第 1 章 緒論

1.1 合成回路試驗(yàn)的意義
隨著現(xiàn)代電網(wǎng)向著高電壓、大容量的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展，作為為電網(wǎng)提供安全保障的高壓斷路器的作用日益提高。在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸變電和配電設(shè)備中，可能發(fā)生各種短路，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)就要求斷路器需要迅速切除故障，避免造成巨大損失。由于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性要求非常高，因此高壓斷路器在投入使用之前必須進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)性能的檢驗(yàn)和認(rèn)證。目前的科技發(fā)展水平還不十分完善，高壓斷路器的開(kāi)斷過(guò)程及涉及到的一些問(wèn)題極為復(fù)雜還不能完全依靠理論分析和定量計(jì)算的方法設(shè)計(jì)出符合各項(xiàng)開(kāi)斷性能和其他要求的斷路器。所以對(duì)于高壓電器產(chǎn)品的研制必須通過(guò)型式試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)提供信息和經(jīng)驗(yàn)，最終通過(guò)試驗(yàn)來(lái)鑒定是否可以定型和生產(chǎn)[1]。因此如何在高壓斷路器進(jìn)行生產(chǎn)和投入運(yùn)行以前，通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高壓斷路器的各項(xiàng)開(kāi)斷性能進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)是十分重要的。對(duì)高壓斷路器開(kāi)斷性能進(jìn)行驗(yàn)證有很多方法，在保證試驗(yàn)條件與被試斷路器在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用相等價(jià)性前提下，試驗(yàn)方法按照試驗(yàn)電路分類(lèi)，可以分為直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)[1]。直接試驗(yàn)是一種短路試驗(yàn)法，其中外試電流、電壓、瞬態(tài)及工頻恢復(fù)電壓都由一個(gè)電源回路提供[2]。直接試驗(yàn)法包括網(wǎng)路試驗(yàn)法和直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)法，其中網(wǎng)路試驗(yàn)法的電源直接由給電力網(wǎng)配電的試驗(yàn)站提供，這種試驗(yàn)方法試驗(yàn)費(fèi)用高昂，而且會(huì)產(chǎn)生大功率的短路沖擊，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)點(diǎn)性產(chǎn)生影響；直流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)法由大容量發(fā)電機(jī)組供電，投資巨大、維護(hù)困難，并且試驗(yàn)次數(shù)和容量受到很大的限制。因此，直接試驗(yàn)方法應(yīng)用的不是很廣泛。合成回路也是一種短路試驗(yàn)，屬于間接的試驗(yàn)方法，其中電流和電壓分別來(lái)自?xún)蓚�(gè)獨(dú)立源。試驗(yàn)電流主要由電流源回路提供，試驗(yàn)電壓主要由電壓源回路提供[1]。
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1.2 合成回路試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀
從上世紀(jì) 30 年代開(kāi)始，世界各國(guó)提出了多種合成回路方案，其中很多方案都申請(qǐng)了專(zhuān)利，一些國(guó)家還建立了工業(yè)性或半工業(yè)性的合成回路試驗(yàn)站[3]。從 60 年代初開(kāi)始，為了產(chǎn)品發(fā)展的需要，各國(guó)對(duì)合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，證明合成試驗(yàn)法對(duì)斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)是等價(jià)的，很適用于型式試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)。由于合成試驗(yàn)法經(jīng)濟(jì)、靈活、對(duì)試品的破壞性小以及能按需要廣泛調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)，因此它也是高壓電器發(fā)展理想的研究工具。1968 年 IEC“高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備”分委會(huì)決議以 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的形式推薦給各國(guó)使用，1973 年在 IEC-427 出版物上正式提出《關(guān)于高壓交流斷路器的合成試驗(yàn)報(bào)告》，使其成為實(shí)驗(yàn)室合成試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)以及信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界各大開(kāi)關(guān)試驗(yàn)站都采用計(jì)算機(jī)作為合成試驗(yàn)控制系統(tǒng)的核心，以提高試驗(yàn)控制和測(cè)量的水平，而且取得了較大的進(jìn)展[4]。例如，荷蘭的 KEMA 試驗(yàn)站采用了微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)；ABB 公司也擴(kuò)建了它在瑞典路德維卡強(qiáng)電流試驗(yàn)站，并使之設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，擴(kuò)建后的短路容量達(dá)到了 7500MVA，可產(chǎn)生 1600kV的電壓，短路電流有效值可達(dá)到 80kA，擁有最新的測(cè)試、控制和監(jiān)視技術(shù)及最現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理設(shè)備；日本東芝公司的研究人員在用合成回路試驗(yàn)對(duì)真空斷路器開(kāi)斷性能方面開(kāi)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 合成試驗(yàn)原理及主回路分析

