Застосування нових відключаючих пристроїв постійного струму для захисту від коротких замикань

I. Вступ​
Зі швидким розвитком сучасних інформаційних технологій, інтелектуальність стала ключовою тенденцією у розвитку промислового обладнання. У сфері високовольтного комутування, інтелектуальні вимикачі — як ключові елементи керування в енергетичних системах — створюють основу для автоматизації та інтелектуалізації енергетичних систем. Це дослідження зосереджується на інтелектуальному постійнострімовому вимикачу на базі мікроконтролера (SCM), підкреслюючи його практичне застосування для реального контролю за потоком струму та переривання аварійних ситуацій у постійнострімових системах живлення кораблів. Окрім традиційної камери гашення дуги, цей вимикач включає інтелектуальну операційну систему, блок виявлення аварійного струму та блок обробки сигналів, що дозволяє йому ефективно задовольняти спеціальні вимоги до захисту від аварій у DC-системах.

​II. Принцип передачі струму у DC-вимикачах​
Основна проблема вимикачів у DC-системах полягає у гашенні дуги. Згідно з теорією дуги, для її гашення необхідна точка переходу через нуль. Однак, DC-системи не мають природної точки переходу через нуль, що робить процес гашення дуги особливо складним.

​Рішення — Принцип передачі струму:​​
Введення протилежного струму в коло створює штучну точку переходу через нуль, що забезпечує необхідну умову для гашення дуги. Конкретний принцип такий:

​III. Проектування системи​

​​(1) Модуль моніторингу​
Модуль моніторингу служить джерелом керуючих сигналів для електронної операційної системи, дозволяючи реального часу контролю за змінами струму в колі та надаючи своєчасні, точні відповіді на аномалії струму.

​Потік обробки сигналів:​​

• ​Збирання сигналів:​​ Сигнали струму збираються за допомогою шунту з заземленим низьковольтним кінцем (щоб запобігти впливу високовольтових імпульсів) та неіндуктивного опору (щоб зберегти амплітуду та форму хвилі струму).
• ​Обробка сигналів:​​ Здобуті напругові сигнали (мала амплітуда з високочастотним шумом) → Фільтрація (видалення шуму) → Ізоляційний усилитель (використовується високоточний лінійний оптопара HCNR201, операційний підсилювач LM324 на первинній стороні, операційний підсилювач OP07 на вторинній стороні, що діє як DC-трансформатор) → Взяття зразка та утримання → Аналого-цифрове перетворення → Надіслання до SCM.
• ​Відгук на аварію:​​ Якщо струм перевищує дозволені межі, SCM виділяє команду на відключення та активує сповіщення за допомогою дзвінка.

​​(2) Обробка даних SCM​
​Критерії визначення аварії:​​

• Нормальна робота: Швидкість зростання струму Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, значення струму I ≤ Iₘₐₓ.
• Аварія короткого замикання: Kᵢ > Kₘₐₓ, і I може швидко перевищити Iₘₐₓ.

​Математична модель та спрощені розрахунки:​​
З ΔU = ΔI · Rբ (опір шунту),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Перевага:​​ Після фіксації Δt, достатньо ΔU між двома моментами, щоб обчислити Kᵢ, що уникне плаваючої арифметики та значно скоротить час відгуку.
​Критерій аварії:​​ SCM визначає аварію, коли Uᵢₙ > Uₘₐₓ або ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

​​(3) Заходи проти інтерференції​
З урахуванням високовольтного, високострумового середовища з сильним електромагнітним завадженням, використовується багатовимірний дизайн проти інтерференції:

​​(4) Загальне проектування конструкції​
​Механізм роботи — Бістабільний перманентно-магнітний механізм:​​

• ​Склад:​​ Катушки закриття/відкриття, перманентні магніти, рухомий залізний сердечник (штрихова лінія), корпус.
• ​Експлуатаційна схема:​​ Катушки, серійно з'єднані з зарядженими конденсаторами (джерело енергії) та тирісторами, формують розрядні контури.
• ​Процес дії:​​ Сигнал SCM → підсилюється транзисторами → керує затворами тирісторів → під час аварії SMC відправляє сигнал відкриття → тирістор проводить струм → конденсатор розряджається через катушку відкриття → залізний сердечник рухається → QF відкривається. Закриття виконується вручну за допомогою перемикача.

​Контур передачі струму (покращена конструкція):​​

• ​Покращення:​​ Заміна розрядних проміжків вакуумними перемикачами (QF₂), що зменшує розсіяння часу.
• ​Конструктивні параметри:​​ QF₁ та QF₂ розташовані на однаковій відстані від осі O; довжина плеч залежать від конкретних параметрів.
• ​Дія під час аварії:​​ Перманентно-магнітний механізм енергізується → залізний сердечник рухається вниз → QF₁ відкривається, QF₂ закривається → конденсатор C розряджається → струм дуги в QF₁ переходить через нуль → дуга гаситься.

​IV. Експерименти системи​

• ​Середовище:​​ Лабораторія синтетичних кіл, Інститут електронної техніки, Даляньський політехнічний університет.
• ​Метод:​​ Низькочастотний струм AC імітує зростання струму короткого замикання DC; протилежний струм вводиться в момент максимального струму.
• ​Результати:​​
• Хвиля струму через QF₁ показує точне введення протилежного струму в момент t₀.
• Протилежний струм примушує перехід через нуль, досягає гашення дуги та успішно перериває струм короткого замикання.

​V. Висновок​
Експерименти показують, що новий DC-вимикач з електронною операційною системою успішно перериває струм короткого замикання в DC-системах живлення, з досягнутими результатами. Це рішення може широко застосовуватися для захисту від короткого замикання в DC-системах, таких як кораблі, метро, DC-електроліз та електропечі.

​Основні характеристики системи:​​

• ​Реальність часу:​​ Збор даних на базі SCM забезпечує реальний контроль з сильним керуванням та мінімальним розсіянням часу.
• ​Швидка реакція:​​ Спрощені алгоритми уникдають плаваючої арифметики, що скорочує час відгуку для швидкого виявлення аварій.
• ​Надійність:​​ Бістабільний перманентно-магнітний механізм зменшує механічні відмови та скорочує час відкриття; покращена конструкція забезпечує синхронізацію між перериванням та передачею операцій.

Інтелектуальне рішення DC-вимикача, представлене в цьому дослідженні, має високу практичну цінність та обіцяючі перспективи застосування, задовольняючи насущну потребу у інтелектуальному захисному обладнанні сучасних DC-енергетичних систем.