Användning av nya DC-brytare i skydd mot kortslutningsfel
I. Introduktion
Med den snabba utvecklingen av modern informationsteknik har intelligens blivit en viktig trend i utvecklingen av industriutrustning. Inom området för högspänningsbrytare är intelligenta brytare – som kritiska kontrollkomponenter i strömsystem – grunden för automatisering och intelligens i strömsystem. Denna studie fokuserar på en intelligent DC-brytare baserad på teknik för enkelskivmikrodator (SCM), med betoning på dess praktiska tillämpning för realtidsövervakning av ström och avbrott vid fel i ombordssystem med direktström. Förutom ett konventionellt bågutsläckningsfack inkluderar denna brytare ett intelligents styrsystem, en enhet för detektion av feleffekt och en signalbehandlingsenhet, vilket gör att den effektivt kan hantera de särskilda kraven för skydd mot fel i DC-system.
II. Strömföringsprincip för DC-brytare
Den centrala utmaningen för brytare i DC-system ligger i bågutsläckning. Enligt bågteorin krävs en nollpassage av strömmen för att släcka en båge. DC-system saknar dock en naturlig nollpunkt, vilket gör bågutsläckning särskilt svår.
Lösning – Strömföringsprincip:
Genom att införa en motsatt ström i kretsen skapas en artificiell nollpunkt, vilket ger de nödvändiga villkoren för bågutsläckning. Den specifika principen är följande:
|
Kretsstatus |
Komponentoperation |
Förändring av ström och bågutsläckningsprocess |
|
Normal status |
Brytaren QF är stängd. |
Högspänning från DC-strömkällan levereras till belastningen via QF, vilket säkerställer stabil drift av kretsen. |
|
Felstatus (A–B kortslutning) |
1. Strömmen ökar snabbt (hastigheten beror på L₁, L₂). |
1. Utslättningsströmmen I₂ motverkar den ursprungliga strömmen I₁. |
III. Systemdesign
(1) Övervakningsmodul
Övervakningsmodulen fungerar som källan till kontrollsignalerna för det elektroniska styrsystemet, vilket möjliggör realtidsövervakning av förändringar i kretsströmmen och snabba, exakta svar på strömförändringar.
Signalbehandlingsflöde:
- Signalsamling: Strömsignaler samlas in via en shunt med en nedkopplad lågspänningskontakt (för att förhindra interferens från högspänningsimpulser) och icke-induktiv resistans (för att bevara strömförstärkning och form).
- Signalbehandling: Insamlade spännings-signaler (små amplitud med högfrekvensbrus) → Filterkrets (brusborttagning) → Isolerande förstärkningskrets (med hjälp av högprecision linear optokoppling HCNR201, primär sidas förstärkare LM324, sekundär sidas förstärkare OP07, fungerar som en DC-transformator) → Provtagning och hållning → A/D-omvandling → Skickas till SCM.
- Felsvar: Om strömmen överstiger tillåtna gränser utfärdar SCM ett avbrottskommando och aktiverar en pipalarm.
(2) Dataprocessering av SCM
Kriterier för felbedömning:
- Normal drift: Strömökningstakt Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, strömvärde I ≤ Iₘₐₓ.
- Kortslutningsfel: Kᵢ > Kₘₐₓ, och I kan snabbt överskrida Iₘₐₓ.
Matematisk modell och förenklad beräkning:
Från ΔU = ΔI · Rբ (shunt-resistans),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Fördel: Efter fastställd Δt behövs bara ΔU mellan två tidpunkter för att beräkna Kᵢ, vilket undviker flyttalsoperationer och minskar svarstiden signifikant.
Felkriterium: SCM bedömer ett fel när Uᵢₙ > Uₘₐₓ eller ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Antistörningsåtgärder
På grund av miljön med högspänning och högström samt stark elektromagnetisk interferens används flerdimensionell antistörningsdesign:
|
Antistörningsdimension |
Specifika åtgärder |
Ändamål |
|
Inmatningssignal |
Isolering via linjär optokoppling HCNR201 |
Isolerar kontrollsystemet från högeffektskretsar; undertrycker interferens och ökar säkerheten. |
|
Signalsignal |
SCM kontrollerar optokopplingsventiler för att driva thyristorer i utslettningssirkelen |
Säkerställer endast signalsamband; förhindrar effekter av högström på kontrollsystemet. |
|
Signalförkanal |
Lågpasset filterkrets |
Blokerar RF, nätspänning och pulsinferens; förbättrar tillförlitlighet. |
|
Programnivå |
1. Sammansatt digital filtrering (median + rörelsemedel) |
Filtrerar datanoise, säkerställer kommandonyhet och förhindrar programavvikelse. |
(4) Helhetsstrukturell design
Driftmekanism – Bistabil permanentmagnetmekanism:
- Sammansättning: Stängnings/öppningsbobiner, permanentmagneter, rörlig järnkärna (streckad), husring.
- Driftkrets: Bobiner seriekopplade med förutladdade kondensatorer (energiförsörjning) och thyristorer bildar utslettningssirkler.
- Verkningsschema: SCM-signal → förstärks av transistorer → kontrollerar thyristorgatter → vid fel skickar SCM ett öppningskommando → thyristor ledar → kondensator töms genom öppningsbobinen → järnkärnan rör sig → QF öppnas. Stängning styrs manuellt via en kontaktpunkt.
Strömföringskrets (förbättrad struktur):
- Förbättring: Ersätter gnistgapsventiler med vakuumventiler (QF₂), vilket minskar tidsdispersion.
- Strukturella parametrar: QF₁ och QF₂ lika avstånd från pivot O; armlängder bestämda utifrån specifika parametrar.
- Felverkan: Permanentmagnetmekanism energiseras → järnkärnan rör sig ner → QF₁ öppnas, QF₂ stängs → kondensator C töms → bågström i QF₁ passerar noll → båg släcks.
IV. Systemexperiment
- Miljö: Syntetisk kretslaboratorium, Institutionen för strömningselektronik, Dalian University of Technology.
- Metod: Lågfrekvent växelström simulerar DC-kortslutningsökning; motsatt ström införs vid toppström.
- Resultat:
- Strömförlopp genom QF₁ visar att motsatt ström precis införs vid t₀.
- Motsatt ström tvingar nollpassage, uppnår bågutsläckning och avbryter framgångsrikt kortslutningsström.
V. Slutsats
Experiment visar att den nya DC-brytaren med elektroniskt styrsystem framgångsrikt avbryter kortslutningsströmmar i DC-strömförsörjningssystem, med tillfredsställande resultat. Denna lösning kan bredt tillämpas för kortslutningskydd i DC-system som fartyg, tunnelbanor, DC-elektrolys och elektriska ugnar.
Kärnsystemegenskaper:
- Realtidsprestanda: SCM-baserad insamling möjliggör realtidsövervakning med stark kontrollbarhet och minimal tidsdispersion.
- Snabb respons: Förenklade algoritmer undviker flyttalsoperationer, vilket minskar svarstid för snabb felidentifiering.
- Tillförlitlighet: Bistabil permanentmagnetmekanism minskar mekaniska fel och förkortar öppningstid; förbättrad struktur säkerställer synkronisering mellan avbrott och överföringsoperationer.
Den intelligenta DC-brytarelösning som presenteras i denna studie erbjuder hög praktisk värde och lovande tillämpningsmöjligheter, vilket uppfyller den akuta efterfrågan på intelligenta skyddsutrustningar i moderna DC-strömsystem.