2.1 斷路器開(kāi)斷原理及過(guò)程

合成回路試驗(yàn)是在斷路器的開(kāi)斷特性上建立起來(lái)的，因此，首先介紹一下斷路器的開(kāi)斷原理。斷路器開(kāi)斷時(shí)會(huì)在斷口間出現(xiàn)電弧電流，當(dāng)電弧電流過(guò)零時(shí)，電弧功率也隨之變?yōu)榱�，此時(shí)電弧間隙得不到能量輸入，卻以輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等方式散出能量。以致使電弧間隙內(nèi)的帶電粒子消游離過(guò)程增強(qiáng)，電弧間隙的溫度迅速下降，電弧會(huì)在電弧電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)暫時(shí)熄滅。在電弧電流過(guò)零以后，電弧可能出現(xiàn)就此熄滅完成電路的開(kāi)斷和再次重新燃燒兩種現(xiàn)象。因此交流電弧電流的過(guò)零時(shí)，電弧最容易熄滅。只要在電弧電流過(guò)零時(shí)，斷開(kāi)斷路器且開(kāi)斷后弧隙通道不發(fā)生重燃，電弧就會(huì)最終熄滅。從流過(guò)斷路器斷口的電弧電流過(guò)零時(shí)開(kāi)始，在電弧間隙上將發(fā)生電壓恢復(fù)和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)兩個(gè)過(guò)程。在流過(guò)斷路器斷口的電弧電流過(guò)零電弧熄滅的瞬間，弧隙上的電壓為熄弧電壓。在電流過(guò)零后斷路器開(kāi)斷，弧隙上的電壓應(yīng)從熄弧電壓變化到相應(yīng)時(shí)刻的電源電壓。由于實(shí)際的電力系統(tǒng)中總存在著一些電感、電容等儲(chǔ)能元件，使回路中的電壓值不能突然發(fā)生變化，因此在電弧電流過(guò)零的瞬間，斷路器電弧間隙上的電壓將從熄弧電壓逐漸變到電源電壓即發(fā)生電壓的過(guò)渡過(guò)程，電壓過(guò)渡過(guò)程又稱(chēng)為弧隙的電壓恢復(fù)過(guò)程。在電壓恢復(fù)過(guò)程中，弧隙兩端出現(xiàn)的電壓就稱(chēng)為弧隙的恢復(fù)電壓。電路的電容、電感參數(shù)和弧隙性能決定了電壓恢復(fù)的過(guò)程，該過(guò)程可以是周期的，也可以是非周期的。當(dāng)電弧電流過(guò)零后電弧熄滅時(shí)，電弧間隙逐漸從原來(lái)的導(dǎo)電通道轉(zhuǎn)變成絕緣通道的過(guò)程被稱(chēng)為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程。從電壓恢復(fù)和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)的過(guò)程可知，這兩個(gè)過(guò)程的作用是相反的。在電壓恢復(fù)過(guò)程中，弧隙上的電壓不斷升高，最終達(dá)到電源電壓。在這一過(guò)程中，當(dāng)恢復(fù)電壓超過(guò)弧隙上的擊穿電壓時(shí)，將可能引起弧隙的再次擊穿從而使電弧重新燃燒，影響斷路器的正常開(kāi)斷。而在介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程中，弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度不斷增加，導(dǎo)致電弧間隙間的絕緣強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，提高弧隙間的擊穿電壓，防止電弧間隙的再次擊穿從而使電弧熄滅。因此，斷路器斷口的電弧是否能夠正常熄滅，就取決于電弧間隙的電壓恢復(fù)過(guò)程和絕緣強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程之間的相互競(jìng)爭(zhēng)[4]。當(dāng)電壓恢復(fù)過(guò)程快于絕緣強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程時(shí)，可能引起電弧重燃，反之，電弧則能正常開(kāi)斷。實(shí)際上斷路器的大容量開(kāi)斷試驗(yàn)就是模擬上述的開(kāi)斷過(guò)程。

