合成回路试验参数计算机辅助分析与设计

发布时间：2016-07-13 08:13

第 1 章 绪论

1.1 合成回路试验的意义
随着现代电网向着高电压、大容量的发展趋势发展，作为为电网提供安全保障的高压断路器的作用日益提高。在电力系统的发电、输变电和配电设备中，可能发生各种短路，当发生短路时就要求断路器需要迅速切除故障，避免造成巨大损失。由于电力系统实时运行时对整个系统的可靠性要求非常高，因此高压断路器在投入使用之前必须进行相应参数性能的检验和认证。目前的科技发展水平还不十分完善，高压断路器的开断过程及涉及到的一些问题极为复杂还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各项开断性能和其他要求的断路器。所以对于高压电器产品的研制必须通过型式试验和预防性试验提供信息和经验，最终通过试验来鉴定是否可以定型和生产[1]。因此如何在高压断路器进行生产和投入运行以前，通过试验系统对高压断路器的各项开断性能进行准确、可靠的试验是十分重要的。对高压断路器开断性能进行验证有很多方法，在保证试验条件与被试断路器在实际系统中应用相等价性前提下，试验方法按照试验电路分类，可以分为直接试验和间接试验[1]。直接试验是一种短路试验法，其中外试电流、电压、瞬态及工频恢复电压都由一个电源回路提供[2]。直接试验法包括网路试验法和直流发电机试验法，其中网路试验法的电源直接由给电力网配电的试验站提供，这种试验方法试验费用高昂，而且会产生大功率的短路冲击，对电网的稳点性产生影响；直流发电机试验法由大容量发电机组供电，投资巨大、维护困难，并且试验次数和容量受到很大的限制。因此，直接试验方法应用的不是很广泛。合成回路也是一种短路试验，属于间接的试验方法，其中电流和电压分别来自两个独立源。试验电流主要由电流源回路提供，试验电压主要由电压源回路提供[1]。
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1.2 合成回路试验的国内外发展及现状
从上世纪 30 年代开始，世界各国提出了多种合成回路方案，其中很多方案都申请了专利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路试验站[3]。从 60 年代初开始，为了产品发展的需要，各国对合成回路试验系统进行了广泛的研究，证明合成试验法对断路器开断试验是等价的，很适用于型式试验和验收试验。由于合成试验法经济、灵活、对试品的破坏性小以及能按需要广泛调节试验参数，因此它也是高压电器发展理想的研究工具。1968 年 IEC“高压开关设备和控制设备”分委会决议以 IEC 标准的形式推荐给各国使用，1973 年在 IEC-427 出版物上正式提出《关于高压交流断路器的合成试验报告》，使其成为实验室合成试验系统的运行与监测的标准[3]。目前，随着计算机技术、电力电子技术、半导体技术、传感器技术、电子测量技术以及信息处理技术的迅猛发展，世界各大开关试验站都采用计算机作为合成试验控制系统的核心，以提高试验控制和测量的水平，而且取得了较大的进展[4]。例如，荷兰的 KEMA 试验站采用了微机测试系统；ABB 公司也扩建了它在瑞典路德维卡强电流试验站，并使之设备实现现代化，扩建后的短路容量达到了 7500MVA，可产生 1600kV的电压，短路电流有效值可达到 80kA，拥有最新的测试、控制和监视技术及最现代化的数据处理设备；日本东芝公司的研究人员在用合成回路试验对真空断路器开断性能方面开展了很多研究工作，并取得了一定的研究成果[3]。
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第 2 章 合成试验原理及主回路分析

