短路實驗系統(tǒng)阻抗自適應校正方法及軟件實現(xiàn)

邱 偉，游穎敏,,?，朱翔鷗，楊 凱，王景芹

(1.溫州大學數(shù)理與電子信息工程學院，浙江溫州 325035；2.河北工業(yè)大學電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130)

低壓電器廣泛應用于各種供配電場所，對其產(chǎn)品各種性能的驗證必不可少.為了提高相關產(chǎn)品試驗結果的一致性和可重復性，研究低壓電器試驗測控技術就很有必要.未來隨著計算機軟硬件的進步，低壓電器檢測技術的方向趨勢是：試驗次數(shù)少、預測精度高[1-2].

低壓斷路器的短路試驗尤為關鍵，要求進行短路試驗的裝置必須準確可靠.針對短路接通和分斷能力試驗需快速設置試驗參數(shù)和獲得精準短路電流的需求，本文提出了能對短路系統(tǒng)的阻抗自適應校正、計算阻抗參數(shù)、讀取預期波TDMS格式數(shù)據(jù)及阻抗刀開關數(shù)據(jù)查詢等功能的可視化軟件，通過簡化操作，節(jié)省大量時間.軟件可以通過考慮系統(tǒng)阻抗誤差得到更準確的短路阻抗，來提高精度.由于系統(tǒng)試驗中存在誤差，所以要對得到的數(shù)據(jù)進行阻抗校正之后再顯示.在得到的波形圖中，接近零點數(shù)值為直流分量，去掉直流分量得到的數(shù)據(jù)是校正之后的數(shù)據(jù)[3-4].通過傳統(tǒng)方法獲取短路試驗參數(shù)步驟與本文介紹的方法比較，可以看出本文方法具有較高效率.

1 短路實驗系統(tǒng)

短路實驗系統(tǒng)電路結構如圖1所示，10 kV電源經(jīng)開關柜輸入至沖擊試驗變壓器，根據(jù)試驗參數(shù)要求，將沖擊變壓器設置成星型或三角形接法，通過電壓轉換裝置可以將電壓調節(jié)至100 V-1 200 V，再依次輸入至保護控制開關、電壓選相控制開關，連接前級負載（電阻、電感負載組合），最后輸出至試驗端口.當需要輸出小電流時，須將選擇開關從接地位置切換至后級負載，再進行接地.此外，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集裝置接至試驗端口，能實時采集試驗數(shù)據(jù).

圖1 短路實驗系統(tǒng)裝置框圖Fig 1 The Block Diagram of Short Circuit Experiment System Device

由于阻抗裝置存在大量連接端子、刀開關，在實驗過程中，金屬導線、接線柱不可避免存在氧化現(xiàn)象，形成膜電阻.在進行多次大電流實驗后，電阻、電感、接線柱的溫升會造成阻抗、感抗變化，這些因素都將對短路試驗的試驗參數(shù)造成影響.對短路實驗系統(tǒng)阻抗校正時，按照試驗產(chǎn)品需要，輸入預期試驗參數(shù).計算后可查詢阻抗值與刀開關對應數(shù)據(jù)表①阻抗值與刀開關組合對應的關系表，是設備生產(chǎn)商提供的的數(shù)據(jù).涉及該關系表，以下不再一一說明.得出前級、后級的阻抗刀開關檔組合，再進行阻抗設置.短路試驗后，讀取預期波TDMS數(shù)據(jù)，得到實際的輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)等電參數(shù)，判斷是否達到預期試驗參數(shù)值.如果滿足要求，保存結果；如數(shù)據(jù)不滿足，則根據(jù)數(shù)據(jù)偏差大小，重新計算，并給出新的設置參數(shù)，再次進行短路試驗，產(chǎn)生新的預期波，直至滿足要求.

圖2 采用傳統(tǒng)方法試驗參數(shù)設置流程圖Fig 2 The Flow Chart for Test Parameter Setting via Traditional Methods

2 傳統(tǒng)方法設置短路阻抗參數(shù)

傳統(tǒng)方法設置短路系統(tǒng)試驗參數(shù)、查詢阻抗刀開關數(shù)據(jù)表需要手工完成，過程繁瑣且耗時較長[5-6].現(xiàn)以設置如下試驗參數(shù)為例介紹傳統(tǒng)設置方法，參數(shù)如下：輸入交流電壓U=230 V，輸出交流電流I=7.5 kA，功率因數(shù)=0.8，傳統(tǒng)方法阻抗參數(shù)設置步驟見圖2.

