基于DSP的塑壳断路器瞬动试验电流控制

基于DSP的塑壳断路器瞬动试验电流控制

孙俊忠，王宗亮，吴言凤

（海军潜艇学院动力系，山东青岛266071）

摘要：针对交流塑壳断路器瞬动试验存在过渡时间长、电流波形不对称、极易超调带来试验精度和可信度不高的问题，提出了基于DSP控制的4In电流预测试的改进方案。研究了8倍和12倍电流瞬动试验时初相角计算和补偿技术，并对此技术进行了Matlab仿真与验证。在此基础上开发了一套最大电流达5000A的断路器交流整定电源。所采用补偿技术可以确保塑壳断路器试验准确可靠可信。

关键词：塑壳断路器；瞬动试验；初相角；DSP中图分类号：TM561

文献标识码：B

DOI：10.19457/j.1001-2095.20171113

InstantaneousTestCurrentControlofMouldedCaseCircuitBreakerBasedonDSP（MotivePowerDepartment，NavySubmarineAcademy，Qingdao266071，Shandong，China）

SUNJunzhong，WANGZongliang，WUYanfeng

overshootofACmolded-casecircuitbreakerinstantaneoustest，animprovedmethodof4Incurrentpre-testbasedoninstantaneouscurrenttestwerestudied，andthesimulationandverificationofthistechnologywerecarriedoutbyThecompensationtechniquecanensureaccurateandreliableshellcircuitbreakerfortuning.

Keywords:mouldedcasecircuitbreaker；instantaneoustest；initialphaseangle；DSP

Abstract:Accordingtotheproblemoftransitiontimelongandasymmetryofcurrentwaveformandeasy

DSPcontrolwasproposed.Thecalculationandcompensationoftheinitialphaseangleof8timesand12timesofMatlab.Onthisbasis，asetofmaximumcurrentupto5000AcircuitbreakerACpowersupplydevicewasdeveloped.

断路器过电流保护的动作特性（准确度和灵敏度）经长期使用会发生变化，因此需要高精度可控电流源做整定以确保配电系统供电可靠。与厂家出厂的批量抽检不同，用户一般只对少数特定的断路器做试验，并且整定试验以测试磁保护特性的瞬动试验为主。依据GB14048.2—2001《低压开关设备和控制设备第2部分：低压断路器》和GB/Z22074—2008《塑料外壳式断路器可靠性试验方法》做瞬动试验，瞬动试验是在额定电流的8倍和12倍下进行试验。试验电流大、持续时间极其短暂，通常小于0.5s，个别甚至小于25ms，在此暂态过程难以建立闭环控制，电流精度、波形和过渡过程都难以控制，单次试验不能保证试验结果准确性，需多次重复试验才能保证试验结果的可信度［1-2］。

本文总结了传统试验控制方法及其存在的

问题，分析并根据断路器瞬动测试的要求，研究了初相角给定和补偿技术，并通过仿真和试验进行了验证。在此基础上，研制了大电流瞬动试验整定电源。所采用的控制方法保证初相角和回路阻抗角一致，整定电流过零点投入准确，瞬动试验暂态过程电流无超调、波形上下对称，并提高了控制的精度和功率因数，所研制的试验电源可以确保准确可靠地对塑壳断路器进行整定。

1原理与设计

1.1

断路器过电流保护特性

断路器中的热磁脱扣单元可以实现过载保护和短路保护，其保护特性曲线如图1所示。

图1中，Ⅰ区为正常工作区，运行电流小于额定电流。

Ⅱ区为热保护区，过载长延时保护，Ir小于

63

作者简介：孙俊忠（1965-），男，博士，教授，Email：sunjunzhong@sohu.com

电气传动2017年第47卷第11期图1

断路器过电流保护特性曲线

8Fig.1

I按照过载的情况根据反时限特性脱扣，Circuitbreakerover-currentprotectioncharacteristiccurve

n，保护时间12IⅢ1～区为磁保护区，200s。

短路短延时保护，Isd小于n，出现短路故障时根据设定的延时时间保护，20～Ⅳ500区为磁保护，ms。

现短路故障迅速进行保护，短路瞬时保护，10～80msIi小于24In，出Ⅴ区为能量脱扣，出现极大的短路电流，。于24II大n，10ms内迅速脱扣［3］。

电磁脱扣过流保护是靠过流时电流产生的电磁力使开关动作的，特点是动作电流大，时间短，很难瞬时达到给定电流和控制准确的合闸相位。由图1可知，断路器过电流保护动作特性测试的瞬动试验要求电流无超调、波形上下对称、过渡时间短、控制的精度高，否则导致试品非正常动作，产生误差。1.2

