塑殼斷路器瞬動校驗電流誤差分解與控制方法

王金偉，杜太行

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

斷路器是低壓保護類電器的代表性產(chǎn)品，它的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全，斷路器的誤動和拒動都會帶來巨大的損失.近年來由于斷路器故障引起的火災(zāi)和大面積停電事故的例子舉不勝舉.因此，人們非常重視對這類保護性電器的研究.

斷路器的短路保護又稱為瞬動保護，GB/Z22074-2008《塑料外殼式斷路器可靠性試驗方法》規(guī)定：當塑殼斷路器觸頭回路流過8倍額定電流時，斷路器在200毫秒內(nèi)不能脫扣、流過12倍額定電流時在200毫秒內(nèi)必須脫扣[1].斷路器瞬動保護整定方法是：根據(jù)標準要求產(chǎn)生相應(yīng)的校驗電流，觀察其是否有脫扣的情況.當不滿足要求時，調(diào)整內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)使其達到瞬動保護的要求[2-3].為了保證瞬動保護的可靠性，要求瞬動校驗電流始終保持一定的精度，不受斷路器內(nèi)阻、環(huán)境溫度以及調(diào)試裝置本身的影響，并盡量減小電路閉合時流過斷路器觸頭的交流電流的非周期分量[4].

然而，Hartford Insurance公司的一項調(diào)查顯示：空氣斷路器在電力系統(tǒng)失效率為19.5%.NETA（InterNational ElectricalTesting Association）公司對斷路器測試結(jié)果顯示失效率超過15%.斷路器存在失效問題[5]，失效原因是斷路器產(chǎn)品通過出廠例行檢測后，在實際使用中依然出現(xiàn)誤動和拒動現(xiàn)象，由此反映出斷路器產(chǎn)品出廠前調(diào)試技術(shù)落后，校驗電流沒能達到規(guī)定的要求.

1 校驗電流誤差產(chǎn)生的原因

由于塑殼斷路器調(diào)試回路中包括調(diào)壓器（TA）、大電流變壓器（TB）、電磁脫扣器等電氣單元，如圖1所示，主回路呈現(xiàn)感性.

如果采用隨機合閘的方式施加電壓，產(chǎn)生的試驗電流中含有暫態(tài)分量[6]，見公式1.

圖1 塑殼斷路器短路電流調(diào)試電路Fig.1 MCCB short-circuitcurrentdebugging circuit

式中： 為試驗裝置主回路功率因數(shù)角； 為試驗電流峰值； 為電源電壓合閘相位。

從式 (1)可以看出，校驗電流 由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量兩部分組成.是校驗電流穩(wěn)態(tài)分量，是期望的校驗電流.電流暫態(tài)分量.

由此可以得到，校驗電流誤差由兩部分組成：1）是施加電壓不準確產(chǎn)生的電流幅值 誤差；2）是隨合閘相角變化的電流暫態(tài)分量，這個暫態(tài)分量就是標準中提到非周期分量.

其中：電流暫態(tài)分量是隨合閘相角變化的，從理論上來說，其變化范圍為1～0 .電流暫態(tài)分量不但對校驗電流的大小產(chǎn)生影響，而且也影響到對電壓不準確所產(chǎn)生的電流幅值誤差的判斷.因此，當校驗電流產(chǎn)生后，對其誤差的分解是下次試驗時消除誤差的基礎(chǔ).

2 校驗電流的誤差分解

瞬動校驗是可以重復(fù)進行的.因此，可以參考上次的誤差調(diào)節(jié)本次的控制量消除誤差，實現(xiàn)廣義的閉環(huán)控制.從控制理論的角度來說，校驗電流發(fā)生系統(tǒng)是一個雙輸入、單輸出的系統(tǒng).輸入分別為：施加電壓的大小、合閘相角；輸出為電流.對于電流誤差的分解（解耦）是實現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵[7].

2.1 合閘相角誤差

從式 (1)觀察可得，當合閘相角等于系統(tǒng)功率因數(shù)角時，即 =0，暫態(tài)分量2= sin/tan為0，否則就會存在暫態(tài)分量.求合閘相角誤差的方法為對公式1的等式兩邊從0～取積分，可得

取 =2 /，其中 取整數(shù)，并且保證 4tan/.由于周期函數(shù)的特性，式 (2)右面的第一項為0.

設(shè) = 代入式 (2)整理后可得

式 (3)等式左面對校驗電流 0～ 的積分，可以用0～ 校驗電流采樣值之和來代替，可得

式中： 為校驗電流的采樣周期.

根據(jù)式 (4)可見，合閘相角誤差 近似于暫態(tài)分量的和成正比.

2.2 校驗電流幅值誤差

產(chǎn)生的校驗電流有穩(wěn)態(tài)分量1和暫態(tài)分量2兩部分組成.其中暫態(tài)分量2是呈現(xiàn)指數(shù)衰減的，一般認為當 4tan 后20.因此，檢測到的試驗電流數(shù)組中取靠后的一段就可以認為只包含穩(wěn)態(tài)分量1.用這段數(shù)據(jù)可以方便的求取電流的有效值 .它與預(yù)期的校驗電流*之間的誤差 =*，即為幅值誤差.

2.3 校驗電流的評價方法

建立評價機制，制定評價容限，當誤差超過容限值，判定本次試驗無效.當誤差在容限范圍內(nèi)時，判定本次校驗電流合格.

