国内外应用合成回路对高压断路器进行开断能力试验己经相当成熟。近年来，低压断路器的开断容量不断增加，使其在低压供电系统中的地位越来越重要，为了确保低压断路器在现场安全可靠地运行，本方案针对400V/200kA 低压合成回路试验系统进行研究、开发与设计，具有很好的经济意义和实用价值。

1. 单相合成回路设计

1.1 合成试验设计

本方案建立的低压合成回路的主电路原理图如图1. 1 所示，回路中的电压源和电流源均采用LC 振荡电路，试验所需的短路大电流和恢复电压皆由振荡电路提供。

 1.1 合成试验回路接线原理图

C_C、L_C 为电流源的电容器、电抗器，M_S为合闸开关，S_a为辅助断路器，C_ca、R_ca为电压源回路，调节恢复电压用的调频电容、调频电阻，S₁ 为被试断路器， F为测量TRV器件、C_h、L_h、G_h为高压源回路的电容、电感、点火球隙，C₀₁、R₀₁为试品瞬态恢复电压调节回路的电容、电阻，L₅₀ : 调节工频恢复电压为50赫兹。

图1. 1为两参数合成回路原理接线图，左半部分是为开断试验提供大的短路电流的电流源回路，右半部分为电压源回路，提供合成试验所需的瞬态恢复电压，根据合成试验要求，在电流过零并电弧熄灭后的阶段内，由电压源回路提供瞬态恢复电压，而在此期间电压源振荡放电的过程中也会提供小电流，它与短路电流会叠加在一起，当短路电流过零后，其所需的恢复电压则由也压源部分的振荡回路提供。

根据经验，电流在过零前0.2ms 左右时，其弧隙电阻会变大，并且电流源的提供的电压较低导致短路电流无法维持正弦波形，电流会发生畸变，因此，电压源回路提供的恢复电压在此时投入，可以保证合成试验提供的低压断路器开断情况与电网中的实际开断条件相等价。

1.2 合成回路参数确定

图1.2为电压源回路等效电路图，充满电的电容器C_h经电感L_n振荡放电， 提供恢复电压， 用来调节恢复电压大小的调频电容C₀₁和调频电阻R₀₁与被试断路器并联。试品断路器分闸以后，由于有调频回路中电容和电阻的作用，电压源回路会达到符合标准的恢复电压值。

图1.2 电压源回路等效电路

为了保证电流过零点附近的电流和电压的波形与实际情况相一致，则应满足在投入电压源后， 被试开关中的电流i₂（电压源提供的电流）过零时的变化率应与实际电力系统中短路电流i₂（电流源提供的电流）过零时的变化率相同。

1.2.1 电流源设计及参数计算

图1 .3 为辅助开关开断电流源等效电路图，对电流源回路放电电流进行分析。图中C_c 是振荡放电的充电电容，L_c是振荡电路电感，C_oa是电流源回路，起调节辅助开关恢复电压作用的调频电容，R_oa是导线电阻、各部件的内阻。

图1.3 辅助开关开断电流源等效电路图

( 1 )充电电容器值C_c 的确定

脉冲电容器有良好的储能作用，在一段时间内用小功率电源对其充电，所充的能量会被脉冲电容器全部储存起来，充当电源使用，当需要时，脉冲电容器可在瞬时内就把其储蓄的电能快速供给所需负载，形成强大的冲击电流并具备非常大的功率，所以目前试验中，电流源电容器采用单台电容器750μF. 额定电压为2000V 的脉冲电容器。

1.2.2 暂态恢复电压

在电网电路中，当断路器开断短路负载时，受现场实际情况的影响，近区故障开端时的电压恢复过程也会发生变化，图1.4为发生近区故障时的电路图。

图1 .4为发生近区故障时的电路图

本设计模拟低压断路器在电网中实际开断条件，得出恢复电压标准值，将仿真波形所得到的TRV相关参数和低压合成回路中电压源回路所提供的瞬态恢复电压参数进行比较，以证实本文所设计的试验回路中，针对振荡电路提供的电压源的设计的合理性、准确性。在某些情况下，特别是电力系统电压较低时（IEC规定低压100kV）瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡， 这种波形适宜用由两个参数确定的两条线段的包络线来表示。所以本方案采用两参数法（即瞬态恢复电压的峰值和到达峰值的时间）来表示瞬态恢复电压波形。

1.2.3 调频参数确定

根据GB14048.1-2012标准规定，对于恢复电压波形的有关参数有具体规定，系统实际系数y（即振幅系数K）具体确定方法如图1.5所示，图中是y是U11/U12的比值，如图1.5所示，U11是示波器上的读数（即峰值电压的读数），U12是A点的纵坐标与高频发生器不再供电给负载电路时波形的纵坐标之间的读数。

