CN106885939A - 低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法，包括如下步骤：测量回路接通后前三个半波电流的极值点时间差Δt₁、Δt₂，以及短路电流周期分量的频率f；将三个值带入非线性方程：通求解该非线性方程，求得回路时间常数T；根据功率因数与时间常数对应关系：求解出回路功率因数。本发明对测量设备、试验设备等没有特别的要求，只需要预期短路试验后，在预期短路电流示波图上测量短路电流稳态时的频率，以及短路电流波形的前三个极值点之间的时间差即可，不但测量方法简单，而且还最大限度避免了更多误差量的引入，因此具有更简单、准确、可靠的性能。

Description

低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法

技术领域

本发明涉及测量领域，具体是一种低压电器产品短路耐受强度试验中回路功率因数的三极值点测量方法。

背景技术

低压电器短路耐受强度试验时，功率因数是试验必须满足的一个参数，必须调整到规定值的允许偏差范围内，而短路试验功率因数测量的主要困难在于短路电流较大，且持续时间较短情况下的功率因数的准确测定，当前，国家标准GB 13539.1-2008《低压熔断器第1部分：基本要求》中也提到“没有哪种方法能精确地测量短路功率因数”。目前常用的功率因数测量方法主要有直读法、低压调值法、指示发电机法、冲击系数法、相交叉法、直流分量法等方法。

1).直读法需要功率因数表等设备，直接将测量仪表接入回路中，对回路功率因数进行直接测量，但其测量电流一般在10A以下，无法应用到大电流下低压电器短路耐受强度试验中。

2).低压调值法需要有低压调值电路，并且测量的功率因数只是选择调值接入点之后的回路功率因数，没有考虑前期电源的阻抗，如想准确测量，必须将前期电源的阻抗制作成实物，然后串进调值电路中，且其调值得到的回路功率因数也是低电压下的功率因数，而实际试验时电压电流较大，发热也较大，因此阻抗变化也较大，因此难以模拟实际回路中的阻抗大小，其测量误差一般较大。

3).指示发电机法则需要有一指示发电机与试验发电机同轴运行，受设备及试验条件限制，其实用性也不高。

4).冲击系数法则需要在回路中配备选相合闸开关，用选相开关选取电压过零瞬间合闸，以产生第一个半波最大峰值电流i_m和周期分量(即稳态分量)峰值I_m，计算第一半波峰值系数k＝i_m/I_m，然后根据k与功率因数的单位关系查表得出回路功率因数。理论上该方法较为准确，但是受到选相开关限制，设备投入较大，且大电流试验下，对选相开关要求更高，一般很难应用到频繁的大电流短路强度试验中。另一方面选相开关的选相精度以及峰值电流测量精度将直接影响功率因数的精度。

5).相交叉法则需要在低压侧试验回路中有一个合闸开关，测量得到空载电压波形，接通开关，在测量电压波形的同时测量负载电流波形，其空载电压和负载电流的相位差即功率因数角，然后求余弦值即为回路功率因数。低压电器短路强度试验一般为几十千安到几百千安大电流试验，当短路电流较大时，该合闸开关的性能要求将非常苛刻，因此对于大电流下并不实用。并且相交叉法也未计入电网部分的阻抗对功率因数的影响，所测得的功率因数不是全电路功率因数。

6).直流分量法：短路试验时，预期电流由周期分量和直流分量两部分构成。直流分量法则是需要测量得到直流分量上任意两点的电流值i₁、i₂和这两点时间差Δt，然后求得回路时间常数：

而功率因数与时间常数T有下列对应关系：

其中:

R为回路中电阻，也表示其电阻值大小为R

L为回路中电感，也表示其电感值大小为L

f为回路上电流周期分量频率值

为回路中阻抗值大小。

从公式上看，功率因数与任意两点直流分量电流值大小、两点时间差、周期电流分量的频率有关，不但这些值的测量误差都会计入到功率因数测量中，而且短路电流中直流分量的测量也是一大难点，目前常用的方法一般有平移波形抵消周期分量法、电流波形包络线法等，不论哪一种方法都有电流值测量误差或者电路固有的频率不稳等误差的引入，给准确测量带来极大的困难，因此该方法误差也一般较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低压电器产品短路耐受强度试验中回路功率因数的三极值点测量方法，则只需要测量前三个半波电流的极值点时间差Δt₁、Δt₂和周期分量的频率f这三个值并带入一非线性方程中，即可准确求解出回路功率因数。该方法优势是测量过程中，与电压、电流值大小无关，仅仅与前三个半波电流的极值点时间差Δt₁、Δt₂和周期分量的频率f有关，通过对电流波形进行平滑处理，即可更为准确的测量得到，相比其他方法，不需要特定的试验设备、测量设备，测量量也最少，测量误差也能尽可能得到规避，因此误差引入也最小。不但测量方法简单，而且测量精度也较高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法，包括如下步骤：

