低压电器短路耐受强度试验功率因数的区间积分测量方法与流程

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回路功率因数的区间积分测量方法。

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gb13539.1-2008《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im和周期分量(即稳态分量)峰值im，计算第一半波峰值系数k＝im/im，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。

7).三极值点测量方法：方案是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；将这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。

该测量方案对测量设备、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，测量方法简单，且仅仅与时间测量精度有关，通过对波形的平滑处理将更进一步提高其测量精度，最大限度避免了更多误差量的引入，对于功率因数0.9以下大电流试验时精度较高。但是该方案需要测量前三个极值点时间差，当进行小电流短路试验，回路中功率因数大于0.9及以上时，其回路接通后电流直流分量将在第二个极值点到来之前基本衰减为零，此时该方案将带来较大误差，因此只适合功率因数为0.9以下的大电流试验测量。

技术实现要素：

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回路功率因数的区间积分测量方法，只需要测量回路接通后特定区间[t1,t2]内的电流波形积分区间边界处电流值i(t2)，以及频率f并带入推导出的方程中，即可准确求解出回路功率因数。该方法优势是测量过程中，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特定区间内的电流波形积分、区间边界处电流、以及频率大小即可，不但测量方法简单，而且仅仅与电流、频率测量精度有关，避免了更多误差量的引入，而且相对于三极值点法，功率因数的测量范围更大，因此具有简单、准确、可靠，测量范围更广的性能。

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区间积分测量方法，包括如下步骤：

步骤1，测量回路接通后特定区间[t1,t2]内的电流波形积分区间边界处电流值i(t2)，以及频率f；其中t1、t2是预期短路电流波形图上两个特定点，t1为合闸瞬间，此时t1＝0，对于t2时刻，电流波形的直流分量应衰减至可忽落不计，t1、t2时间差应为周期分量的整周期长度，即：ω·(t2-t1)＝2πf·(t2-t1)＝n·2π，其中n为正整数；i(t)为线路中t时刻的电流大小；

步骤2，然后将i(t2)和f带入如下方程：

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区间积分测量方法。而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，使用均受到硬件条件限制。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特定区间内的电流波形积分、区间边界处电流、以及频率大小即可，不但测量方法简单，而且仅仅与电流、频率测量精度有关，避免了更多误差量的引入，且相对三极值点法，功率因数的测量范围更大，因此具有简单、准确、可靠，测量范围更广的性能。

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区间积分测量方法，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)，um为电压源峰值大小，ω＝2πf，f为频率，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：

im为试验时回路电流峰值，

为试验回路功率因数角。

3).试验线路时间常数t与区间积分区间边界处电流值i(t1)、i(t2)，以及频率f关系的推导。

从i(t)公式看，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是电流波形图上两个特定点，选取的原则是：t1为合闸瞬间，此时t1＝0，对于t2时刻，电流波形的直流分量应衰减至可忽落不计，t1、t2时间差应为周期分量的整周期长度，即：

ω·(t2-t1)＝2πf·(t2-t1)＝n·2π，(其中n为正整数)

对等式②两侧求[t1,t2]区间内的定积分有：

其前半部分为正弦波周期分量，整周期内的积分应为零，因此有：

即：

即：

即：

对于⑥式，t1＝0，且t2时刻，电流波形的直流分量已衰减至可忽落不计，故⑥式可等效为：

而且同时，对于t2时刻直流分量为零，带入②式，则有：

根据t1、t2时间差为整周期、t1＝0的选定规则，ωt2＝2nπ，其中n为正整数。

则⑧式可等效为：

由⑨带入⑦可得：

即：

而功率因数与时间常数有以下对应关系：

即：

通过测量预期电流示波图，容易测量得到i(t2)、和f。

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，

然后以大电流短路耐受强度试验中较为常用到的8个典型的值为参考进行8次仿真实验。

在仿真前的合理约定条件：

a).对于②式中的直流分量：其理论上直流分量的大小随着时间的推移，逐渐变小，当t为无穷大时，其值衰减为零。

b).这里约定直流分量相对于周期分量：当后，即直流分量衰减到周期分量大小的1％以后，我们认为直流分量已衰减为零。

c).由式及直流分量可知：当功率因数越小，其时间常数越大，直流分量衰减的也就越慢。

d).这里设t＝t3时刻将r、l带入可求得各功率因数下t3，如表1所示。

e).由表1中t3可知，设t1＝0、t2＝0.1秒时，所有列表中功率因数下，都满足b)中直流分量衰减为零的约定条件。

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。