存在的问题

常用的塑壳断路器电流范围是63～630A，瞬动试验按8倍和12倍额定电流做试验，因此负载电流可能达到4kA以上，就需要选择150mm2以上的导线接入电流回路，而较粗的导线虽然降低了电阻值，但线路中相应的感抗所占的比重增大，此时导线不能再视为纯阻性负载。如果负载为一个阻感性负载，该回路即为一阶电阻电感电路，如图2所示。根据电路原理，电感上的电流不能突变，正弦电压接通后，在初始值一定的条件下，过渡过程与电源投入时刻有关，投入电流时刻不合理，将产生非周期分量，会引起远大于给定电流值的电流震荡，造成整定电流的前几个周波幅值、畸变程度增大，并因此导致试品提前动作［4］。

图2

测试电源的近似等效电路

64

Fig.2Approximateequivalentcircuittestpower

孙俊忠，等：基于DSP的塑壳断路器瞬动试验电流控制

图2中，Req为电源内阻，R为回路等效阻抗，L为回路等效感抗，A为试品。1.3问题的追溯和处理方式

交流电源激励时，一阶线性电路中任意电流的表达式［5］为

f(t)=f-t

τ∞(t)+[f(0+)-f∞(0)]  e

t>0

式中：f(t)为交流一阶线性电路中任意电流变

量；f(0+)为换路后初始瞬间电流的初始值；f∞(t)为换路后电路达到新稳态时电流的正弦稳态响应，是时间函数；f∞(0+)为换路后，电流的正弦稳态响应在t=0时刻的值；τ为时间常数，同一电

路，只有1个时间常数，

τ=RC=L/R。根据换路定则iL(0+)=iL(0-)，对恒流源初始

值和稳态分量幅值一致，当两者相位一致时，由式（1）可知电流输出从一开始即进入稳态，电流从零开始，波形稳定、对称。初始相位角α（PWM脉冲从α时刻开启）与回路阻抗角φ一致时，非周期分量（暂态分量）为零，过渡时间为零，输出正弦波电流从零开始，上下对称、无震荡；相位角合闸角）与回路阻抗角不一致时，存在非周期分量，输出波形不是从零开始，容易超调，波形上下不对称，有震荡（震荡时间与时间常数相关）。当电路在时间常数很大的情况下接通后，大约经过半个周期的时间，电流的最大瞬时值的绝对值将接近稳态电流振幅的2倍，并因此导致试品提前动作，影响试验可信度。通过仿真可以看到整定电流波形有明显的过渡过程及非周期分量，第1波峰超调接近40%，波形上下不对称，可导致断路器提前断开，极大地影响试验的准确性和结果的可信度。因此如何计算回路当中的阻抗角保证初相角（合闸角）正确给定是保障试验准确性和可信度的关键。

图3

无相角控制仿真波形

Fig.3

Simulationofcurrentwaveformwithoutphasecontrol

22.1原理与设计

传统的控制方法及其问题

断路器整定电源传统的控制方法是电压从

（孙俊忠，等：基于DSP的塑壳断路器瞬动试验电流控制零开始增加，初相角给零，电流闭环控制，即通过对电流半个周波采样，计算出电流有效值大小，然后与设定值比较，适当改变SPWM控制脉冲的占空比M，使输出电流不断增加，直到和设定值相同。第1周波发小电流，目的为了控制震荡、避免超调；再通过PI调节快速达到给定值，由于电感和开关频率的限制，至少通过2.5个周波的电流采样才可使输出电流达到所设定的电流值大小。这种方法虽避免震荡和超调却导致过渡时间长，仅满足8倍电流试验，12倍电流试验过程只有几十ms，误差大，无法满足要求。有一种修正方法是根据接线电缆的线径大小给定1个初始相位角，每一种线径对应的相角通过计算可得。

-

等效阻抗角的计算方法是

φ=tan-1XR其中R=ρ

sl

X=2πfl(4.6logD

abμr+r2)×10-7

这种方式的缺点首先是线路阻抗不等于系统回路阻抗，对整个回路而言X=X1+X2+X3，R=R1+R2+R3。X1为导线电抗，X2为变压器电抗，X3为线路上其它电抗；R1为导线电阻，R2为电源内阻，R3为线路上其它电抗如试品内阻和接触电阻。电缆的阻抗不等于回路阻抗，用电缆的阻抗角作为相位初始角过于简单，用电缆的阻抗确定给定电压初始值不合实际，容易产生随机性误差，再者电源工作时有集肤效应、磁饱和等与瞬时电流有关，无法提前预测；接触电阻大小随机性很大且在测试回路很短时占比大，因此预测结果并不一定准确，其准确度是随机的，只有采用实际测试才能反映当下最准确的阻抗角，给定最准确的初相角，才能规避高强度的不确定性，最大程度保证测试的精度和试验结果的可信度［6-7］。2.2

采用的控制方法及控制流程

以DSP+IGBT为核心的整定电源，电流波形的初始相位角是精确可控制的，关键是要提前测得负载回路的阻抗大小、角度。为了准确地进行相位控制，本文控制方法是将本试验分为3个阶段，控制流程如图4所示。