2.1 断路器开断原理及过程

合成回路试验是在断路器的开断特性上建立起来的，因此，首先介绍一下断路器的开断原理。断路器开断时会在断口间出现电弧电流，当电弧电流过零时，电弧功率也随之变为零，此时电弧间隙得不到能量输入，却以辐射、对流、传导等方式散出能量。以致使电弧间隙内的带电粒子消游离过程增强，电弧间隙的温度迅速下降，电弧会在电弧电流过零点时暂时熄灭。在电弧电流过零以后，电弧可能出现就此熄灭完成电路的开断和再次重新燃烧两种现象。因此交流电弧电流的过零时，电弧最容易熄灭。只要在电弧电流过零时，断开断路器且开断后弧隙通道不发生重燃，电弧就会最终熄灭。从流过断路器断口的电弧电流过零时开始，在电弧间隙上将发生电压恢复和介质强度恢复两个过程。在流过断路器断口的电弧电流过零电弧熄灭的瞬间，弧隙上的电压为熄弧电压。在电流过零后断路器开断，弧隙上的电压应从熄弧电压变化到相应时刻的电源电压。由于实际的电力系统中总存在着一些电感、电容等储能元件，使回路中的电压值不能突然发生变化，因此在电弧电流过零的瞬间，断路器电弧间隙上的电压将从熄弧电压逐渐变到电源电压即发生电压的过渡过程，电压过渡过程又称为弧隙的电压恢复过程。在电压恢复过程中，弧隙两端出现的电压就称为弧隙的恢复电压。电路的电容、电感参数和弧隙性能决定了电压恢复的过程，该过程可以是周期的，也可以是非周期的。当电弧电流过零后电弧熄灭时，电弧间隙逐渐从原来的导电通道转变成绝缘通道的过程被称为介质强度恢复过程。从电压恢复和介质强度恢复的过程可知，这两个过程的作用是相反的。在电压恢复过程中，弧隙上的电压不断升高，最终达到电源电压。在这一过程中，当恢复电压超过弧隙上的击穿电压时，将可能引起弧隙的再次击穿从而使电弧重新燃烧，影响断路器的正常开断。而在介质强度恢复过程中，弧隙的介质强度不断增加，导致电弧间隙间的绝缘强度不断增强，提高弧隙间的击穿电压，防止电弧间隙的再次击穿从而使电弧熄灭。因此，断路器断口的电弧是否能够正常熄灭，就取决于电弧间隙的电压恢复过程和绝缘强度恢复过程之间的相互竞争[4]。当电压恢复过程快于绝缘强度恢复过程时，可能引起电弧重燃，反之，电弧则能正常开断。实际上断路器的大容量开断试验就是模拟上述的开断过程。

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2.2 合成回路试验原理
检验断路器开断能力的试验方法有很多种，其中按照试验所需电路分类，可以将试验分为直接试验和合成试验。直接试验是一种短路试验方法，直接试验的电流、外试电压、瞬态及工频恢复电压全部取自同一个电源回路，该电源回路可以由电力网、短路试验发电机提供，在一定的条件下，也可以由单频振荡回路提供。合成试验法与直接试验法的本质区别在于合成试验由两个电源代替直接试验法的一个电源。由图 2.1断路器的开断过程可知，电弧电流在过零点以前，电弧电压幅值很低。电弧电流过零前后，电弧电压依然保持很小的数值，但电弧电流过零后弧隙上的电压逐渐变得很高。可见在高压断路器开断的过程中，作用在弧隙上高电压和大电流并不是同时产生的，由于以上高压断路器开断的特点，对断路器进行开断试验时可以采用两套独立的电源，由电压值很低电流值很高的电源构成短路电流回路，简称电流源。由电流值很低电压值很高的电源构成电压回路，简称电压源[5]。用以上两个相对独立的电源代替直接试验法的一个电源，并由同步合成控制装置在电流过零区对电流和电压进行合成。这种对电流和电压进行合成的试验系统被称为合成回路试验系统。由于合成试验需要对电压源和电流源在电弧电流过零前后进行合成，因此在进行合成试验时，能否保证电弧电流在过零合成时，即电流源与电压源相互作用阶段，断路器的开断和直接试验的实际开断具有相同的等价性，是进行合成试验的关键问题。
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第 3 章 合成试验电流源试验参数计算及分析....12
3.1 故障电流分析..........12
3.1.1 开断的短路电流分析..........12
3.1.2 电流源回路放电电流分析.........14
3.2 电流源参数计算......16
3.3 延弧回路分析..........22
3.4 本章小结....24
第 4 章 合成试验电压源试验参数计算及分析....25
4.1 电压源回路瞬态及工频恢复电压分析.....25
4.2 电压源放电回路参数计算....27
4.2.1 放电回路等价性分析..........27
4.2.2 放电回路参数计算.......28
4.3 电压源回路调频二参数计算.......29
4.3.1 二参数调频回路计算..........29
4.3.2 二参数调频回路参数仿真与分析....30
4.4 电压源回路调频四参数计算.......32
4.5 本章小结....37
第 5 章 参数自动计算界面设计.......38
5.1 主界面简介.......38
5.2 输入参数模块..........39
5.3 电流源相关参数模块.....39
5.4 电压源相关参数模块.....41
5.5 本章小结....44

