基于大规模实验的低压脱扣器电压暂降脱扣特性研究*

欧阳森 刘平 李翔

(华南理工大学 电力学院，广东 广州510640)

低压脱扣器是断路器在线路发生过载、短路、欠压等故障条件下保护功能实现的核心附件，目前在配网中被广泛使用［1-2］.而近年来电压暂降问题已成为供电部门和电力用户高度关注的最严重的电能质量问题［3-5］.实际上，主网的电压暂降渗透传播至配网，导致配网发生大范围的低压脱扣器脱扣，给电力用户带来严重的负荷损失［6-7］.因此研究低压脱扣器在电压暂降作用下的脱扣特性(敏感特性)，具有极为重要的理论价值和现实意义.

目前，国内外对低压脱扣器脱扣特性的研究工作主要集中于短路［8］、过载［9］、过电压［10］、欠电压［11］等方面，但关于其电压暂降脱扣特性的研究尚未开展.鉴于当前国内外针对用电设备电压暂降敏感特性的实验研究取得了不少极具价值的研究成果，所实验的设备包括交流接触器［12-14］、可调速驱动装置［15］、计算机［16］、照明灯具［16-17］，且现行国标GB/T 17626.11—2008［18］在电压暂降实验方面给出了明确的规定与指导，因此，具备了开展低压脱扣器电压暂降脱扣特性实验研究的基础.

文中在深入全面研究文献［18］及国内外相关研究成果［12-17］的基础上，设计了低压脱扣器电压暂降脱扣特性实验方案，测试了目前市场上主流的10种型号低压脱扣器在不同电压暂降幅值、相位、持续时间作用下的脱扣特性，累计共形成21 067 组实验数据，实验结果表明:电压暂幅值、持续时间、相位共同决定着低压脱扣器的脱扣特性.对实验结果进行极值化处理，形成了适用于所有型号低压脱扣器的不脱扣区域、模糊区域、脱扣区域，在此基础上利用曲线拟合原理，建立不同相位下幅值与持续时间函数关系，以及不同幅值下相位与持续时间之间的函数关系，从相位、幅值维度上建立了低压脱扣器电压暂降脱扣特性模型.

1 设备电压暂降敏感特性

1.1 描述方法

设备电压暂降敏感特性通常用电压耐受曲线进行描述，如图1所示.

图1 设备电压耐受曲线Fig.1 Voltage tolerance curves of equipment

图1中，U 为电压暂降幅值(剩余幅值)，t 为持续时间，u1和u2为电压暂降幅值的最小值和最大值，t1和t2为持续时间的最小值和最大值.特性曲线1 的外部(u ＞u2或t ＜t1)表示设备正常运行区域(或不动作区域);特性曲线2 的内部(u ＜u1且t ＞t2)表示设备故障运行区域(或动作区域);特性曲线1 与2之间表示模糊区域.

1.2 影响因素

影响设备电压暂降敏感特性的因素是多方面的，下文结合现有研究成果［12-17］进行具体分析.

(1)设备本身特性.文献［16］中选择计算机、交流接触器和照明灯具3 种不同类型设备进行电压暂降实验，根据实验数据，绘制了电压耐受曲线，结果表明不同类型设备的电压暂降敏感特性明显不同;文献［12］中选择了6 种不同厂家生产的交流接触器进行电压暂降实验研究，通过实验所得的6 种型号的交流接触器电压耐受曲线差异明显，说明同一类型设备由于不同厂家制造工艺和水平不同，同样会导致设备敏感特性差别明显.

(2)电压暂降发生特性.电压暂降幅值、持续时间及相位都是影响设备电压暂降敏感特性的重要因素.文献［14］的仿真和实验研究说明，暂降发生时对应的相位对交流接触器敏感特性有重要影响，且相位为90°和0°时，交流接触器电压暂降敏感特性分别达到最大和最小.