校驗電流的選相合閘誤差和幅值誤差的產(chǎn)生，來自試驗設(shè)備的不同環(huán)節(jié)，幅值誤差來自電壓控制與調(diào)整環(huán)節(jié)，選相合閘誤差來自功率因數(shù)檢測與選相執(zhí)行環(huán)節(jié).因此，對校驗電流的評價也需要分別進行.如果其中有一個環(huán)節(jié)誤差超標就可以認為校驗電流的精度沒有達到要求.

校驗電流幅值誤差的評價可以采用相對誤差 表示.假定相對誤差不超過3%為合格.即

可以根據(jù)式 (3)非周期分量之和表示相對誤差 ，來評價選相合閘誤差.假定最大相對誤差不超過5%為合格.令 =sin tan 5%，可得

從式 (6)可見，對 的限定，實際是對選相角精度提出的要求.

3 校驗電流的逐步逼近控制

3.1 控制系統(tǒng)組成

校驗電流持續(xù)時間為200ms，在如此短的時間內(nèi)，對一個周期性的變量采用常規(guī)的反饋控制，來保證周期變量的幅值精度是無法現(xiàn)實的.然而，斷路器瞬動試驗是可以重復(fù)進行的.當校驗電流產(chǎn)生后，根據(jù)上述評價方法對校驗電流的誤差進行分析評價.電流達到要求時，認可試驗結(jié)果，否則依據(jù)誤差分解的結(jié)果，分別進行控制參數(shù)調(diào)節(jié)，保證下一次校驗電流的精度.這樣可以將試驗系統(tǒng)看作是一個廣義的閉環(huán)系統(tǒng)，每次校驗電流的誤差，作為反饋量來修正下次的控制量，逐步消除誤差，逼近期望值[8].

校驗電流控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.

系統(tǒng)包含3個部分：電流產(chǎn)生機構(gòu)、電流評價與誤差分解環(huán)節(jié)和逐步逼近復(fù)合控制器.

圖2 校驗電流控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Calibration currentcontrolsystem block diagram

3.2 校驗電流逐步逼近復(fù)合控制器

控制器分為電流幅值控制器和選相控制器.

3.2.1 電流幅值控制器

為了保證校驗電流幅值，施加試驗電壓有效值 的計算方法見式 (7).

式中：1為額定電流對應(yīng)試驗電壓有效值； 為預(yù)期電流*與額定電流的比值；*為克服非線性影響的電壓補償系數(shù)； 為校驗電流幅值穩(wěn)態(tài)誤差之和； 為控制系數(shù)。

電壓補償系數(shù)*，可以根據(jù)專家經(jīng)驗獲取[9]，保存到列表中，根據(jù)期望電流的等級查詢得到.

3.2.2 選相控制器

為了消除校驗電流暫態(tài)分量，合閘相角 的計算方法見式 (8).

式中：1為額定電流時檢測到的功率因數(shù)角； 為前一次合閘相角誤差，計算方法如式(4)； 為控制系數(shù)。

圖3 系統(tǒng)仿真框圖Fig.3 Block diagram of the system simulation

4 算法仿真

首先建立各個環(huán)節(jié)傳遞關(guān)系，搭建仿真平臺，系統(tǒng)如圖3所示.

該仿真系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)，1）逐步逼近控制器、電流誤差分解和試驗邏輯控制，它采用S-Function實現(xiàn)控制算法；2）電動調(diào)壓器環(huán)節(jié)，采用zo子系統(tǒng)實現(xiàn)電壓的傳遞算法；3）大電流變壓器子系統(tǒng)[10]，采用ddm子系統(tǒng)實現(xiàn)電壓的傳遞算法；4）試品的電磁脫扣環(huán)節(jié)，Zd子系統(tǒng)模擬其阻抗.外加電壓POWERSOURCE有效值為380 V，期望電流為2 500 A.

仿真控制邏輯如圖4所示.

仿真試驗電流波形如圖5所示，仿真中第1次試驗的試驗電壓和合閘相角初值是隨意給定的，第1次產(chǎn)生的試驗電流波形存在嚴重暫態(tài)過程，電流的穩(wěn)態(tài)幅誤差也較大.通過對第1次試驗電流誤差分解和逐步逼近控制器調(diào)節(jié)，第2次試驗校驗電流有效值為2 513 A，幅值誤差為0.52%，基本不含暫態(tài)分量.由此可以證明，本文闡述的斷路器瞬動校驗電流誤差分析評價，以及逐步逼近控制方法，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)校驗電流的幅值和相角誤差的精確控制.

圖4 系統(tǒng)仿真控制邏輯圖Fig.4 Control logic diagram of system simulation

5 結(jié)論

將該技術(shù)應(yīng)用到試驗設(shè)備上，實際測量校驗試驗現(xiàn)場電流波形如圖6所示.為了方便觀察和對比，試驗電流、電壓波形經(jīng)過了歸一化處理.試驗分為額定電流試驗，8倍額定電流試驗，12倍額定電流試驗3部分，通過額定電流試驗，測量空載電壓1和回路的功率因數(shù)角1.

采用逐步逼近控制，在8倍和12倍額定電流試驗過程中，試驗值電流可以達到較高精度，且基本不含非周期分量，滿足試驗要求.

圖5 校驗電流仿真波形圖Fig.5 Calibration currentsimulationwaveform

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