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2.2 合成回路試驗(yàn)原理
檢驗(yàn)斷路器開(kāi)斷能力的試驗(yàn)方法有很多種，其中按照試驗(yàn)所需電路分類(lèi)，可以將試驗(yàn)分為直接試驗(yàn)和合成試驗(yàn)。直接試驗(yàn)是一種短路試驗(yàn)方法，直接試驗(yàn)的電流、外試電壓、瞬態(tài)及工頻恢復(fù)電壓全部取自同一個(gè)電源回路，該電源回路可以由電力網(wǎng)、短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)提供，在一定的條件下，也可以由單頻振蕩回路提供。合成試驗(yàn)法與直接試驗(yàn)法的本質(zhì)區(qū)別在于合成試驗(yàn)由兩個(gè)電源代替直接試驗(yàn)法的一個(gè)電源。由圖 2.1斷路器的開(kāi)斷過(guò)程可知，電弧電流在過(guò)零點(diǎn)以前，電弧電壓幅值很低。電弧電流過(guò)零前后，電弧電壓依然保持很小的數(shù)值，但電弧電流過(guò)零后弧隙上的電壓逐漸變得很高�？梢�(jiàn)在高壓斷路器開(kāi)斷的過(guò)程中，作用在弧隙上高電壓和大電流并不是同時(shí)產(chǎn)生的，由于以上高壓斷路器開(kāi)斷的特點(diǎn)，對(duì)斷路器進(jìn)行開(kāi)斷試驗(yàn)時(shí)可以采用兩套獨(dú)立的電源，由電壓值很低電流值很高的電源構(gòu)成短路電流回路，簡(jiǎn)稱(chēng)電流源。由電流值很低電壓值很高的電源構(gòu)成電壓回路，簡(jiǎn)稱(chēng)電壓源[5]。用以上兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源代替直接試驗(yàn)法的一個(gè)電源，并由同步合成控制裝置在電流過(guò)零區(qū)對(duì)電流和電壓進(jìn)行合成。這種對(duì)電流和電壓進(jìn)行合成的試驗(yàn)系統(tǒng)被稱(chēng)為合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)。由于合成試驗(yàn)需要對(duì)電壓源和電流源在電弧電流過(guò)零前后進(jìn)行合成，因此在進(jìn)行合成試驗(yàn)時(shí)，能否保證電弧電流在過(guò)零合成時(shí)，即電流源與電壓源相互作用階段，斷路器的開(kāi)斷和直接試驗(yàn)的實(shí)際開(kāi)斷具有相同的等價(jià)性，是進(jìn)行合成試驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。
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第 3 章 合成試驗(yàn)電流源試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算及分析....12
3.1 故障電流分析..........12
3.1.1 開(kāi)斷的短路電流分析..........12
3.1.2 電流源回路放電電流分析.........14
3.2 電流源參數(shù)計(jì)算......16
3.3 延弧回路分析..........22
3.4 本章小結(jié)....24
第 4 章 合成試驗(yàn)電壓源試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算及分析....25
4.1 電壓源回路瞬態(tài)及工頻恢復(fù)電壓分析.....25
4.2 電壓源放電回路參數(shù)計(jì)算....27
4.2.1 放電回路等價(jià)性分析..........27
4.2.2 放電回路參數(shù)計(jì)算.......28
4.3 電壓源回路調(diào)頻二參數(shù)計(jì)算.......29
4.3.1 二參數(shù)調(diào)頻回路計(jì)算..........29
4.3.2 二參數(shù)調(diào)頻回路參數(shù)仿真與分析....30
4.4 電壓源回路調(diào)頻四參數(shù)計(jì)算.......32
4.5 本章小結(jié)....37
第 5 章 參數(shù)自動(dòng)計(jì)算界面設(shè)計(jì).......38
5.1 主界面簡(jiǎn)介.......38
5.2 輸入?yún)?shù)模塊..........39
5.3 電流源相關(guān)參數(shù)模塊.....39
5.4 電壓源相關(guān)參數(shù)模塊.....41
5.5 本章小結(jié)....44