2 实验方案设计

2.1 总体设计思路

基于上述内容可知，低压脱扣器电压暂降脱扣特性(敏感特性)可用其电压耐受曲线进行描述，因此实验方案设计的核心目的是测试低压脱扣器在不同电压暂降事件下的脱扣情况，以此为依据，绘制其电压耐受曲线.所形成的设计思路如下:

(1)借鉴现有研究成果中的电压暂降测试系统，结合低压脱扣器实际工作模式，依据文献［18］相关规定，建立实验平台，确保低压脱扣器能够在合理的平台上可靠地进行实验;

(2)深入研究文献［18］，确定用于描述电压暂降事件的特征量，作为实验参数;

(3)依据实验参数，制定科学可行的实验步骤，使整个实验能够高效有序地进行.

此外，考虑到不同厂家由于自身制造工艺和水平不同可能导致低压脱扣器电压暂降敏感特性存在差异，应当选用目前市场上广泛使用的若干型号的低压脱扣器进行实验.

2.2 实验平台

图2 实验平台原理电路图Fig.2 Principle circuit of test platform

图3 实验平台现场接线图Fig.3 Physical connection of test platform

文中基于对文献［13］所述测试系统的研究，兼顾到低压脱扣器实际运行中单相工作模式，建立实验平台.图2为实验平台原理电路图，图3为其对应的现场接线图.实验平台主要包括电压暂降发生仪、低压脱扣器，其中电压暂降发生仪采用自行研制的大功率电压暂降信号发生装置，能够产生电压暂降测试信号提供给低压脱扣器，其技术参数如表1所示.低压脱扣器选择目前市场上主流的10 种型号，基本信息如表2所示.此外，为确保测试信号符合要求，采用HIOKI 3196 作为电能质量监测仪对测试信号进行监测.

表1 电压暂降发生仪主要技术参数Table1 Main technical parameters of voltage sag generator

表2 文中实验采用低压脱扣器的基本信息Table2 Basic information of low voltage release used in the test

2.3 实验参数

文献［18］中对电压暂降实验，明确规定电压暂降是一个二维干扰，其等级由电压幅值和持续时间决定.在实验室进行模拟时，可用额定电压的偏离值和持续时间最低限度地表述电压暂降特征，对于电压暂降相位，优先选择暂降发生在电压过零处(即电压暂降相位为0°)，也可附加几个相位进行实验，每相优先选择45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°.因此，文中将电压暂降幅值、持续时间、相位确定为实验参数，各项参数的变化范围及步长见表3.

表3 实验参数变化范围及步长Table3 Range and step of test parameter

2.4 实验步骤

实验前，首先根据低压脱扣器额定工作电压Ue，选择开关档位K1、K2，若Ue为220V，闭合K2，开断K1;若Ue为380V，闭合K1，开断K2;然后调节电压暂降发生仪，使其输出电压幅值在低压脱扣器额定工作电压Ue附近，闭合开关K，待低压脱扣器通电稳定运行后开始实验，实验步骤具体如下:

(1)幅值调节.幅值U 从10%Ue开始，以5%Ue为步长，调节范围为10%Ue～90%Ue，幅值从小到大进行调节;

(2)相位调节.电压暂降相位θ 从0°开始，以45°为步长，调节范围为0° ～359°，相位从小到大进行调节;

(3)持续时间调节.针对每个幅值U 和相位θ，持续时间t 从10ms 开始，以1ms 为步长从小到大进行调节，调节范围为10 ms ～1 min;

(4)由幅值、相位以及持续时间组成的测试信号以一定的频次(文献［18］中规定为3 次，为提高精度，本实验取为10)反复提供给低压脱扣器，每两组测试信号间要保留一定时间间隔(文献［18］中规定取为10 s)，记录低压脱扣器的脱扣次数.

需要说明的是，步骤(3)中，考虑到对于某些型号低压脱扣器，当持续时间t 达到几百毫秒时才开始脱扣，若t 从10 ms 开始调节，会导致时间过长，因此可按照文献［18］中所规定的电压暂降优先的实验等级进行实验，根据低压脱扣器的脱扣动作情况，适当调整t 的起始值，以提高实验效率.

2.5 实验规模

对市场上主流的10 种型号低压脱扣器进行实验研究.在整个实验过程中，电压暂降发生仪累计共输出21067 组测试信号，即产生了21 067 组实验数据与之对应，其中，低压脱扣器始终保持不脱扣的实验数据共计12488 组;低压脱扣器脱扣且脱扣次数小于测试信号频次的实验数据共计6331 组;低压脱扣器脱扣且脱扣次数等于测试信号频次的实验数据共计2248 组.表4给出了10 种型号低压脱扣器的实验规模，即发生脱扣、不脱扣及脱扣不确定(模糊)实验数据组数.

