基于Matlab的合成回路電流源參數(shù)計(jì)算及仿真

蔡志遠(yuǎn)，李 崇

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

基于Matlab的合成回路電流源參數(shù)計(jì)算及仿真

蔡志遠(yuǎn)，李 崇

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

合成回路試驗(yàn)是在保證等價(jià)性的前提下，對(duì)斷路器進(jìn)行開斷試驗(yàn)可靠有效的試驗(yàn)裝置。由于在進(jìn)行合成試驗(yàn)之前，每次進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)都要對(duì)電流源參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，使得試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作時(shí)間過長(zhǎng)。應(yīng)用Matlab編寫出計(jì)算電流源參數(shù)的程序，根據(jù)相應(yīng)合成試驗(yàn)給定的參數(shù)，計(jì)算出電流源的合理參數(shù)，并給出試驗(yàn)所需器材的數(shù)量。簡(jiǎn)化合成試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，同時(shí)結(jié)合Matlab/Simulink仿真提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

合成回路;電流源;參數(shù)計(jì)算;仿真

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科技水平的不斷提高，我國(guó)電網(wǎng)的容量和電壓等級(jí)也不斷的提高，因此對(duì)電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。斷路器是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要器件，為了滿足電網(wǎng)容量不斷增大的需求，我國(guó)對(duì)斷路器分?jǐn)嗄芰σ蟛粩嗵岣?，所以各類斷路器在投入使用前的檢測(cè)就有相對(duì)較為嚴(yán)格的要求。世界各國(guó)針對(duì)檢測(cè)斷路器開斷特性問題，研發(fā)出許多的試驗(yàn)方法，其中合成回路試驗(yàn)是在保證等價(jià)性的前提下，對(duì)斷路器進(jìn)行開斷試驗(yàn)的可靠有效的試驗(yàn)裝置。由于比照其它試驗(yàn)方法，合成試驗(yàn)更為經(jīng)濟(jì)，操作更加簡(jiǎn)單方便，對(duì)斷路器破壞作用小，試驗(yàn)范圍等級(jí)可調(diào)，可適用于多等級(jí)斷路器檢測(cè)，得到了世界各國(guó)的廣泛應(yīng)用，合成回路試驗(yàn)法已成為試驗(yàn)各種斷路器分?jǐn)嗄芰Φ囊环N重要方法。

1 合成回路簡(jiǎn)述

由于斷路器在實(shí)際開斷過程中大電流和高電壓并不是同時(shí)作用在斷路器上，因此，在進(jìn)行合成試驗(yàn)時(shí)，就可以由兩個(gè)獨(dú)立的電源來分別提供流過被試斷路器的電流和作用于被試斷路器兩端的恢復(fù)電壓，分別稱為電流源回路和電壓源回路，電流源回路的特點(diǎn)是低壓大電流，而電壓源回路的特點(diǎn)是小電流高電壓［1］。

在進(jìn)行合成試驗(yàn)時(shí)，在被試斷路器從觸頭分離起至被試斷路器開斷前電弧電壓顯著變化為止的時(shí)間段內(nèi)，被試斷路器流過大的電弧電流，但由于斷口維持低電阻，作用于斷口兩端的電壓約為電弧電壓，數(shù)值很低，此階段被試斷路器上只有電流源在起作用［2］。在電流過零、電弧熄滅前的一段時(shí)間內(nèi)，電流源和電壓源相互作用，電弧由短路電流負(fù)荷轉(zhuǎn)入高電壓負(fù)荷，隨著電流趨于0，使得流經(jīng)電弧的電流畸變，因此電流的變化率也將偏離相應(yīng)的預(yù)期電流的變化率。隨后，被試斷路器兩端的電壓與電流一起降至0，并改變極性，斷路器兩端出現(xiàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓。由于弧隙電導(dǎo)的緣故，斷口會(huì)流過弧隙電流。在流過斷口的任何電流都消失后，被試斷路器完全開斷。開斷過程如圖1所示。

圖1 短路電流開端過程

2 電流源相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

本合成回路試驗(yàn)站的電流源是由電容、電感振蕩放電回路提供，可以進(jìn)行短路電流在63 kA以下T10，T30，T60，T100S(b)的單項(xiàng)短路合成試驗(yàn)。本試驗(yàn)站電流源如圖2所示，其中電容器擬采用型號(hào)MWY-30-18脈沖電容器，其額定電壓為30 kV，電容值為18 μF。電抗器采用型號(hào)為PYB-20-10，電感值為10 mH的電抗器，動(dòng)穩(wěn)定電流20 kA(峰值)，最高工作電壓43 kV，頻率50 Hz。以63 kA短路試驗(yàn)為例，對(duì)電流源相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)要求短路電流持續(xù)第3個(gè)半波時(shí)衰減不超過10%。

圖2 振蕩電流源示意圖

2.1 充電電容器值CC和電抗器值LC的確定

脈沖電容器有良好的儲(chǔ)能作用，在一段時(shí)間內(nèi)用小功率電源對(duì)其充電，所充的能量會(huì)被脈沖電容器全部?jī)?chǔ)存起來，充當(dāng)電源使用，當(dāng)需要時(shí)，脈沖電容器可在瞬時(shí)內(nèi)就把其儲(chǔ)蓄的電能快速供給所需負(fù)載，形成強(qiáng)大的沖擊電流并具備非常大的功率。所以目前試驗(yàn)中，電流源電容器采用單臺(tái)電容器18 μF，額定電壓為30 kV的脈沖電容器。當(dāng)CC和LC振蕩電路放電時(shí)產(chǎn)生周期性的電流時(shí)，振蕩電路需要滿足，根據(jù)二階電路零輸出響應(yīng)的相應(yīng)公式可以計(jì)算得出:

