本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，具體是一種低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗回路功率因數(shù)的區(qū)間積分測量方法。

背景技術(shù)：

低壓電器短路耐受強度試驗時，功率因數(shù)是試驗必須滿足的一個參數(shù)，必須調(diào)整到規(guī)定值的允許偏差范圍內(nèi)，而短路試驗功率因數(shù)測量的主要困難在于短路電流較大，且持續(xù)時間較短情況下的功率因數(shù)的準確測定，當前，國家標準gb13539.1-2008《低壓熔斷器第1部分：基本要求》中也提到“沒有哪種方法能精確地測量短路功率因數(shù)”。目前常用的功率因數(shù)測量方法主要有直讀法、低壓調(diào)值法、指示發(fā)電機法、沖擊系數(shù)法、相交叉法、直流分量法等方法。

1).直讀法需要功率因數(shù)表等設(shè)備，直接將測量儀表接入回路中，對回路功率因數(shù)進行直接測量，但其測量電流一般在10a以下，無法應(yīng)用到大電流下低壓電器短路耐受強度試驗中。

2).低壓調(diào)值法需要有低壓調(diào)值電路，并且測量的功率因數(shù)只是選擇調(diào)值接入點之后的回路功率因數(shù)，沒有考慮前期電源的阻抗，如想準確測量，必須將前期電源的阻抗制作成實物，然后串進調(diào)值電路中，且其調(diào)值得到的回路功率因數(shù)也是低電壓下的功率因數(shù)，而實際試驗時電壓電流較大，發(fā)熱也較大，因此阻抗變化也較大，因此難以模擬實際回路中的阻抗大小，其測量誤差一般較大。

3).指示發(fā)電機法則需要有一指示發(fā)電機與試驗發(fā)電機同軸運行，受設(shè)備及試驗條件限制，其實用性也不高。

4).沖擊系數(shù)法則需要在回路中配備選相合閘開關(guān)，用選相開關(guān)選取電壓過零瞬間合閘，以產(chǎn)生第一個半波最大峰值電流im和周期分量(即穩(wěn)態(tài)分量)峰值im，計算第一半波峰值系數(shù)k＝im/im，然后根據(jù)k與功率因數(shù)的單位關(guān)系查表得出回路功率因數(shù)。理論上該方法較為準確，但是受到選相開關(guān)限制，設(shè)備投入較大，且大電流試驗下，對選相開關(guān)要求更高，一般很難應(yīng)用到頻繁的大電流短路強度試驗中。另一方面選相開關(guān)的選相精度以及峰值電流測量精度將直接影響功率因數(shù)的精度。

5).相交叉法則需要在低壓側(cè)試驗回路中有一個合閘開關(guān)，測量得到空載電壓波形，接通開關(guān)，在測量電壓波形的同時測量負載電流波形，其空載電壓和負載電流的相位差即功率因數(shù)角，然后求余弦值即為回路功率因數(shù)。低壓電器短路強度試驗一般為幾十千安到幾百千安大電流試驗，當短路電流較大時，該合閘開關(guān)的性能要求將非?？量?，因此對于大電流下并不實用。并且相交叉法也未計入電網(wǎng)部分的阻抗對功率因數(shù)的影響，所測得的功率因數(shù)不是全電路功率因數(shù)。

6).直流分量法：短路試驗時，預(yù)期電流由周期分量和直流分量兩部分構(gòu)成。直流分量法則是需要測量得到直流分量上任意兩點的電流值i1、i2和這兩點時間差δt，然后求得回路時間常數(shù)：

而功率因數(shù)與時間常數(shù)t有下列對應(yīng)關(guān)系：

其中:

r為回路中電阻，也表示其電阻值大小為r

l為回路中電感，也表示其電感值大小為l

f為回路上電流周期分量頻率值

為回路中阻抗值大小。

從公式上看，功率因數(shù)與任意兩點直流分量電流值大小、兩點時間差、周期電流分量的頻率有關(guān)，不但這些值的測量誤差都會計入到功率因數(shù)測量中，而且短路電流中直流分量的測量也是一大難點，目前常用的方法一般有平移波形抵消周期分量法、電流波形包絡(luò)線法等，不論哪一種方法都有電流值測量誤差或者電路固有的頻率不穩(wěn)等誤差的引入，給準確測量帶來極大的困難，因此該方法誤差也一般較大。