图4中，第1阶段先做测试准备，算出回路阻抗和合闸角，即电压从零开始增加，初相角给零，用4In的电流（8和12的最大公约数）进行1s

电气传动2017年第47卷第11期

图4控制流程图Fig.4

Controlflowchart

的闭环电流试验以求达到稳态后的回路阻抗，

计算此时的占空比M和阻抗角φ；第2阶段再真正给大电流，依据第1步计算结果，按倍数关系给定占空比和合闸角，开环控制，目标是正弦电流从零开始快速达到给定值，没有过渡过程和超调，精确度可在3%以内；第3阶段是从大电流产生的第1个周波后由开环控制转闭环控制，进行微调，克服集肤效应和电缆温升带来的误差，进一步提高精度，达到1%以内。为控制电流波形畸变，严格控制逆变信号的占空比在0.3～0.95之间［8-9］。

33.1

仿真与试验

搭建Simulink模型及其仿真

瞬动试验整定电源Matlab/Simulink仿真模型如图5所示，相关参数为：Ts=5μs，Us=380V，Ud=330V，多绕组变压器变比30∶1，容量6kV·A，IGBT开关频率f=8kHz，直流侧电解电容C1=4800μF，交流侧的LC滤波低通滤波器中L1=0.3mH，C2=100μF，负载参数根据长度为8m的150mm2的多股铜导线设定，采用移相式PWM脉冲生成方式。

在预实验中测试负载的阻抗大小和相位，并判断占空比是否合理，再通过控制SPWM逆变的信号波相位，在逆变重新开始时，令SPWM的信号从测试的相角值开始进行SPWM脉冲的调制，这时电流的相位为零，电流也就从过零点开始按照正弦波规律变化。试验中的大电流同样是在0.3s这个随机时刻开始投入，波形从一开始即达到稳态。

图6为仿真波形及FFT分析。

65

电气传动2017年第47卷第11期孙俊忠，等：基于DSP的塑壳断路器瞬动试验电流控制

图5

Fig.5

试验原理仿真图

Testprincipleofthesimulationdiagram

4结论

本文研究了一种塑壳断路器瞬动试验控制方法，利用4In电流预先计算回路阻抗，从而可以进行初始相位的精确捕捉和调制比的精准给定，

图6

仿真波形及FFT分析

Fig.6SimulationwaveformandFFTanalysis

克服了传统的控制方法不能有效判断合闸时刻和初始M值给定，容易导致较大的电流震荡和较长的过渡时间，引起断路器误动作，直接降低测试的精度和试验结果的可信度。

实验结果表明改进后的控制方法保证测试电源直接输出稳态正弦波电流，无震荡和超调，无过渡过程，第1波峰有效值精度达到2%，显著提高试验精度和可信度，减少试验重复次数，提升试验效率。

参考文献通过图6的仿真分析，可以看到本文的设计方案可以通过相角控制实现完整的正弦波电流波形，而且波形畸变小，试验电流的失真度只有0.93%。同时，我们的试验电流波形没有明显的过渡过程及非周期分量，能够精准地完成瞬动试验。3.2

搭建实物平台验证

按仿真的试验参数搭建了实物试验平台，在该试验平台中测试了电流按照过零时刻投入方法的有效性。对某国际品牌全新的塑壳断路器采用该控制方法的瞬动试验结果如图7所示。由图7可知，12In磁保护试验该控制方法能满足大电流（1500A）在暂态过程中从零正弦波输出，第1个波峰是2095.58A，精度达到1.23%，试验结束前1个周波精度达到2%，全程无超调无过渡时间，跳开时间24ms与该产品技术手册的特性曲线一致，该试验1次即可准确地反映开关保护特性。

［1］王振岳，李效乾.中低压电力断路器电流整定瞬断测试技

术的研究［C］//中国高校电力系统及其自动化专业27届学术年会.河北，2011.

［2］边青柳.塑壳断路器可靠性试验及其失效机理分析［D］.天

津：河北工业大学，2012.

［3］王金伟.瞬动校验电流误差分析评价与控制系统的研究

［D］.天津：河北工业大学，2013.

［4］吴言凤，李践飞.基于DSP的低压断路器校验电源的研制

［J］.船电技术，2013，33（12）：32-35.

［5］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［6］余跃听，戴道立，秦钢华.船用塑壳式断路器可靠性试验初

探［J］.低压电器，2010，17（11）：57-60.

［7］周洪发.低压电器试验设备校准系统的研究与实现［D］.上

海：上海交通大学，2010.

［8］陈鹏，王拓宇，任世彬.塑壳断路器过载保护可靠性试验方

法及检测装置研究［J］.电气应用，2010，22（19）：26-28.［9］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，

2005.

图7实际试验结果Actualtestresults

收稿日期：2017-03-20修改稿日期：2017-07-19

66

Fig.7