表4 10 种型号低压脱扣器实验规模Table4 Test scale of ten types of low voltage r elease

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

从21067 组实验数据中，统计出各型号低压脱扣器在不同幅值与相位组合下的不脱扣最大持续时间t1和脱扣最小持续时间t2(即t ≤t1时低压脱扣器始终不脱扣，t ≥t2时低压脱扣器的脱扣次数等于测试信号频次，t1＜t ＜t2时低压脱扣器脱扣，但脱扣次数小于测试信号频次)，作为实验结果.

鉴于篇幅所限，文中仅给出在θ 为0°以及U 为25%时，T1-T10型低压脱扣器实验结果，如表5、6所示.

表5 10 种型号低压脱扣器在相位为0°时不同幅值对应的t1、t2Table5 t1 and t2 of ten types of low voltage release at different amplitude when phase was 0 degree

表6 10 种型号低压脱扣器在电压幅值为25%时不同相位对应的t1、t2Table6 t1 and t2 of ten types of low voltage release at different phase when amplitude was 25%

3.2 基本分析

为了便于对比分析，根据表5、6 中数据，在同一坐标平面上绘制T1-T10型低压脱扣器电压幅值-持续时间特性曲线与相位-持续时间特性曲线，如图4、5 所示.

由图4及表5中数据可以看到:不同厂家生产的低压脱扣器在电压暂降脱扣特性差异较大，T10型低压脱扣器的脱扣区域最小，说明其电压暂降敏感性最小;T2型低压脱扣器的脱扣区域最大，说明了其电压暂降敏感性最大.此外，对比T1、T2、T3、T4、T5、T6的电压耐受曲线，可以看到，同一厂家生产的不同额定工作电压等级的低压脱扣器，其脱扣特性同样存在一定程度的差异性.

由图5及表6中数据，可以看到:相位对不同型号低压脱扣器的电压暂降脱扣特性影响不同，T3-T8型低压脱扣器在相位变化时所对应的t1、t2差异明显，说明这些型号低压脱扣器对电压暂降相位较为敏感;而对于T1、T2、T9、T10型低压脱扣器，在相位改变时所对应的t1、t2变化不大，说明此类型低压脱扣器对电压暂降相位不敏感.

图4 10 种型号低压脱扣器在相位为0°时电压幅值-持续时间特性曲线Fig.4 Amplitude-duration curves of ten types of low voltage release when the phase was 0°

图5 10 种型号低压脱扣器在幅值为25%时相位-持续时间特性曲线Fig.5 Phase-duration curves of ten types of low voltage release when the amplitude was 25%

3.3 脱扣特性模型建立

3.3.1 实验结果极值化处理

基于上述基本分析可知，不同型号的低压脱扣器在电压暂降作用下脱扣特性差异明显，为了得到统一适用于所有型号低压脱扣器的脱扣区域与不脱扣区域，可对实验结果进行极值化处理，即

式中，t1(i)、t2(i)分别为第i(i =1，2，…，10)种型号低压脱扣器在同一幅值、相位下对应的t1和t2，t1eq和t2eq分别为10 种型号低压脱扣器经极值化处理后得到的等效的不脱扣最大持续时间和脱扣最小持续时间.

按照上述方法，以表5、6 数据为例进行处理，得到表7、8，进而绘制相应曲线图，如图6、7 所示，得到适用于所有型号低压脱扣器在相应电压暂降条件下的脱扣区域及不脱扣区域.

表7 θ 为0°时不同幅值对应的t1eq和t2eqTable7 t1eq and t2eq at different amplitudes when phase was 0°

表8 U 为25%时不同相位对应的t1eq和t2eq Table 8 t1eq and t2eq at different phases when amplitude was 25%

图6 相位为0°时综合10 种型号低压脱扣器的电压幅值-持续时间特性曲线Fig.6 Amplitude-duration curves of comprehensive ten types of low voltage release when the phase was 0°

图7 幅值为25%时综合10 种型号低压脱扣器的相位-持续时间特性曲线Fig.7 Phase-duration curves of comprehensive ten types of low voltage release when the amplitude was 25%

同理，可形成相位为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时幅值-持续时间特性曲线，以及幅值为10%、15%、20%、30%、35%、40%、45%、50%时的相位-持续时间特性曲线.

