Paggamit ng Bagong DC Circuit Breakers sa Proteksyon Laban sa Short-Circuit Fault
I. Pagkakatawan
Sa mabilis na pag-unlad ng modernong teknolohiya ng impormasyon, ang katalinuhan ay naging pangunahing trend sa pag-unlad ng mga industriyal na kagamitan. Sa larangan ng mataas na boltahe na pagsasara, ang mga intelligent circuit breakers—tulad ng mahalagang kontrol na komponente sa mga sistema ng enerhiya—ay nagbibigay ng pundasyon para sa awtomatikong at intelligent na sistema ng enerhiya. Ang pag-aaral na ito ay nakatuon sa isang intelligent DC circuit breaker batay sa single-chip microcomputer (SCM) technology, nagbibigay-diin sa kanyang praktikal na aplikasyon sa real-time current monitoring at fault interruption sa loob ng shipboard DC power supply systems. Bukod sa conventional arc-extinguishing chamber, ang circuit breaker na ito ay may kasama na intelligent operating system, fault current detection unit, at signal processing unit, na nagbibigay-daan nito upang makapag-ugnayan nang epektibo sa espesyal na mga pangangailangan ng DC system fault protection.
II. Prinsipyong Paggawa ng Current Transfer ng DC Circuit Breakers
Ang pangunahing hamon para sa mga circuit breakers sa DC systems ay nasa pag-extinguish ng arc. Ayon sa teorya ng arc, ang pag-extinguish ng arc ay nangangailangan ng isang zero-crossing point ng current. Gayunpaman, ang DC systems ay walang natural na zero point ng current, kaya napakahirap ang pag-extinguish ng arc.
Solusyon – Prinsipyong Paggawa ng Current Transfer:
Sa pamamagitan ng pagpasok ng isang reverse current sa circuit, ginagawa ang isang artipisyal na zero point ng current, na nagbibigay ng kinakailangang kondisyon para sa pag-extinguish ng arc. Ang partikular na prinsipyong ito ay kasunod:
|
Kondisyon ng Circuit |
Paggana ng Komponente |
Pagbabago ng Current at Proseso ng Pag-extinguish ng Arc |
|
Normal State |
Sarado ang circuit breaker QF. |
Inihahatid ng high-voltage DC power ang load sa pamamagitan ng QF, na nagse-set ng matatag na operasyon ng circuit. |
|
Fault State (A–B short) |
1. Tumataas nang mabilis ang current (depende sa L₁, L₂). |
1. Kontra ang discharge current I₂ sa orihinal na current I₁. |
III. Disenyo ng Sistema
(1) Monitoring Module
Ang monitoring module ay gumagamit bilang pinagmulan ng control signal para sa electronic operating system, na nagbibigay-diin sa real-time monitoring ng pagbabago ng circuit current at nagbibigay ng maagap at tama na tugon sa anormal na pagbabago ng current.
Signal Processing Flow:
- Signal Acquisition: Inililipat ang current signals sa pamamagitan ng shunt na may grounded low-voltage terminal (para iwasan ang high-voltage pulse interference) at non-inductive resistance (para panatilihin ang amplitudo at waveform ng current).
- Signal Processing: Nakolektang voltage signals (maliit na amplitudo na may high-frequency noise) → Filter circuit (pagtanggal ng noise) → Isolation amplification circuit (gamit ang high-precision linear optocoupler HCNR201, primary-side op-amp LM324, secondary-side op-amp OP07, gumagamit bilang DC transformer) → Sample and hold → A/D conversion → Ipinapadala sa SCM.
- Fault Response: Kung ang current ay lampa sa pinahihintulutang limit, inilalabas ng SCM ang trip command at binubunsod ang buzzer alarm.
(2) Data Processing ng SCM
Mga Kriteryo ng Fault Judgment:
- Normal operation: Ang rate ng pagtaas ng current Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, ang halaga ng current I ≤ Iₘₐₓ.
