Проектирование и разработка защитного устройства на базе микроконтроллера для защиты системы от перенапряжений, падения напряжения, перегрузок

Введение

Системы электроснабжения созданы для обеспечения непрерывной выработки, передачи и потребления энергии. Система способна выдерживать различные погодные и эксплуатационные воздействия, которые соответствуют нормальным условиям эксплуатации. Аномальные условия, которые может испытывать система, встречаются редко, но происходят. К ним относятся молнии, поражающие линии электропередач, чрезмерная загрузка, ухудшение или разрушение изоляции оборудования. В результате энергосистемы могут испытывать случайные сбои. Когда происходит неполадка, необходимы меры защиты и управления, чтобы остановить разрушение энергосистемы, восстановить систему в нормальном состоянии и свести к минимуму воздействия аварии [1]. Неисправности и сбои обычно происходят в энергосистемах и могут быть серьезными, если их не устранять. Защитные реле используются для обнаружения любых неисправностей в энергосистеме и изолируют неисправную часть системы в кратчайшие сроки [2]. Защитное реле функционирует как чувствительное устройство, оно распознает неисправность, затем определяет его местоположение и, наконец, отправляет команду на отключение автоматического выключателя. Автоматический выключатель после получения команды от защитного реле отключает неисправный элемент. Из этого можно сделать вывод о том, что защитное реле играет жизненно важную роль. По сути, быстро устраняя неисправность с помощью быстродействующего защитного реле и связанного с ним выключателя, повреждение устройства снижается, последующие опасности, такие как пожар, риск жизни сокращаются путем обесточивания конкретного неисправного участка, бесперебойное снабжение поддерживается через неповрежденный участок, время возникновения аварии уменьшается, предотвращается дальнейшее разрушение системы. Все вышеуказанные цели могут быть достигнуты только в том случае, если защитное реле является надежным, ремонтопригодным и достаточно чувствительным, чтобы отличать нормальные и ненормальные условия. Защитные реле не исключают возможности возникновения сбоя, а их действие запускается только после того, как в системе произошла ошибка [3]. Цифровые защитные реле (NPR) просты в эксплуатации, настройке и ремонте. Токовые защиты широко используются в защите системы электроснабжения. Реализованный дизайн - это в основном система на микроконтроллере [4]. Защитные реле спроектированы таким образом, чтобы поддерживать высокую степень непрерывности обслуживания и ограничивать повреждения в энергосистемах. Важность услуг, предлагаемых энергосистемами, а также высокий объем инвестиций, которые представляют собой оборудование, делают нормальную и постоянную работу энергетических систем критической и стратегической для каждого общества [5].

Выполненная система защиты

Структурная схема, показанная выше, представляет собой предлагаемое цифровое реле. Это устройство, которое имеет возможность управлять работой автоматического выключателя путем измерения величин энергосистемы, таких как напряжение и ток, и обработки их через свою внутреннюю логику. Внутренняя логика позволяет реле инициировать последовательность отключения при возникновении анормальных условий в энергосистеме [5].

Микроконтроллер

Здесь в этой системе функция микроконтроллера - получать мгновенные значения однофазного напряжения и тока через АЦП с 10-разрядным разрешением. Затем эти образцы однофазного напряжения и тока будут сохранены для расчета Значения RMS. После этого значения RMS будут сравниваться с установленными допустимыми значениями напряжения и тока. Если значения RMS превышают (или падает ниже в случае пониженного напряжения) заданное допустимое значение, то сигнал будет отправлен для отключения реле соответственно [6]. Значения RMS также используются для однофазного анализа неисправностей и отправки сигналов отключения, если это так. RMS, т. е. среднеквадратичные значения корня, представляют собой DC. эквивалент значения AC. Другими словами, если у нас есть две цепи: одна DC. и одна AC., и мы хотим, чтобы они использовали точно такое же количество энергии (энергия каждую секунду), тогда мы бы выбрали значения DC. Ток и напряжение должны быть такими же, как среднеквадратические значения тока и напряжения в цепи AC. Для синусоидальной волны значение RMS составляет приблизительно 0,707 от его пикового значения. V_RMS = V₀ / √2 и I_RMS = I₀ / √2, где V₀ и I₀ - пиковые значения. Корневая средняя квадрат вычисляется так, как следует из названия; сначала квадратируем величину, затем вычисляем среднее значение и, наконец, квадратный корень среднего квадрата, так оно и делается на микроконтроллере:

Root-Mean-Square (RMS) Voltage:

for (n=0; n < number_of_samples; n++)

{

// inst_voltage calculation from raw ADC input goes here.

squared_voltage = inst_voltage * inst_voltage;

sum_squared_voltage += squared_voltage;

}

mean_square_voltage = sum_squared_voltage / nu

mber_of_samples;

root_mean_square_voltage = sqrt(mean_square_voltage);

Перегрузки

Перегрузка означает чрезмерную нагрузку на систему, а избыточный ток проявляется из-за повреждения изоляции и т. д. Цифровое реле максимального тока срабатывает автоматически, когда значение тока поднимается выше допустимого значения. Перегрузка системы была проверена в лаборатории, постепенно увеличивая нагрузку с помощью банка загрузки. Ток можно измерять с помощью датчиков эффекта холла или путем установки трансформаторов тока (ТТ)[3]. ТТ являются незаменимым инструментом для измерения тока. ТT - это устройство, которое создает уменьшенный ток во вторичной обмотке, точно пропорциональный току, протекающему в его первичной обмотке. Как трансформатор напряжения, отношение обмоток определяет соотношение между входным и выходным токами. Вторичный (выходной) ток течет во вторичную нагрузку, обычно называемую резистором нагрузки. Первичная обмотка обычно представляет собой проводник тока, проходящий через отверстие в сердечнике ТТ. Здесь тип кольца или твердотельный сердечник ТT. Ядро обычно является кольцевым и имеет тенденцию быть более точным и компактным.