為給充電電容器留有一定的裕度，選定電容器充電電壓U0為25 kV，同時(shí)電流源需要產(chǎn)生頻率為50 Hz的電流，即ω為工頻角頻率314 rad/s，則要獲得63 kA的短路電流由式 (1)可得:

2.2 調(diào)頻回路參數(shù)計(jì)算

電流源回路中輔助開關(guān)所在調(diào)頻支路作用是在輔助開關(guān)開斷短路電流后，使加在輔助開關(guān)上的瞬態(tài)恢復(fù)電壓條件等級(jí)較低，由于輔助開關(guān)在開斷電流源的大電流后需要承載電流源所產(chǎn)生的恢復(fù)電壓，因此，調(diào)頻參數(shù)調(diào)節(jié)電流源回路瞬態(tài)恢復(fù)電壓的目的就是盡量降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率，使輔助開關(guān)斷口上的電壓恢復(fù)頻率不會(huì)太高而發(fā)生重?fù)舸?。調(diào)頻支路可以調(diào)節(jié)短路電流的頻率大小，便于輔助開關(guān)能夠更好地開斷短路電流，以滿足試驗(yàn)要求，保證合成試驗(yàn)的成功率［5］。

根據(jù)實(shí)際電路的情況，考慮電壓源回路瞬態(tài)電壓上升率，本文選擇的輔助斷路器能承受上升率為50 V/μs的瞬態(tài)恢復(fù)電壓等級(jí)。根據(jù)式 (3)、式(4)可以計(jì)算相應(yīng)的調(diào)頻回路參數(shù)。

在確定電容器充電電壓為25 kV的條件下，要得到63 kA工頻試驗(yàn)電流，根據(jù)式 (2)確定的總電抗器值為

3 Matlab計(jì)算與仿真

Matlab是一種集計(jì)算、圖形可視化和編輯功能于一體的軟件系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。Matlab/Simulink環(huán)境可以模擬實(shí)際電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)仿真得出結(jié)論，設(shè)計(jì)利用Simulink中的電力系統(tǒng)仿真模塊集預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，然后按照仿真的結(jié)果與實(shí)際相關(guān)電路相對(duì)比進(jìn)行器件參數(shù)調(diào)試，以確定最合適的參數(shù)值，節(jié)省了資源和多次預(yù)備性試驗(yàn)的浪費(fèi)。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用Matlab軟件結(jié)合式 (1)～式 (7)編寫了合成回路電流源參數(shù)計(jì)算的可視化界面，該界面可以根據(jù)給定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行電流源相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，得出電流源的相關(guān)參數(shù)。界面如圖3所示。根據(jù)該程序計(jì)算出各級(jí)電源電流下的電流源參數(shù)如表1所示。同時(shí)應(yīng)用Matlab仿真軟件，對(duì)電流源回路提供的63 kA短路電流振蕩放電波形、輔助斷路器的恢復(fù)電壓上升率為50 V/μs的波形進(jìn)行仿真、分析。本試驗(yàn)合成回路電流源仿真電路圖如圖4所示，根據(jù)圖4的仿真電路，本文以試驗(yàn)電流為63 kA的情況下進(jìn)行仿真，得到的電流源振蕩放電仿真圖如圖5所示，電流源調(diào)頻回路仿真圖如圖6所示。

圖3 電流源參數(shù)計(jì)算程序界面

圖4 電流源仿真圖

圖5 充電電容、電感仿真波形圖

圖6 電流源調(diào)頻參數(shù)波形圖

表1 T100S(b)試驗(yàn)條件下各個(gè)電流等級(jí)電流源參數(shù)

4 結(jié)論

本文在相應(yīng)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，以理論為基礎(chǔ)，驗(yàn)證并計(jì)算不同電流等級(jí)下合成回路電流源的參數(shù)，并編寫能夠自動(dòng)計(jì)算電流源參數(shù)的相應(yīng)程序，同時(shí)應(yīng)用Matlab/Simulink軟件對(duì)所計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。能在進(jìn)行合成回路試驗(yàn)時(shí)，對(duì)電流源參數(shù)有一定的參考依據(jù)，簡(jiǎn)化試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，提高試驗(yàn)效率。

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Calculation and Simulation of Current-source in Synthetic Circuit Base on Matlab

CAI Zhi-yuan，LI Chong
(Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China)

Synthetic circuit test is reliable and effective experiment device that can be used in breaking test of circuit breaker under the condition of equivalence.Test preparation time is too long caused by complex calculation of the current source parameters before synthetic test.This paper introduces that the current source parameters are calculated by computer program in different current and different test modes，uses Matlab write out the corresponding program to calculate parameters of current source before synthesis experiment.According to the parameters of synthetic test，the program can calculate reasonable parameters and the number of current source device.To simplify test preparation，the accuracy of test data is enhanced by combining with Matlab/Simulink simulation.

Systhesis circuit;Current-source;Parameter calculation;Simulation

TM74

A

1004-7913(2015)08-0042-04

蔡志遠(yuǎn) (1962—)，男，教授，研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代高電壓試驗(yàn)技術(shù)、高電壓絕緣、絕緣在線檢測(cè)、智能電器及測(cè)試技術(shù)。

2015-05-20)