Ứng dụng của các cầu chì mạch DC mới trong bảo vệ sự cố ngắn mạch

I. Giới thiệu​
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin hiện đại, trí tuệ đã trở thành xu hướng chính trong phát triển thiết bị công nghiệp. Trong lĩnh vực chuyển mạch điện áp cao, các rơ-le điện thông minh - như các thành phần kiểm soát quan trọng trong hệ thống điện - tạo nền tảng cho tự động hóa và thông minh trong hệ thống điện. Nghiên cứu này tập trung vào rơ-le điện DC thông minh dựa trên công nghệ vi điều khiển (SCM), nhấn mạnh ứng dụng thực tế của nó trong việc theo dõi dòng điện thời gian thực và ngắt lỗi trong hệ thống cung cấp điện DC trên tàu. Ngoài buồng dập hồ quang truyền thống, rơ-le điện này còn bao gồm hệ thống vận hành thông minh, đơn vị phát hiện dòng điện lỗi và đơn vị xử lý tín hiệu, giúp nó có thể giải quyết hiệu quả các yêu cầu đặc biệt của bảo vệ lỗi hệ thống DC.

​II. Nguyên lý Chuyển Dòng Điện Của Rơ-le Điện DC​
Thách thức chính đối với rơ-le điện trong hệ thống DC nằm ở việc dập hồ quang. Theo lý thuyết hồ quang, để dập một hồ quang cần có điểm cắt dòng điện. Tuy nhiên, hệ thống DC không có điểm cắt dòng điện tự nhiên, làm cho việc dập hồ quang trở nên cực kỳ khó khăn.

​Giải pháp – Nguyên lý Chuyển Dòng Điện:​​
Bằng cách đưa dòng điện ngược vào mạch, tạo ra một điểm cắt dòng điện nhân tạo, cung cấp điều kiện cần thiết để dập hồ quang. Nguyên lý cụ thể như sau:

​III. Thiết Kế Hệ Thống​

​​(1) Mô-đun Giám Sát​
Mô-đun giám sát đóng vai trò là nguồn tín hiệu điều khiển cho hệ thống vận hành điện tử, cho phép theo dõi thời gian thực sự thay đổi dòng điện trong mạch và phản hồi kịp thời, chính xác đối với bất thường về dòng điện.

​Quá Trình Xử Lý Tín Hiệu:​​

• ​Thu Tín Hiệu:​​ Tín hiệu dòng điện được thu thập thông qua chia dòng với đầu nối thấp áp được nối đất (để ngăn chặn nhiễu xung điện áp cao) và điện trở không cảm (để duy trì biên độ và dạng sóng của dòng điện).
• ​Xử Lý Tín Hiệu:​​ Tín hiệu điện áp thu được (biên độ nhỏ với nhiễu tần số cao) → mạch lọc (loại bỏ nhiễu) → mạch khuếch đại cách ly (sử dụng bộ ghép quang tuyến tính HCNR201, ampli phía sơ cấp LM324, ampli phía thứ cấp OP07, hoạt động như biến áp DC) → lấy mẫu và giữ → chuyển đổi A/D → gửi đến SCM.
• ​Phản Ứng Khi Có Lỗi:​​ Nếu dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, SCM phát lệnh nhảy và kích hoạt báo động chuông.

​​(2) Xử Lý Dữ Liệu Bằng SCM​
​Tiêu Chuẩn Phán Quyết Lỗi:​​

• Vận hành bình thường: Tốc độ tăng dòng điện Kᵢ ≤ Kₘₐₓ, giá trị dòng điện I ≤ Iₘₐₓ.
• Lỗi ngắn mạch: Kᵢ > Kₘₐₓ, và I có thể tăng nhanh vượt quá Iₘₐₓ.

​Mô Hình Toán Học Và Tính Toán Giản Hóa:​​
Từ ΔU = ΔI · Rբ (điện trở chia dòng),
Kᵥ = ΔU/Δt = Kᵢ · Rբ → Kᵢ = ΔU/(Δt · Rբ).
​Ưu Điểm:​​ Sau khi cố định Δt, chỉ cần ΔU giữa hai thời điểm để tính Kᵢ, tránh các phép toán dấu phẩy động và giảm đáng kể thời gian phản hồi.
​Tiêu Chuẩn Lỗi:​​ SCM phán đoán lỗi khi Uᵢₙ > Uₘₐₓ hoặc ΔUᵢₙ > ΔUₘₐₓ.