第 5 章 參數(shù)自動(dòng)計(jì)算界面設(shè)計(jì)

5.1 主界面簡(jiǎn)介
由于 MATLAB 軟件強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算與圖形顯示功能，能夠滿(mǎn)足本合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)的電路分析和計(jì)算的所有要求，因此，本試驗(yàn)應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但是，目前利用 MATLAB 軟件計(jì)算高階動(dòng)態(tài)電路主要是編寫(xiě)大量的 M 文件函數(shù)并通過(guò)相互調(diào)用計(jì)算電路所需數(shù)值，這就造成每次計(jì)算電路時(shí)需要重復(fù)的編寫(xiě)大量的計(jì)算函數(shù)，程序使用不具備通用性且容易造成函數(shù)調(diào)用混亂，計(jì)算的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率和誤差率高，同時(shí)造成進(jìn)行合成試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作進(jìn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。借助于 MATLAB/GUI 模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出合成回路試驗(yàn)參數(shù)分析計(jì)算平臺(tái)，只要將所需的試驗(yàn)方式、試驗(yàn)電流和試驗(yàn)電壓及相關(guān)參數(shù)輸入，就能在該平臺(tái)上顯示試驗(yàn)所需參數(shù)數(shù)值，并且將結(jié)果可視化，并對(duì)所計(jì)算的參數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，明確參數(shù)的誤差，可手動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，減小進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)由于參數(shù)產(chǎn)生的誤差�；� MATLAB/GUI 的參數(shù)計(jì)算平臺(tái)為以后進(jìn)行合成試驗(yàn)提供了極大的方便，并提高了合成試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性。本合成試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算界面主要包括：參數(shù)輸入界面、電流源相關(guān)參數(shù)、電壓源相關(guān)參數(shù)、波形顯示四個(gè)主要的模塊。實(shí)現(xiàn)整個(gè)合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)的振蕩放電參數(shù)、調(diào)頻參數(shù)的確定和仿真，并給出相應(yīng)元件的組合方式，確定元件的接線(xiàn)抽頭。簡(jiǎn)化合成回路試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，，大大提高了試驗(yàn)效率。該參數(shù)計(jì)算界面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 5.1所示。
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結(jié)論

本文在詳細(xì)的分析合成回路試驗(yàn)原理和過(guò)程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)合成回路整個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)。本文主要得出結(jié)論如下：（1）要想得到試驗(yàn)所需的電流源電流值，只需要改變電流源回路中的充電電容器的電壓值、電抗器電抗值、充電電容器電容值，其中充電電容器電壓值決定電流的幅值，電抗器電抗值和電容器電容值決定電流的頻率。（2）決定電流源調(diào)頻參數(shù)大小的主要因素為電路的固有振蕩頻率和輔助斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率，在根據(jù)不同試驗(yàn)時(shí)可相應(yīng)確定電流源調(diào)頻回路參數(shù)。（3）決定延弧回路的主要因素為：投入脈沖延弧時(shí)，脈沖電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該時(shí)刻的電流源電流；同時(shí)還要求脈沖電流的衰減時(shí)間大于觸發(fā)時(shí)到電弧過(guò)零的時(shí)間。（4）電壓源四參數(shù)調(diào)頻回路的瞬態(tài)恢復(fù)電壓的波形由三個(gè)不同的分量組成，包括一個(gè)直流分量與兩個(gè)頻率和衰減系數(shù)都不相等的余弦函數(shù)分量。（5）合成回路參數(shù)自動(dòng)計(jì)算界面，在明確試驗(yàn)方式、試驗(yàn)電流和試驗(yàn)電壓的基礎(chǔ)上能夠自動(dòng)計(jì)算出電流源回路的相關(guān)參數(shù)和電壓源回路的相關(guān)參數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示瞬態(tài)恢復(fù)電壓的波形，明確每個(gè)參數(shù)對(duì)瞬態(tài)恢復(fù)電壓的影響。簡(jiǎn)化試驗(yàn)前人工匹配試驗(yàn)參數(shù)，提高試驗(yàn)效率。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：70110