基于Matlab的合成回路電流源參數計算及仿真

蔡志遠，李 崇

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

基于Matlab的合成回路電流源參數計算及仿真

蔡志遠，李 崇

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

合成回路試驗是在保證等價性的前提下，對斷路器進行開斷試驗可靠有效的試驗裝置。由于在進行合成試驗之前，每次進行試驗時都要對電流源參數進行復雜的計算，使得試驗前的準備工作時間過長。應用Matlab編寫出計算電流源參數的程序，根據相應合成試驗給定的參數，計算出電流源的合理參數，并給出試驗所需器材的數量。簡化合成試驗前的準備工作，同時結合Matlab/Simulink仿真提高試驗數據的準確性。

合成回路;電流源;參數計算;仿真

由于我國經濟的飛速發展，科技水平的不斷提高，我國電網的容量和電壓等級也不斷的提高，因此對電網在運行時的穩定性提出了更加嚴格的要求。斷路器是保障電網安全運行的重要器件，為了滿足電網容量不斷增大的需求，我國對斷路器分斷能力要求不斷提高，所以各類斷路器在投入使用前的檢測就有相對較為嚴格的要求。世界各國針對檢測斷路器開斷特性問題，研發出許多的試驗方法，其中合成回路試驗是在保證等價性的前提下，對斷路器進行開斷試驗的可靠有效的試驗裝置。由于比照其它試驗方法，合成試驗更為經濟，操作更加簡單方便，對斷路器破壞作用小，試驗范圍等級可調，可適用于多等級斷路器檢測，得到了世界各國的廣泛應用，合成回路試驗法已成為試驗各種斷路器分斷能力的一種重要方法。

1 合成回路簡述

由于斷路器在實際開斷過程中大電流和高電壓并不是同時作用在斷路器上，因此，在進行合成試驗時，就可以由兩個獨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，電流源回路的特點是低壓大電流，而電壓源回路的特點是小電流高電壓［1］。

在進行合成試驗時，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間段內，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間內，電流源和電壓源相互作用，電弧由短路電流負荷轉入高電壓負荷，隨著電流趨于0，使得流經電弧的電流畸變，因此電流的變化率也將偏離相應的預期電流的變化率。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，斷路器兩端出現瞬態恢復電壓。由于弧隙電導的緣故，斷口會流過弧隙電流。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 電流源相關參數的計算

本合成回路試驗站的電流源是由電容、電感振蕩放電回路提供，可以進行短路電流在63 kA以下T10，T30，T60，T100S(b)的單項短路合成試驗。本試驗站電流源如圖2所示，其中電容器擬采用型號MWY-30-18脈沖電容器，其額定電壓為30 kV，電容值為18 μF。電抗器采用型號為PYB-20-10，電感值為10 mH的電抗器，動穩定電流20 kA(峰值)，最高工作電壓43 kV，頻率50 Hz。以63 kA短路試驗為例，對電流源相關參數進行計算，試驗要求短路電流持續第3個半波時衰減不超過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能作用，在一段時間內用小功率電源對其充電，所充的能量會被脈沖電容器全部儲存起來，充當電源使用，當需要時，脈沖電容器可在瞬時內就把其儲蓄的電能快速供給所需負載，形成強大的沖擊電流并具備非常大的功率。所以目前試驗中，電流源電容器采用單臺電容器18 μF，額定電壓為30 kV的脈沖電容器。當CC和LC振蕩電路放電時產生周期性的電流時，振蕩電路需要滿足，根據二階電路零輸出響應的相應公式可以計算得出:

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，同時電流源需要產生頻率為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 調頻回路參數計算

電流源回路中輔助開關所在調頻支路作用是在輔助開關開斷短路電流后，使加在輔助開關上的瞬態恢復電壓條件等級較低，由于輔助開關在開斷電流源的大電流后需要承載電流源所產生的恢復電壓，因此，調頻參數調節電流源回路瞬態恢復電壓的目的就是盡量降低瞬態恢復電壓的上升率，使輔助開關斷口上的電壓恢復頻率不會太高而發生重擊穿。調頻支路可以調節短路電流的頻率大小，便于輔助開關能夠更好地開斷短路電流，以滿足試驗要求，保證合成試驗的成功率［5］。

根據實際電路的情況，考慮電壓源回路瞬態電壓上升率，本文選擇的輔助斷路器能承受上升率為50 V/μs的瞬態恢復電壓等級。根據式 (3)、式(4)可以計算相應的調頻回路參數。

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

3 Matlab計算與仿真

Matlab是一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的軟件系統，功能強大。Matlab/Simulink環境可以模擬實際電路參數對系統進行相關仿真得出結論，設計利用Simulink中的電力系統仿真模塊集預先對系統進行仿真分析，然后按照仿真的結果與實際相關電路相對比進行器件參數調試，以確定最合適的參數值，節省了資源和多次預備性試驗的浪費。

本設計應用Matlab軟件結合式 (1)～式 (7)編寫了合成回路電流源參數計算的可視化界面，該界面可以根據給定的試驗參數進行電流源相關參數的計算，得出電流源的相關參數。界面如圖3所示。根據該程序計算出各級電源電流下的電流源參數如表1所示。同時應用Matlab仿真軟件，對電流源回路提供的63 kA短路電流振蕩放電波形、輔助斷路器的恢復電壓上升率為50 V/μs的波形進行仿真、分析。本試驗合成回路電流源仿真電路圖如圖4所示，根據圖4的仿真電路，本文以試驗電流為63 kA的情況下進行仿真，得到的電流源振蕩放電仿真圖如圖5所示，電流源調頻回路仿真圖如圖6所示。

圖3 電流源參數計算程序界面

圖4 電流源仿真圖

圖5 充電電容、電感仿真波形圖

圖6 電流源調頻參數波形圖

表1 T100S(b)試驗條件下各個電流等級電流源參數

4 結論

本文在相應試驗條件的基礎上，以理論為基礎，驗證并計算不同電流等級下合成回路電流源的參數，并編寫能夠自動計算電流源參數的相應程序，同時應用Matlab/Simulink軟件對所計算的參數進行仿真，驗證所計算數據的準確性。能在進行合成回路試驗時，對電流源參數有一定的參考依據，簡化試驗前的準備工作，提高試驗效率。

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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 (1962—)，男，教授，研究領域為現代高電壓試驗技術、高電壓絕緣、絕緣在線檢測、智能電器及測試技術。

2015-05-20)