7).三極值點測量方法：方案是測量回路接通后前三個半波電流的極值點時間差δt1、δt2，以及短路電流周期分量的頻率f；將這三個值帶入非線性方程：

通求解該非線性方程，求得回路時間常數(shù)t；根據(jù)功率因數(shù)與時間常數(shù)對應(yīng)關(guān)系：求解出回路功率因數(shù)。

該測量方案對測量設(shè)備、試驗設(shè)備等沒有特別的要求，只需要預(yù)期短路試驗后，在預(yù)期短路電流示波圖上測量短路電流穩(wěn)態(tài)時的頻率，以及短路電流波形的前三個極值點之間的時間差即可，測量方法簡單，且僅僅與時間測量精度有關(guān)，通過對波形的平滑處理將更進一步提高其測量精度，最大限度避免了更多誤差量的引入，對于功率因數(shù)0.9以下大電流試驗時精度較高。但是該方案需要測量前三個極值點時間差，當進行小電流短路試驗，回路中功率因數(shù)大于0.9及以上時，其回路接通后電流直流分量將在第二個極值點到來之前基本衰減為零，此時該方案將帶來較大誤差，因此只適合功率因數(shù)為0.9以下的大電流試驗測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗回路功率因數(shù)的區(qū)間積分測量方法，只需要測量回路接通后特定區(qū)間[t1,t2]內(nèi)的電流波形積分區(qū)間邊界處電流值i(t2)，以及頻率f并帶入推導出的方程中，即可準確求解出回路功率因數(shù)。該方法優(yōu)勢是測量過程中，對測量設(shè)備、試驗設(shè)備等沒有特別的要求，只需要預(yù)期短路試驗后，在預(yù)期短路電流示波圖上測量特定區(qū)間內(nèi)的電流波形積分、區(qū)間邊界處電流、以及頻率大小即可，不但測量方法簡單，而且僅僅與電流、頻率測量精度有關(guān)，避免了更多誤差量的引入，而且相對于三極值點法，功率因數(shù)的測量范圍更大，因此具有簡單、準確、可靠，測量范圍更廣的性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

低壓電器短路耐受強度試驗功率因數(shù)的區(qū)間積分測量方法，包括如下步驟：

步驟1，測量回路接通后特定區(qū)間[t1,t2]內(nèi)的電流波形積分區(qū)間邊界處電流值i(t2)，以及頻率f；其中t1、t2是預(yù)期短路電流波形圖上兩個特定點，t1為合閘瞬間，此時t1＝0，對于t2時刻，電流波形的直流分量應(yīng)衰減至可忽落不計，t1、t2時間差應(yīng)為周期分量的整周期長度，即：ω·(t2-t1)＝2πf·(t2-t1)＝n·2π，其中n為正整數(shù)；i(t)為線路中t時刻的電流大??；

步驟2，然后將i(t2)和f帶入如下方程：

求解出回路功率因數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的是一種低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗中回路功率因數(shù)的區(qū)間積分測量方法。而現(xiàn)有常用功率因數(shù)測量方法通常需要特定測量設(shè)備、或者特定試驗設(shè)備等的支持，使用均受到硬件條件限制。本測量方法對測量設(shè)備、試驗設(shè)備等沒有特別的要求，只需要預(yù)期短路試驗后，在預(yù)期短路電流示波圖上測量特定區(qū)間內(nèi)的電流波形積分、區(qū)間邊界處電流、以及頻率大小即可，不但測量方法簡單，而且僅僅與電流、頻率測量精度有關(guān)，避免了更多誤差量的引入，且相對三極值點法，功率因數(shù)的測量范圍更大，因此具有簡單、準確、可靠，測量范圍更廣的性能。