步骤1，测量回路接通后前三个半波电流的极值点时间差Δt₁、Δt₂，以及短路电流周期分量的频率f；

步骤2，将三个值带入非线性方程：

通求解该非线性方程，求得回路时间常数T；

步骤3，根据功率因数与时间常数对应关系：

求解出回路功率因数。

本发明的有益效果是，本发明提供的是一种低压电器产品短路耐受强度试验中回路功率因数的三极值点测量方法。现有常用功率因数测量方法通常需要特定测量设备、或者特定试验设备等的支持，且其测量结果也受到电压、电流、频率等测量精度的制约，越多测量量的引入，误差就会越大。本测量方法对测量设备、试验设备等没有特别的要求，只需要预期短路试验后，在预期短路电流示波图上测量短路电流稳态时的频率，以及短路电流波形的前三个极值点之间的时间差即可，不但测量方法简单，而且还最大限度避免了更多误差量的引入，因此具有更简单、准确、可靠的性能。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是低压电器产品短路耐受强度试验线路图。

图2是预期短路电流示波图。

图3是PSIM仿真线路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法，包括如下步骤：

1).建立低压电器产品短路耐受强度试验线路。

建立低压电器产品短路耐受强度试验线路，如图1所示，该线路由1端、L、R、S、U(t)和2端串接而成，其中：S为合闸开关，R为回路中电阻，也表示其阻值大小为R，L为回路中电感，也表示其电感值大小为L，U(t)为试验电压源，也表示t时刻其电压大小为U(t)，U_m为电压源峰值大小，ω＝2πf，f为电压源频率，ω为电流周期分量角频率，为合闸开关S合闸时电压角。

预期电流试验时1、2端短接，试品短路试验时1、2端接试品。

2).建立试验线路的微分方程并求解。

设预期电流试验时，线路中t时刻电流大小为i(t)，则试验线路的微分方程为：

其解为：

其中：

I_m为试验时回路电流峰值大小，

为试验回路功率因数角。

3).推导时间常数T与三极值点时间差Δt₁、Δt₂、频率f关系。

从②式看，试验回路中R、L是常数，故也是常数，因此i(t)是t的二元函数，试验时合闸开关S在角度合闸，因此合闸后也是常数，故预期短路电流试验时i(t)仅仅是试验时间t的一元函数。

预期短路电流示波图如图2所示。

其中：t₁、t₂、t₃分别为预期短路电流示波图前三个半波极值点时间。

从预期波上看，i(t)在t₁、t₂、t₃三点均取得极值，则有：

从而有：

即：

设Δt₁＝t₂-t₁、Δt₂＝t₃-t₁、带入③④⑤式，则有：

等式⑦⑧左侧展开，则有：

由⑩/⑨、/⑨可得：

通过化简可得：

由化简约掉tan(ωt₁+θ)，并带入ω＝2πf、T＝L/R，可得：

4).通过测量预期电流示波图，准确测量得到Δt₁、Δt₂和f。

5).Matlab解非线性方程求解试验线路时间常数T。

将测量预期短路电流示波图得到的Δt₁、Δt₂和f带入式，使用Matlab进行非线性方程求解，即可方便求得时间常数T。

6).计算功率因数。

根据时间常数与功率因数的对应关系：

即可简单、准确地测量并计算得到试验回路的功率因数。

本实施例使用PSIM仿真程序进行仿真验证测量方法的准确性，PSIM仿真线路图如图3所示。其中：

Ut为试验电压源，

TRIAC1为合闸开关，

TRIAC1合闸时电压角为π/6，电压频率f＝50Hz。

然后以大电流短路耐受强度试验中较为常用到的5个典型的值为参考进行5次仿真实验，实验结果如表1所示：

表1

参考CB测试要求的最新CTL决议，电压在频率f＝50Hz时，功率因数测量范围的仪器精确度为±0.05，因此，由上表误差栏可知，本发明的测量方法准确可靠。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.低压电器短路耐受强度试验功率因数的三极值点测量方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，测量回路接通后前三个半波电流的极值点时间差Δt₁、Δt₂，以及短路电流周期分量的频率f；

步骤2，将三个值带入非线性方程：

$\sin (2{\mathrm{\πf\Δt}}_2-2{\mathrm{\πf\Δt}}_1)=sin\left(2{\mathrm{\πf\Δt}}_2\right)\·e^{-\frac{{\mathrm{\Δt}}_1}{T}}-sin\left(2{\mathrm{\πf\Δt}}_1\right)\·e^{-\frac{{\mathrm{\Δt}}_2}{T}}$

通求解该非线性方程，求得回路时间常数T；

步骤3，根据功率因数与时间常数对应关系：

求解出回路功率因数。