邱 伟，游颖敏,,†，朱翔鸥，杨 凯，王景芹

(1.温州大学数理与电子信息工程学院，浙江温州 325035；2.河北工业大学电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130)

低压电器广泛应用于各种供配电场所，对其产品各种性能的验证必不可少.为了提高相关产品试验结果的一致性和可重复性，研究低压电器试验测控技术就很有必要.未来随着计算机软硬件的进步，低压电器检测技术的方向趋势是：试验次数少、预测精度高[1-2].

低压断路器的短路试验尤为关键，要求进行短路试验的装置必须准确可靠.针对短路接通和分断能力试验需快速设置试验参数和获得精准短路电流的需求，本文提出了能对短路系统的阻抗自适应校正、计算阻抗参数、读取预期波TDMS格式数据及阻抗刀开关数据查询等功能的可视化软件，通过简化操作，节省大量时间.软件可以通过考虑系统阻抗误差得到更准确的短路阻抗，来提高精度.由于系统试验中存在误差，所以要对得到的数据进行阻抗校正之后再显示.在得到的波形图中，接近零点数值为直流分量，去掉直流分量得到的数据是校正之后的数据[3-4].通过传统方法获取短路试验参数步骤与本文介绍的方法比较，可以看出本文方法具有较高效率.

1 短路实验系统

短路实验系统电路结构如图1所示，10 kV电源经开关柜输入至冲击试验变压器，根据试验参数要求，将冲击变压器设置成星型或三角形接法，通过电压转换装置可以将电压调节至100 V-1 200 V，再依次输入至保护控制开关、电压选相控制开关，连接前级负载（电阻、电感负载组合），最后输出至试验端口.当需要输出小电流时，须将选择开关从接地位置切换至后级负载，再进行接地.此外，系统将数据采集装置接至试验端口，能实时采集试验数据.

图1 短路实验系统装置框图Fig 1 The Block Diagram of Short Circuit Experiment System Device

由于阻抗装置存在大量连接端子、刀开关，在实验过程中，金属导线、接线柱不可避免存在氧化现象，形成膜电阻.在进行多次大电流实验后，电阻、电感、接线柱的温升会造成阻抗、感抗变化，这些因素都将对短路试验的试验参数造成影响.对短路实验系统阻抗校正时，按照试验产品需要，输入预期试验参数.计算后可查询阻抗值与刀开关对应数据表①阻抗值与刀开关组合对应的关系表，是设备生产商提供的的数据.涉及该关系表，以下不再一一说明.得出前级、后级的阻抗刀开关档组合，再进行阻抗设置.短路试验后，读取预期波TDMS数据，得到实际的输入电压、输入电流、功率因数等电参数，判断是否达到预期试验参数值.如果满足要求，保存结果；如数据不满足，则根据数据偏差大小，重新计算，并给出新的设置参数，再次进行短路试验，产生新的预期波，直至满足要求.

图2 采用传统方法试验参数设置流程图Fig 2 The Flow Chart for Test Parameter Setting via Traditional Methods

2 传统方法设置短路阻抗参数

传统方法设置短路系统试验参数、查询阻抗刀开关数据表需要手工完成，过程繁琐且耗时较长[5-6].现以设置如下试验参数为例介绍传统设置方法，参数如下：输入交流电压U=230 V，输出交流电流I=7.5 kA，功率因数=0.8，传统方法阻抗参数设置步骤见图2.

根据上述参数，手动计算前级阻抗、感抗数据，分别手动查询电阻刀开关数据表、电感刀开关数据表，根据查询刀开关数据表设置阻抗刀开关组合后，将进行一次短路试验，需手动测量实际输出参数值是否符合预期参数要求，如数据有偏差，则重复以上步骤.表1记录了每次采集的数据，从表1可以看出，数据逐渐逼近预期参数，最后在第7次，获得R：0840，L：4210的阻抗、感抗刀开关数据，得到预期的短路电流和功率因数值.但整个过程重复性操作次数较多，效率低下，迫切需要改进现有方法，减少运算次数.

表1 采用传统方法阻抗调节实验数据Table 1 The Experimental Data of Impedance Regulation by Traditional Methods

3 短路系统阻抗自适应校正方法

3.1 阻抗自适应校正方法原理

传统的短路阻抗参数计算时没有考虑线路中阻抗误差，导致理论计算数据不准确，短路系统简化电路如图3所示.将短路系统中的线路固有误差、由接线端子氧化或温度变化造成的阻抗变化等情况造成的误差归类为系统阻抗误差，由R2、L2及C表示.

简化的回路电压方程如（1）式所示：

其中U表示负载侧总电压，I表示实验电流，R、XL表示阻抗及感抗，Zerr代表系统误差总阻抗，Zerr是随回路中金属接线柱及刀开关的氧化程度、温度等因素变化而变化，需要进行一次预期波试验并获得TDMS格式的原始数据.