根據(jù)上述參數(shù)，手動計算前級阻抗、感抗數(shù)據(jù)，分別手動查詢電阻刀開關數(shù)據(jù)表、電感刀開關數(shù)據(jù)表，根據(jù)查詢刀開關數(shù)據(jù)表設置阻抗刀開關組合后，將進行一次短路試驗，需手動測量實際輸出參數(shù)值是否符合預期參數(shù)要求，如數(shù)據(jù)有偏差，則重復以上步驟.表1記錄了每次采集的數(shù)據(jù)，從表1可以看出，數(shù)據(jù)逐漸逼近預期參數(shù)，最后在第7次，獲得R：0840，L：4210的阻抗、感抗刀開關數(shù)據(jù)，得到預期的短路電流和功率因數(shù)值.但整個過程重復性操作次數(shù)較多，效率低下，迫切需要改進現(xiàn)有方法，減少運算次數(shù).

表1 采用傳統(tǒng)方法阻抗調節(jié)實驗數(shù)據(jù)Table 1 The Experimental Data of Impedance Regulation by Traditional Methods

3 短路系統(tǒng)阻抗自適應校正方法

3.1 阻抗自適應校正方法原理

傳統(tǒng)的短路阻抗參數(shù)計算時沒有考慮線路中阻抗誤差，導致理論計算數(shù)據(jù)不準確，短路系統(tǒng)簡化電路如圖3所示.將短路系統(tǒng)中的線路固有誤差、由接線端子氧化或溫度變化造成的阻抗變化等情況造成的誤差歸類為系統(tǒng)阻抗誤差，由R2、L2及C表示.

簡化的回路電壓方程如（1）式所示：

其中U表示負載側總電壓，I表示實驗電流，R、XL表示阻抗及感抗，Zerr代表系統(tǒng)誤差總阻抗，Zerr是隨回路中金屬接線柱及刀開關的氧化程度、溫度等因素變化而變化，需要進行一次預期波試驗并獲得TDMS格式的原始數(shù)據(jù).

圖3 系統(tǒng)電路簡化圖Fig 3 The Simplified Diagram of System Circuit

由（2）式獲得系統(tǒng)回路總阻抗Zre，其中Ure、Ire實測電壓、實測電流.

由于本文僅針對工頻信號進行阻抗校正，故可忽略電容帶來的影響，根據(jù)式（3）式和（4）式即可求出系統(tǒng)的誤差阻抗，最后獲得實際的功率因數(shù)cosα，因此產(chǎn)生預期電流的電阻及電感得到修正.（5）式為開關接觸電阻Rj的經(jīng)驗計算公式：

其中Kc是與接觸材料、接觸面加工情況及表面狀況有關的系數(shù)，F(xiàn)j為接觸壓力，m表示與接觸形式有關的指數(shù)（點接觸m=0.5、線接觸m=0.5-0.7、面接觸m=1.0）.

其中τj為刀開關或接線柱觸頭本體溫升，τjm為觸頭對周圍介質的溫升，A、P為觸頭本體的截面積及周長，KT為綜合散熱系數(shù)，λ、ρ為觸頭材料電導率及電阻率.

在多次短路實驗中，阻抗、感抗及接線端口的溫度變化如圖4所示.

圖4 實驗引起阻抗、感抗的溫度變化曲線Fig 4 The Temperature Variation Curve of Impedance and Inductance Caused by Test

本系統(tǒng)中接線柱、導線及電感都采用銅材料，銅的電阻率溫度系數(shù)約為0.004/攝氏度.在正常的100攝氏度溫度區(qū)間，電阻率和溫度間呈線性關系：

銅在2 0℃時電阻率為0.0 1 7 2，鋁在2 0℃時的電阻率為0.0 2 9.