图1.5 系数y的数值确定方法

（2）电流源回路调频参数：

同电压源调频回路相区别的是，电流源回路中辅助开关所在调频支路作用是在辅助开关开断短路电流后，使加在辅助开关上的瞬态恢复电压条例等级较低，由于辅助开关在开断电流源的大电流后需要承载电流源所产生的恢复电压，因此，调频参数调节电流源回路瞬态恢复电压的目的就是尽量的降低瞬态恢复电压的上升率。使辅助开关断口上的电压恢复频率不会太高而发生重击穿。

调频支路可以调节短路电流的频率大小，便于辅助开关能够更好的开断短路电流，以满足试验要求，保证合成试验的成功率。

根据实际电路的情况，考虑电压源回路瞬态电压上升率，本方案选择的辅助断路器能承受上升率为100V/μs的瞬态恢复电压等级。

1.3 合成回路试验仿真分析

本设计采用Matlab仿真软件，对电流源回路提供的200kA 短路电流振荡放电波形，400V恢复电压波形进行仿真、分析。Matlab是一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的软件系统，功能强大， Matlab/ Simulink环境可以模拟实际电路参数对系统进行相关仿真得出结论，设计利用Simulink中的电力系统仿真模块集(Sim Power Systems)预先对系统进行仿真分析，然后按照仿真的结果与实际相关电路相对比进行器件参数调试，以确定最合适的参数值，节省了资源和多次预备性试验的浪费。仿真结果表明：电压源回路提供的恢复电压值，对合成试验的等价性起到至关重要的影响，在此基础上，通过对充电电容器、放电电抗器和调频参数的调节获得预期瞬态恢复电压值，节省了实验投资成本。

由于对合成试验试验方便性、经济性等多方面考虑，采用Simulink软件模拟现实环境从而输出仿真结果。

1.3.1 电流源放电过程仿真分析

参照合成试验接线原理图， 利用Simulink 软件搭建电流源回路仿真模型图， 如图1. 6 所示，仿真时间设定为1. 5s ，仿真算法的选择为odel5s(stiff/ NDF) ，变步长算法为Relativetolerance:1e- 7。仿真过程中，首先用直流电压源经电阻R对电容器组进行充电，由阶跃信号控制开关断开，停的存在止对其充电，使电容器组经电抗器对调频回路进行振荡放电，其中R₀为导线电阻。导线电阻会对电流造成一定的衰减，仿真所得的被形图如图1.7所示：

图1.6电流源放电回路仿真模型 

图1.7 振荡放电波形

从仿真波形图1.7中可以看出，短路电流峰值为276kA，因从仿真波形中可以看出， 短路电流幅值按照 10%左右大小进行衰减，直至为零，因此合成试验尽量在电流波形的前两个周期进行试验。最后，结合仿真波形和所得数据，可以得出结论：方案所设计的电流源回路各参数完全满足合成试验的放电要求。

1.3.2 瞬态恢复电压仿真分析

为了验证低压断路器分断短路电流的能力，而要对低压断路器进行相关的开断能力试验，低压断路器满足相关标准要求。但是目前的大容量短路电流试验不仅对断路器使用性能有影响，且试验所需费用也非常高。所以，通过在Mtalab/Simulink仿真软件里建立电压源回路仿真模型，并对低压断路器开断短路电流能力进行分析， 根据两参数发得到恢复电压波形，仿真所得结果对实际试验有一定的参考意义。根据参数计算部分可以得出电压源回路参数如表1所示

表1 电压源回路参数

在已知电压源回路相关参数的基础上，在Simulink软件中对电压源回路放电过程进行建模分析，建立瞬态恢复电压仿真模型如图1.8所示，仿真输出的被试断路器上的瞬态恢复电压波形如图1.9所示，并根据GB 14048.1 -2012中对于瞬态恢复电压的有关规定总结出400V/200kA合成回路试验系统的瞬态恢复电压标准值，如表2所示

表2 标准的瞬态恢复电压参数值

图1.8瞬态恢复电压仿真模型

表1.9 被试断路器上TVR波形

从仿真波形图1.9中可以得出，仿真TVR波形是高频振动电压波形，振动频率取决于电感、电容参数，其衰减速度非常快，当TVR波形消失后，出现在弧隙两端的是工频恢复电压。本设计仿真所得的瞬态恢复电压峰值为689.2V，其参数见表3，比照表2 所示的标准参数值，可知本方案的对电压源回路参数的设计是合理的，仿真所得TRV 波形也符合标准。

表3 仿真测得瞬态恢复电压参数值