第 5 章 参数自动计算界面设计

5.1 主界面简介
由于 MATLAB 软件强大的科学计算与图形显示功能，能够满足本合成回路试验系统的电路分析和计算的所有要求，因此，本试验应用 MATLAB 软件对电路参数进行计算。但是，目前利用 MATLAB 软件计算高阶动态电路主要是编写大量的 M 文件函数并通过相互调用计算电路所需数值，这就造成每次计算电路时需要重复的编写大量的计算函数，程序使用不具备通用性且容易造成函数调用混乱，计算的数据错误率和误差率高，同时造成进行合成试验前准备工作进行时间过长。借助于 MATLAB/GUI 模块设计开发出合成回路试验参数分析计算平台，只要将所需的试验方式、试验电流和试验电压及相关参数输入，就能在该平台上显示试验所需参数数值，并且将结果可视化，并对所计算的参数值进行动态仿真，明确参数的误差，可手动调节各个参数，减小进行试验时由于参数产生的误差。基于 MATLAB/GUI 的参数计算平台为以后进行合成试验提供了极大的方便，并提高了合成试验计算参数的准确性。本合成试验参数计算界面主要包括：参数输入界面、电流源相关参数、电压源相关参数、波形显示四个主要的模块。实现整个合成回路试验系统的振荡放电参数、调频参数的确定和仿真，并给出相应元件的组合方式，确定元件的接线抽头。简化合成回路试验前的准备工作，，大大提高了试验效率。该参数计算界面的系统结构图如图 5.1所示。
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结论

本文在详细的分析合成回路试验原理和过程的基础上，应用计算机对合成回路整个系统的试验参数进行辅助分析和设计。本文主要得出结论如下：（1）要想得到试验所需的电流源电流值，只需要改变电流源回路中的充电电容器的电压值、电抗器电抗值、充电电容器电容值，其中充电电容器电压值决定电流的幅值，电抗器电抗值和电容器电容值决定电流的频率。（2）决定电流源调频参数大小的主要因素为电路的固有振荡频率和辅助断路器的瞬态恢复电压上升率，在根据不同试验时可相应确定电流源调频回路参数。（3）决定延弧回路的主要因素为：投入脉冲延弧时，脉冲电流要远远大于该时刻的电流源电流；同时还要求脉冲电流的衰减时间大于触发时到电弧过零的时间。（4）电压源四参数调频回路的瞬态恢复电压的波形由三个不同的分量组成，包括一个直流分量与两个频率和衰减系数都不相等的余弦函数分量。（5）合成回路参数自动计算界面，在明确试验方式、试验电流和试验电压的基础上能够自动计算出电流源回路的相关参数和电压源回路的相关参数，动态显示瞬态恢复电压的波形，明确每个参数对瞬态恢复电压的影响。简化试验前人工匹配试验参数，提高试验效率。
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参考文献(略)

本文编号：70110