₐₓ, a I može brzo premašiti Iₘₐₓ.
Matematički model i pojednostavljeno računanje:
Iz ΔU = ΔI · Rբ (otpornost šunta),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Prednost: Nakon fiksiranja Δt, potrebno je samo ΔU između dva trenutka za izračunavanje Kᵢ, izbegavajući operacije s pokretnim zarezom i značajno smanjujući vreme odgovora.
Kriterijum greške: SCM zaključuje da je došlo do greške kada Uᵢₙ > Uₘₐₓ ili ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Mere protiv interferencije
Zbog visokonaponskog, visokostrujnog okruženja sa jakom elektromagnetnom interferencijom, koristi se multidimenzioni dizajn protiv interferencije:
|
Dimenzija protiv interferencije |
Konkretna mera |
Cilj |
|
Ulazni signal |
Izolacija putem linearnog optokupljača HCNR201 |
Izoluje kontrolni sistem od viskokapacitetskih kola; suzbija interferenciju i poboljšava bezbednost. |
|
Izlazni signal |
SCM kontroluje optokupljačke prekidače za upravljanje tiristorskim kola za ispraznjavač |
Osigurava samo vezu signala; sprječava uticaj visokih struja na kontrolni sistem. |
|
Prekanal signala |
Niskoprohodni filter kola |
Blokira RF, frekvencije struje i impulsnih interferencija; poboljšava pouzdanost. |
|
Softverski nivo |
1. Kompozitni digitalni filter (median + klizići prosek) |
Filtrira šum podataka, osigurava preciznost naredbi i sprečava nestabilnost programa. |
(4) Dizajn ukupne strukture
Mehanizam rada - Bistabilni permanentni magnetni mehanizam:
- Sastav: Zavojnice za zatvaranje/otvaranje, permanentni magneti, pokretni železni jezgra (iscrtano crtačkom linijom), kućište.
- Radijalni kolo: Serijski spojeni zavojnici sa preopterećenim kondenzatorima (izvor energije) i tiristorima formiraju ispraznjavačka kola.
- Proces akcije: Signal SCM → pojačan tranzistorima → kontrola vrata tiristora → tokom greške, SMC šalje signal za otvaranje → tiristor provodi → kondenzator se ispraznjava kroz zavojnicu za otvaranje → železni jezgru se kreće → QF se otvara. Zatvaranje se ručno kontroli putem prekidača.
Kolo za prenos struje (poboljšana struktura):
- Poboljšanje: Zamjenjuje se prekidač sa iskrenom rasponom sa vakuumskim prekidačem (QF₂), smanjujući vremensku disperziju.
- Strukturni parametri: QF₁ i QF₂ su jednako udaljeni od točke O; dužine ramena određene na osnovu specifičnih parametara.
- Akcija greške: Permanentni magnetni mehanizam energizira → železni jezgru se kreće naniže → QF₁ se otvara, QF₂ se zatvara → kondenzator C se ispraznjava → struja luka u QF₁ prelazi kroz nulu → luk se gasi.
IV. Eksperimenti sistema
- Okruženje: Laboratorija sintetičkih kola, Institut za elektroniku snage, Univerzitet Tehnologije u Dalijanu.
- Metoda: Niskofrekventna AC struja simulira porast DC kratkog spoja; inverzna struja se uvođi na vrhu struje.
- Rezultati:
- Talasna forma struje kroz QF₁ pokazuje precizno uvođenje inverzne struje u t₀.
- Inverzna struja prisiljava prelaz kroz nulu, postiže gasenje luka i uspešno prekida struju kratkog spoja.
V. Zaključak
Eksperimenti pokazuju da novi DC prekidac sa elektronskim operativnim sistemom uspešno prekida struje kratkog spoja u DC sistemima snabdijevanja električnom energijom, sa zadovoljavajućim rezultatima. Ovo rešenje može biti široko primenjeno u zaštiti od kratkih spojeva u DC sistemima poput brodova, metra, DC elektrolize i peći.
Glavne karakteristike sistema:
- Stvarno-vremenska performansa: Prihvatanje bazirano na SCM omogućava stvarno-vremensko praćenje sa jakom kontrollabilnošću i minimalnom vremenskom disperzijom.
- Brz odgovor: Pojednostavljeni algoritmi izbegavaju operacije s pokretnim zarezom, smanjujući vreme odgovora za brzu detekciju grešaka.
- Pouzdanost: Bistabilni permanentni magnetni mehanizam smanjuje mehaničke greške i skraćuje vreme otvaranja; poboljšana struktura osigurava sinhronizaciju između prekida i prenosa operacija.
Inteligentno rešenje DC prekidaca predstavljeno u ovoj studiji nudi visoku praktičnu vrijednost i obetavajuće perspektive primene, zadovoljavajući urgenciju za inteligentnim zaštitnim opremama u modernim DC sistemima snabdijevanja električnom energijom.