- Short-circuit fault: Kᵢ > Kₘₐₓ, at maaaring lampa ang I nang mabilis sa Iₘₐₓ.
Mathematical Model at Simplified Calculation:
Mula ΔU = ΔI · Rբ (shunt resistance),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
Advantage: Matapos itakda ang Δt, kailangan lamang ng ΔU sa pagitan ng dalawang punto upang makalkula ang Kᵢ, na iwas sa floating-point operations at nagpapababa ng response time.
Fault Criterion: Inilalabas ng SCM ang fault kapag Uᵢₙ > Uₘₐₓ o ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.
(3) Anti-Interference Measures
Dahil sa high-voltage, high-current environment na may malakas na electromagnetic interference, ginagamit ang multi-dimensional anti-interference design:
|
Anti-Interference Dimension |
Specific Measures |
Layunin |
|
Input Signal |
Isolation via linear optocoupler HCNR201 |
Isolates control system from high-power circuits; suppresses interference and enhances safety. |
|
Signal Output |
SCM controls optocoupler switches to drive thyristors in discharge circuit |
Ensures only signal connection; prevents high-current effects on control system. |
|
Signal Pre-Channel |
Low-pass filter circuit |
Blocks RF, power frequency, and pulse interference; improves reliability. |
|
Software Level |
1. Composite digital filtering (median + moving average) |
Filters data noise, ensures command accuracy, and prevents program runaway. |
(4) Overall Structural Design
Operating Mechanism – Bistable Permanent Magnet Mechanism:
- Composition: Closing/opening coils, permanent magnets, moving iron core (dashed), housing.
- Operating Circuit: Coils series-connected with pre-charged capacitors (energy source) and thyristors form discharge circuits.
- Action Process: SCM signal → amplified by transistors → controls thyristor gates → during fault, SMC sends opening signal → thyristor conducts → capacitor discharges through opening coil → iron core moves → QF opens. Closing is manually controlled via a switch.
Current Transfer Circuit (Improved Structure):
- Improvement: Replaces spark gap switches with vacuum switches (QF₂), reducing time dispersion.
- Structural Parameters: QF₁ and QF₂ equidistant from pivot O; arm lengths determined based on specific parameters.
- Fault Action: Permanent magnet mechanism energizes → iron core moves down → QF₁ opens, QF₂ closes → capacitor C discharges → arc current in QF₁ crosses zero → arc extinguishes.
IV. System Experiment
- Environment: Synthetic Circuit Laboratory, Institute of Power Electronics, Dalian University of Technology.
- Method: Low-frequency AC current simulates DC short-circuit rise; reverse current introduced at peak current.
- Results:
- Current waveform through QF₁ shows reverse current precisely introduced at t₀.
- Reverse current forces zero-crossing, achieves arc extinction, and successfully interrupts short-circuit current.
V. Conclusion
Ang mga eksperimento ay nagpapatunay na ang bagong DC circuit breaker na may electronic operating system ay matagumpay na nag-interrupt ng short-circuit currents sa DC power supply systems, na may sapat na resulta. Ang solusyong ito ay maaaring malaganap na gamitin sa short-circuit protection para sa DC systems tulad ng mga barko, subways, DC electrolysis, at electric furnaces.
Core System Features:
- Real-Time Performance: SCM-based acquisition enables real-time monitoring with strong controllability and minimal time dispersion.
- Rapid Response: Simplified algorithms avoid floating-point operations, reducing response time for quick fault detection.
- Reliability: Bistable permanent magnet mechanism reduces mechanical failures and shortens opening time; improved structure ensures synchronization between interruption and transfer operations.
Ang intelligent DC circuit breaker solution na ipinakilala sa pag-aaral na ito ay nagbibigay ng mataas na praktikal na halaga at magandang application prospects, na sumasagot sa urgenteng pangangailangan para sa intelligent protection equipment sa modernong DC power systems.