​​(3) Các Biện Pháp Chống Nhiễu​
Do môi trường điện áp cao, dòng điện lớn với nhiễu điện từ mạnh, thiết kế chống nhiễu đa chiều được áp dụng:

​​(4) Thiết Kế Cấu Trúc Tổng Thể​
​Mechanism Hoạt Động – Cơ Chế Từ Vĩnh Cửu Hai Vị Trí:​​

• ​Thành Phần:​​ Cuộn đóng/mở, nam châm vĩnh cửu, lõi sắt di chuyển (dashed), vỏ.
• ​Mạch Hoạt Động:​​ Cuộn dây nối tiếp với tụ điện đã sạc (nguồn năng lượng) và thyristor tạo thành mạch xả.
• ​Quá Trình Hoạt Động:​​ Tín hiệu SCM → được khuếch đại bởi transistor → điều khiển cổng thyristor → trong trường hợp lỗi, SMC gửi tín hiệu mở → thyristor dẫn → tụ điện xả thông qua cuộn mở → lõi sắt di chuyển → QF mở. Việc đóng được điều khiển thủ công qua công tắc.

​Mạch Chuyển Dòng Điện (Cấu Trúc Được Cải Tiến):​​

• ​Cải Tiến:​​ Thay thế công tắc khe hở bằng công tắc chân không (QF₂), giảm phân tán thời gian.
• ​Tham Số Cấu Trúc:​​ QF₁ và QF₂ cách đều điểm O; chiều dài cánh được xác định dựa trên các tham số cụ thể.
• ​Hành Động Khi Có Lỗi:​​ Cơ chế từ vĩnh cửu kích hoạt → lõi sắt di chuyển xuống → QF₁ mở, QF₂ đóng → tụ điện C xả → dòng điện hồ quang trong QF₁ vượt qua điểm cắt → hồ quang tắt.

​IV. Thí Nghiệm Hệ Thống​

• ​Môi Trường:​​ Phòng thí nghiệm mạch tổng hợp, Viện Điện Tử Công Suất, Đại học Kỹ Thuật Đại Liên.
• ​Phương Pháp:​​ Dòng điện AC tần số thấp mô phỏng sự tăng dòng điện ngắn mạch DC; dòng điện ngược được đưa vào tại đỉnh dòng điện.
• ​Kết Quả:​​
• Dạng sóng dòng điện qua QF₁ cho thấy dòng điện ngược được đưa vào chính xác tại t₀.
• Dòng điện ngược ép điểm cắt, đạt được việc dập hồ quang, và ngắt thành công dòng điện ngắn mạch.

​V. Kết Luận​
Các thí nghiệm chứng tỏ rằng rơ-le điện DC mới với hệ thống vận hành điện tử đã ngắt thành công dòng điện ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện DC, với kết quả hài lòng. Giải pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong bảo vệ ngắn mạch cho các hệ thống DC như tàu thủy, tàu điện ngầm, điện phân DC và lò điện.

​Đặc Điểm Hệ Thống Chính:​​

• ​Hiệu Suất Thời Gian Thực:​​ Thu thập dựa trên SCM cho phép theo dõi thời gian thực với khả năng kiểm soát mạnh và phân tán thời gian tối thiểu.
• ​Phản Ứng Nhanh:​​ Các thuật toán giản hóa tránh các phép toán dấu phẩy động, giảm thời gian phản hồi để phát hiện lỗi nhanh chóng.
• ​Độ Tin Cậy:​​ Cơ chế từ vĩnh cửu hai vị trí giảm thiểu hỏng hóc cơ khí và rút ngắn thời gian mở; cấu trúc cải tiến đảm bảo đồng bộ giữa việc ngắt và chuyển mạch.

Giải pháp rơ-le điện DC thông minh được trình bày trong nghiên cứu này mang lại giá trị thực tế cao và triển vọng ứng dụng tốt, đáp ứng nhu cầu cấp bách về thiết bị bảo vệ thông minh trong các hệ thống điện DC hiện đại.