图3 系统电路简化图Fig 3 The Simplified Diagram of System Circuit

由（2）式获得系统回路总阻抗Zre，其中Ure、Ire实测电压、实测电流.

由于本文仅针对工频信号进行阻抗校正，故可忽略电容带来的影响，根据式（3）式和（4）式即可求出系统的误差阻抗，最后获得实际的功率因数cosα，因此产生预期电流的电阻及电感得到修正.（5）式为开关接触电阻Rj的经验计算公式：

其中Kc是与接触材料、接触面加工情况及表面状况有关的系数，Fj为接触压力，m表示与接触形式有关的指数（点接触m=0.5、线接触m=0.5-0.7、面接触m=1.0）.

其中τj为刀开关或接线柱触头本体温升，τjm为触头对周围介质的温升，A、P为触头本体的截面积及周长，KT为综合散热系数，λ、ρ为触头材料电导率及电阻率.

在多次短路实验中，阻抗、感抗及接线端口的温度变化如图4所示.

图4 实验引起阻抗、感抗的温度变化曲线Fig 4 The Temperature Variation Curve of Impedance and Inductance Caused by Test

本系统中接线柱、导线及电感都采用铜材料，铜的电阻率温度系数约为0.004/摄氏度.在正常的100摄氏度温度区间，电阻率和温度间呈线性关系：

铜在2 0℃时电阻率为0.0 1 7 2，铝在2 0℃时的电阻率为0.0 2 9.

其中R为电阻，l为长度，s为截面积.以面积为1 0平方毫米、长度为5 0 c m的铜线为例，在温升2 0℃下，由（9）式可以计算得出R的变化为4毫欧，在大电流短路实验中，4毫欧的电阻变化将影响实验结果，必须进行校正，才能获得准确参数.

3.2 采用自适应校正方法的参数设置步骤

针对传统方法存在的弊端，改进了参数设置的步骤，并通过阻抗校正达到快速设置试验参数的目的.具体步骤如下：

1）根据待试验产品试验条件，输入预期试验参数.

2）自动查询阻抗与刀开关对应数据表获得前后级的电阻及电感刀开关值，并调节电阻及电感刀开关.

3）短路试验后，自动读取预期波TDMS数据，并计算出实际参数值，判断是否达到预期试验参数值，如果满足要求，保存结果.否则，补偿阻抗误差，并重新计算新的设置档位参数.

4）进行短路试验，产生新的预期波，重复步骤3，直至满足要求.

以前面的试验参数为例：I=7.5 kA，U=230 V，功率因数=0.8.经过计算、实验后修正直至达到预期参数要求，采用低压断路器短路实验系统阻抗自适应校正方法重复循环次数为2次，就能达到试验参数要求.通过软件校正，可以将阻抗调节次数从原来表1中的7次降低到表2中的2次，即可准确获得实验所需短路电流及功率因素等参数.

表2 采用阻抗校正方法所得实验数据Table 2 The Experimental Data Obtained by Impedance Correction Methods

4 阻抗自适应校正软件的实现

4.1 软件设计流程

在软件实现功能中，需要输入预期参数，如预期电压、预期电流、预期功率因数，点击计算按钮，可得预期电阻及电感数据.选择所需要的阻抗感抗数据文件进行查询，点击查询按钮，可得到刀开关组合值.实验后获得预期波，保存为TDMS文件，点击读取TDMS文件按钮，可计算并显示出有效电压、有效电流、峰值电压和峰值电流等数据，并能显示电压、电流波形图.根据预期参数与实测参数对比，可计算出校正后的电阻和电感.使用查询按钮，则可得到准确的刀开关组合.软件流程图如图5所示.

图5 阻抗计算与校正软件流程图Fig 5 The Flow Chart of Impedance Calculation and Software Correction

4.2 短路系统阻抗自适应校正平台界面设计

将预期参数计算板块、查询参数板块、修正参数计算板块、修正查询板块界面进行整合，采用Matlab进行程序设计，利用其可视化功能，调试得出的软件主界面，如图6所示.该软件能快速实现参数计算、阻抗校正、波形显示等功能.

5 结语

在本文介绍的阻抗自适应校正方法中，只需输入参数即可实现参数计算，可通过查询界面获取所需要的阻抗开关值，启动系统输出预期波并生成TDMS文件，校正软件可读取TDMS文件，并显示实际电压和电流的波形图，可完成阻抗校正并获得准确的阻抗开关值.该方法有如下优点：（1）软件计算试验参数代替手工计算，自动查表代替手工查表，提高了效率；（2）自动读取预期波TDMS文件，并测量获得实际电参数数据；（3）综合考虑因阻抗温度效应、刀开关触点膜电阻等因素引起的误差并进行自适应校正，保证试验参数精度的同时提高了实验效率.

图6 阻抗自适应校正平台整体设计Fig 6 The Integrated Design of Impedance Self-adaptive Correction Platform