由图4-7 可以看到，幅值、持续时间、相位等3个特征量共同决定着低压脱扣器在电压暂降下的脱扣特性.为了准确、细致地描述低压脱扣器电压暂降脱扣特性，文中以持续时间为公共变量，分别建立不同相位下幅值与持续时间函数关系，以及不同幅值下相位与持续时间函数关系，即从相位、幅值两个维度上构建低压脱扣器的电压暂降脱扣特性模型.

3.3.2 基于电压暂降相位的脱扣特性模型

由图8可以看出:特性曲线1 随着相位变化差别较小，而特性曲线2 差别较大，且电压暂降发生前半周期(相位为0° ～135°)和后半周期(180° ～315°)，特性曲线并不具有半周期对称性.为了较为精确地描述低压脱扣器电压暂降脱扣特性，需要对每个相位下的特性曲线进行拟合.根据特性曲线形状可以大致确定拟合函数类型，结合表7中数据，利用Matlab 软件中曲线拟合工具箱CFTOOL 可形成与每条特性曲线相对应的幅值与持续时间函数关系，如表9所示.电压暂降发生时，根据其特征量(θ0、U0、t0)，在表9中选择相位为θ0或者与θ0较为接近的相位所对应的特性曲线1、2 数学表达式，将t0代入表达式进行计算，得到U1(t0)和U2(t0)，并与U0相比较，即可判断低压脱扣器在该电压暂降作用下的脱扣特性.

图8 相位为0° ～315°时综合10 种型号低压脱扣器的幅值-持续时间特性曲线Fig.8 Amplitude-duration curves of comprehensive ten types of low voltage release when the phase ranges from 0°to 315°

表9 低压脱扣器在不同相位下的电压暂降脱扣特性模型Table9 Tripping characteristic models of low voltage release at different phases when voltage sag happened

3.3.3 基于电压暂降幅值的脱扣特性模型

图9 综合所有型号低压脱扣器在幅值为10% ～50%时的相位-持续时间特性曲线Fig.9 Phase-duration curves of comprehensive ten types of low voltage release when the amplitude ranges from 10% to 50%

由图9可以看出:幅值不同，相位-持续时间特性曲线3、4 明显不同，因而电压暂降脱扣特性差异明显.当幅值为10% ～35%时，低压脱扣器在电压暂降作用下存在脱扣区域、模糊区域以及不脱扣区域;当幅值为40% ～50%时，低压脱扣器在电压暂降作用下存在不脱扣区域、模糊区域;当幅值大于50%时，低压脱扣器在电压暂降作用下不脱扣.

同样利用Matlab 软件中曲线拟合工具箱CFTOOL 可求出每条特性曲线所对应的相位与持续时间函数关系，如表10所示.

表10 低压脱扣器在不同幅值下的电压暂降脱扣特性模型Table10 Tripping characteristic models of low voltage release at different amplitudes when voltage sag happened

因此，根据实际中发生的电压暂降特征量(U0、θ0、t0)，在表10中选择幅值为U0或者与U0较为接近的幅值所对应的特性曲线3、4 数学表达式，将θ0代入表达式进行计算，得到t3(θ0)和t4(θ0)，并和t0作比较，即可判断低压脱扣器在该电压暂降作用下的脱扣特性.

4 结论

(1)在严格遵循文献［18］的基础上，首次系统地设计了低压脱扣器电压暂降敏感性实验方案，包括实验平台、参数、步骤等，实验方案具有科学性、实用性、推广性，可借鉴文中所设计的实验方案，实现对其他设备电压暂降敏感特性实验研究.

(2)基于所设计实验方案，对市场上主流10 种型号低压脱扣器进行实验研究，对实验结果作极值化处理，利用曲线拟合方法，分别从相位、幅值维度上建立了低压脱扣器的电压暂降脱扣特性模型.所建模型既可判断低压脱扣器在电压暂降作用下的脱扣特性，也为全面考核低压断路器性能提供重要理论支持.

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