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中回路功率因數(shù)的三極值點測量方法。

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(dāng)前，國家標(biāo)準GB 13539.1-2008《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i_m和周期分量(即穩(wěn)態(tài)分量)峰值I_m，計算第一半波峰值系數(shù)k＝i_m/I_m，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(dāng)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。

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中回路功率因數(shù)的三極值點測量方法，則只需要測量前三個半波電流的極值點時間差Δt₁、Δt₂和周期分量的頻率f這三個值并帶入一非線性方程中，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，與電壓、電流值大小無關(guān)，僅僅與前三個半波電流的極值點時間差Δt₁、Δt₂和周期分量的頻率f有關(guān)，通過對電流波形進行平滑處理，即可更為準確的測量得到，相比其他方法，不需要特定的試驗設(shè)備、測量設(shè)備，測量量也最少，測量誤差也能盡可能得到規(guī)避，因此誤差引入也最小。不但測量方法簡單，而且測量精度也較高。

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)的三極值點測量方法，包括如下步驟：

步驟1，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；

步驟2，將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；

步驟3，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)。

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)的三極值點測量方法?，F(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，且其測量結(jié)果也受到電壓、電流、頻率等測量精度的制約，越多測量量的引入，誤差就會越大。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，不但測量方法簡單，而且還最大限度避免了更多誤差量的引入，因此具有更簡單、準確、可靠的性能。

當(dāng)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?；诒景l(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)的三極值點測量方法，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)，U_m為電壓源峰值大小，ω＝2πf，f為電壓源頻率，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：

I_m為試驗時回路電流峰值大小，

為試驗回路功率因數(shù)角。

3).推導(dǎo)時間常數(shù)T與三極值點時間差Δt₁、Δt₂、頻率f關(guān)系。

從②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在角度合閘，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、t₃分別為預(yù)期短路電流示波圖前三個半波極值點時間。

從預(yù)期波上看，i(t)在t₁、t₂、t₃三點均取得極值，則有：

從而有：

即：

設(shè)Δt₁＝t₂-t₁、Δt₂＝t₃-t₁、帶入③④⑤式，則有：

等式⑦⑧左側(cè)展開，則有：

由⑩/⑨、/⑨可得：

通過化簡可得：

由化簡約掉tan(ωt₁+θ)，并帶入ω＝2πf、T＝L/R，可得：

4).通過測量預(yù)期電流示波圖，準確測量得到Δt₁、Δt₂和f。

5).Matlab解非線性方程求解試驗線路時間常數(shù)T。

將測量預(yù)期短路電流示波圖得到的Δt₁、Δt₂和f帶入式，使用Matlab進行非線性方程求解，即可方便求得時間常數(shù)T。

6).計算功率因數(shù)。

根據(jù)時間常數(shù)與功率因數(shù)的對應(yīng)關(guān)系：

即可簡單、準確地測量并計算得到試驗回路的功率因數(shù)。

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)，

TRIAC1合閘時電壓角為π/6，電壓頻率f＝50Hz。

然后以大電流短路耐受強度試驗中較為常用到的5個典型的值為參考進行5次仿真實驗，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，電壓在頻率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)。