基于Matlab的合成回路电流源参数计算及仿真

蔡志远，李 崇

(沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870)

基于Matlab的合成回路电流源参数计算及仿真

蔡志远，李 崇

(沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870)

合成回路试验是在保证等价性的前提下，对断路器进行开断试验可靠有效的试验装置。由于在进行合成试验之前，每次进行试验时都要对电流源参数进行复杂的计算，使得试验前的准备工作时间过长。应用Matlab编写出计算电流源参数的程序，根据相应合成试验给定的参数，计算出电流源的合理参数，并给出试验所需器材的数量。简化合成试验前的准备工作，同时结合Matlab/Simulink仿真提高试验数据的准确性。

合成回路;电流源;参数计算;仿真

由于我国经济的飞速发展，科技水平的不断提高，我国电网的容量和电压等级也不断的提高，因此对电网在运行时的稳定性提出了更加严格的要求。断路器是保障电网安全运行的重要器件，为了满足电网容量不断增大的需求，我国对断路器分断能力要求不断提高，所以各类断路器在投入使用前的检测就有相对较为严格的要求。世界各国针对检测断路器开断特性问题，研发出许多的试验方法，其中合成回路试验是在保证等价性的前提下，对断路器进行开断试验的可靠有效的试验装置。由于比照其它试验方法，合成试验更为经济，操作更加简单方便，对断路器破坏作用小，试验范围等级可调，可适用于多等级断路器检测，得到了世界各国的广泛应用，合成回路试验法已成为试验各种断路器分断能力的一种重要方法。

1 合成回路简述

由于断路器在实际开断过程中大电流和高电压并不是同时作用在断路器上，因此，在进行合成试验时，就可以由两个独立的电源来分别提供流过被试断路器的电流和作用于被试断路器两端的恢复电压，分别称为电流源回路和电压源回路，电流源回路的特点是低压大电流，而电压源回路的特点是小电流高电压［1］。

在进行合成试验时，在被试断路器从触头分离起至被试断路器开断前电弧电压显著变化为止的时间段内，被试断路器流过大的电弧电流，但由于断口维持低电阻，作用于断口两端的电压约为电弧电压，数值很低，此阶段被试断路器上只有电流源在起作用［2］。在电流过零、电弧熄灭前的一段时间内，电流源和电压源相互作用，电弧由短路电流负荷转入高电压负荷，随着电流趋于0，使得流经电弧的电流畸变，因此电流的变化率也将偏离相应的预期电流的变化率。随后，被试断路器两端的电压与电流一起降至0，并改变极性，断路器两端出现瞬态恢复电压。由于弧隙电导的缘故，断口会流过弧隙电流。在流过断口的任何电流都消失后，被试断路器完全开断。开断过程如图1所示。

图1 短路电流开端过程

2 电流源相关参数的计算

本合成回路试验站的电流源是由电容、电感振荡放电回路提供，可以进行短路电流在63 kA以下T10，T30，T60，T100S(b)的单项短路合成试验。本试验站电流源如图2所示，其中电容器拟采用型号MWY-30-18脉冲电容器，其额定电压为30 kV，电容值为18 μF。电抗器采用型号为PYB-20-10，电感值为10 mH的电抗器，动稳定电流20 kA(峰值)，最高工作电压43 kV，频率50 Hz。以63 kA短路试验为例，对电流源相关参数进行计算，试验要求短路电流持续第3个半波时衰减不超过10%。

图2 振荡电流源示意图

2.1 充电电容器值CC和电抗器值LC的确定

脉冲电容器有良好的储能作用，在一段时间内用小功率电源对其充电，所充的能量会被脉冲电容器全部储存起来，充当电源使用，当需要时，脉冲电容器可在瞬时内就把其储蓄的电能快速供给所需负载，形成强大的冲击电流并具备非常大的功率。所以目前试验中，电流源电容器采用单台电容器18 μF，额定电压为30 kV的脉冲电容器。当CC和LC振荡电路放电时产生周期性的电流时，振荡电路需要满足，根据二阶电路零输出响应的相应公式可以计算得出:

为给充电电容器留有一定的裕度，选定电容器充电电压U0为25 kV，同时电流源需要产生频率为50 Hz的电流，即ω为工频角频率314 rad/s，则要获得63 kA的短路电流由式 (1)可得:

2.2 调频回路参数计算

电流源回路中辅助开关所在调频支路作用是在辅助开关开断短路电流后，使加在辅助开关上的瞬态恢复电压条件等级较低，由于辅助开关在开断电流源的大电流后需要承载电流源所产生的恢复电压，因此，调频参数调节电流源回路瞬态恢复电压的目的就是尽量降低瞬态恢复电压的上升率，使辅助开关断口上的电压恢复频率不会太高而发生重击穿。调频支路可以调节短路电流的频率大小，便于辅助开关能够更好地开断短路电流，以满足试验要求，保证合成试验的成功率［5］。

根据实际电路的情况，考虑电压源回路瞬态电压上升率，本文选择的辅助断路器能承受上升率为50 V/μs的瞬态恢复电压等级。根据式 (3)、式(4)可以计算相应的调频回路参数。

在确定电容器充电电压为25 kV的条件下，要得到63 kA工频试验电流，根据式 (2)确定的总电抗器值为

3 Matlab计算与仿真

Matlab是一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的软件系统，功能强大。Matlab/Simulink环境可以模拟实际电路参数对系统进行相关仿真得出结论，设计利用Simulink中的电力系统仿真模块集预先对系统进行仿真分析，然后按照仿真的结果与实际相关电路相对比进行器件参数调试，以确定最合适的参数值，节省了资源和多次预备性试验的浪费。

本设计应用Matlab软件结合式 (1)～式 (7)编写了合成回路电流源参数计算的可视化界面，该界面可以根据给定的试验参数进行电流源相关参数的计算，得出电流源的相关参数。界面如图3所示。根据该程序计算出各级电源电流下的电流源参数如表1所示。同时应用Matlab仿真软件，对电流源回路提供的63 kA短路电流振荡放电波形、辅助断路器的恢复电压上升率为50 V/μs的波形进行仿真、分析。本试验合成回路电流源仿真电路图如图4所示，根据图4的仿真电路，本文以试验电流为63 kA的情况下进行仿真，得到的电流源振荡放电仿真图如图5所示，电流源调频回路仿真图如图6所示。

图3 电流源参数计算程序界面

图4 电流源仿真图

图5 充电电容、电感仿真波形图

图6 电流源调频参数波形图

表1 T100S(b)试验条件下各个电流等级电流源参数

4 结论

本文在相应试验条件的基础上，以理论为基础，验证并计算不同电流等级下合成回路电流源的参数，并编写能够自动计算电流源参数的相应程序，同时应用Matlab/Simulink软件对所计算的参数进行仿真，验证所计算数据的准确性。能在进行合成回路试验时，对电流源参数有一定的参考依据，简化试验前的准备工作，提高试验效率。

［1］ 朱 钰，高 强，李晓冬.大容量试验中威尔合成回路的等价性分析［J］.东北电力技术，2006，27(5):1-3.

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［12］ 李 刚，孙 梅，程 茵.一种新的合成试验回路 ［J］.高压电器，2009，45(6):136-139.

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

蔡志远 (1962—)，男，教授，研究领域为现代高电压试验技术、高电压绝缘、绝缘在线检测、智能电器及测试技术。

2015-05-20)