當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。

附圖說明

圖1是低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗線路圖。

圖2是預(yù)期短路電流示波圖。

圖3是psim仿真線路圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

低壓電器短路耐受強度試驗功率因數(shù)的區(qū)間積分測量方法，包括如下步驟：

1).建立低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗線路。

建立低壓電器產(chǎn)品短路耐受強度試驗線路，如圖1所示，該線路由1端、l、r、s、u(t)和2端串接而成，其中：s為合閘開關(guān)，r為回路中電阻，也表示其阻值大小為r，l為回路中電感，也表示其電感值大小為l，u(t)為試驗電壓源，也表示t時刻其電壓大小為u(t)，um為電壓源峰值大小，ω＝2πf，f為頻率，ω為電流周期分量角頻率，為合閘開關(guān)s合閘時電壓角。

預(yù)期電流試驗時1、2端短接，試品短路試驗時1、2端接試品。

2).建立試驗線路的微分方程并求解。

設(shè)預(yù)期電流試驗時，線路中t時刻電流大小為i(t)，則試驗線路的微分方程為：

其解為：

其中：

im為試驗時回路電流峰值，

為試驗回路功率因數(shù)角。

3).試驗線路時間常數(shù)t與區(qū)間積分區(qū)間邊界處電流值i(t1)、i(t2)，以及頻率f關(guān)系的推導。

從i(t)公式看，試驗回路中r、l是常數(shù)，故也是常數(shù)，因此i(t)是t的二元函數(shù)，試驗時合閘開關(guān)s在合閘，因此合閘后也是常數(shù)，故預(yù)期短路電流試驗時i(t)僅僅是試驗時間t的一元函數(shù)。

預(yù)期短路電流示波圖如圖2所示。

其中t1、t2是電流波形圖上兩個特定點，選取的原則是：t1為合閘瞬間，此時t1＝0，對于t2時刻，電流波形的直流分量應(yīng)衰減至可忽落不計，t1、t2時間差應(yīng)為周期分量的整周期長度，即：

ω·(t2-t1)＝2πf·(t2-t1)＝n·2π，(其中n為正整數(shù))

對等式②兩側(cè)求[t1,t2]區(qū)間內(nèi)的定積分有：

其前半部分為正弦波周期分量，整周期內(nèi)的積分應(yīng)為零，因此有：

即：

即：

即：

對于⑥式，t1＝0，且t2時刻，電流波形的直流分量已衰減至可忽落不計，故⑥式可等效為：

而且同時，對于t2時刻直流分量為零，帶入②式，則有：

根據(jù)t1、t2時間差為整周期、t1＝0的選定規(guī)則，ωt2＝2nπ，其中n為正整數(shù)。

則⑧式可等效為：

由⑨帶入⑦可得：

即：

而功率因數(shù)與時間常數(shù)有以下對應(yīng)關(guān)系：

即：

通過測量預(yù)期電流示波圖，容易測量得到i(t2)、和f。

本實施例使用psim仿真程序進行仿真驗證測量方法的準確性，psim仿真線路圖如圖3所示。其中：

ut為試驗電壓源，

triac1為合閘開關(guān)，

然后以大電流短路耐受強度試驗中較為常用到的8個典型的值為參考進行8次仿真實驗。

在仿真前的合理約定條件：

a).對于②式中的直流分量：其理論上直流分量的大小隨著時間的推移，逐漸變小，當t為無窮大時，其值衰減為零。

b).這里約定直流分量相對于周期分量：當后，即直流分量衰減到周期分量大小的1％以后，我們認為直流分量已衰減為零。

c).由式及直流分量可知：當功率因數(shù)越小，其時間常數(shù)越大，直流分量衰減的也就越慢。

d).這里設(shè)t＝t3時刻將r、l帶入可求得各功率因數(shù)下t3，如表1所示。

e).由表1中t3可知，設(shè)t1＝0、t2＝0.1秒時，所有列表中功率因數(shù)下，都滿足b)中直流分量衰減為零的約定條件。

實驗結(jié)果如表1所示。

表1

參考cb測試要求的最新ctl決議，電壓在f＝50hz時，功率因數(shù)測量范圍的儀器精確度為±0.05，因此，由上表誤差欄可知，本發(fā)明的測量方法準確可靠。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。