其中R為電阻，l為長度，s為截面積.以面積為1 0平方毫米、長度為5 0 c m的銅線為例，在溫升2 0℃下，由（9）式可以計算得出R的變化為4毫歐，在大電流短路實驗中，4毫歐的電阻變化將影響實驗結果，必須進行校正，才能獲得準確參數(shù).

3.2 采用自適應校正方法的參數(shù)設置步驟

針對傳統(tǒng)方法存在的弊端，改進了參數(shù)設置的步驟，并通過阻抗校正達到快速設置試驗參數(shù)的目的.具體步驟如下：

1）根據(jù)待試驗產(chǎn)品試驗條件，輸入預期試驗參數(shù).

2）自動查詢阻抗與刀開關對應數(shù)據(jù)表獲得前后級的電阻及電感刀開關值，并調節(jié)電阻及電感刀開關.

3）短路試驗后，自動讀取預期波TDMS數(shù)據(jù)，并計算出實際參數(shù)值，判斷是否達到預期試驗參數(shù)值，如果滿足要求，保存結果.否則，補償阻抗誤差，并重新計算新的設置檔位參數(shù).

4）進行短路試驗，產(chǎn)生新的預期波，重復步驟3，直至滿足要求.

以前面的試驗參數(shù)為例：I=7.5 kA，U=230 V，功率因數(shù)=0.8.經(jīng)過計算、實驗后修正直至達到預期參數(shù)要求，采用低壓斷路器短路實驗系統(tǒng)阻抗自適應校正方法重復循環(huán)次數(shù)為2次，就能達到試驗參數(shù)要求.通過軟件校正，可以將阻抗調節(jié)次數(shù)從原來表1中的7次降低到表2中的2次，即可準確獲得實驗所需短路電流及功率因素等參數(shù).

表2 采用阻抗校正方法所得實驗數(shù)據(jù)Table 2 The Experimental Data Obtained by Impedance Correction Methods

4 阻抗自適應校正軟件的實現(xiàn)

4.1 軟件設計流程

在軟件實現(xiàn)功能中，需要輸入預期參數(shù)，如預期電壓、預期電流、預期功率因數(shù)，點擊計算按鈕，可得預期電阻及電感數(shù)據(jù).選擇所需要的阻抗感抗數(shù)據(jù)文件進行查詢，點擊查詢按鈕，可得到刀開關組合值.實驗后獲得預期波，保存為TDMS文件，點擊讀取TDMS文件按鈕，可計算并顯示出有效電壓、有效電流、峰值電壓和峰值電流等數(shù)據(jù)，并能顯示電壓、電流波形圖.根據(jù)預期參數(shù)與實測參數(shù)對比，可計算出校正后的電阻和電感.使用查詢按鈕，則可得到準確的刀開關組合.軟件流程圖如圖5所示.

圖5 阻抗計算與校正軟件流程圖Fig 5 The Flow Chart of Impedance Calculation and Software Correction

4.2 短路系統(tǒng)阻抗自適應校正平臺界面設計

將預期參數(shù)計算板塊、查詢參數(shù)板塊、修正參數(shù)計算板塊、修正查詢板塊界面進行整合，采用Matlab進行程序設計，利用其可視化功能，調試得出的軟件主界面，如圖6所示.該軟件能快速實現(xiàn)參數(shù)計算、阻抗校正、波形顯示等功能.

5 結語

在本文介紹的阻抗自適應校正方法中，只需輸入?yún)?shù)即可實現(xiàn)參數(shù)計算，可通過查詢界面獲取所需要的阻抗開關值，啟動系統(tǒng)輸出預期波并生成TDMS文件，校正軟件可讀取TDMS文件，并顯示實際電壓和電流的波形圖，可完成阻抗校正并獲得準確的阻抗開關值.該方法有如下優(yōu)點：（1）軟件計算試驗參數(shù)代替手工計算，自動查表代替手工查表，提高了效率；（2）自動讀取預期波TDMS文件，并測量獲得實際電參數(shù)數(shù)據(jù)；（3）綜合考慮因阻抗溫度效應、刀開關觸點膜電阻等因素引起的誤差并進行自適應校正，保證試驗參數(shù)精度的同時提高了實驗效率.

圖6 阻抗自適應校正平臺整體設計Fig 6 The Integrated Design of Impedance Self-adaptive Correction Platform