1 控制系统结构设计

本方案利用控制器对合成试验整体操作流程进行控制，试验控制系统部分的设计，主要分为按键电路，稳压电源电路，驱动电路，电容器组充电达到预定值后自动断电控制电路， 过电流保护电路，显示电路，过零检测电路，触发点火球隙电路等。电流源提供的短路电流是非对称式，且呈衰减趋势的振荡波形，不同低压断路器燃弧情况不同，开断时刻也不定，设计暂定在第一个短路半波进行分断试验，并且，为了提高试验的成功率，本方案针对非对称时电流波形设计了过零检测电路。

试验开始时刻，由按键电路按下“充电开始” 键，给控制器一个控制信号，控制器经过光电隔离电路，经驱动电路作用，电流源充电回路和电压源充电回路开始充电工作，此时， 电压互感器对两个回路中电容器组两端的电压信号进行采样， 采样后的信号分别送入电压比较电路和预设的电压计算值进行比较，输出高低电平，当采样的电流、电流信号达到预设值的大小后，断开充电回路的充电操作，电容器组充电完成自动断电功能实现。此电路的设计避免了人为操作，节省了人力、物力，使对电流源、电压源回路的充电操作控制更加精确和安全。

经采样的电流信号进过电流/电压转换电路和电平提升电路（即电流过流检测电路）的电压信号输入控制器进行A/D 采样分析，检测电流的过零点，计算出下一次过零点100μs 这一时刻，发出控制信号。此时，过电流保护电路发出安全信号、电压源充电完毕信号和电流过零检测前100μs 这一时刻的电平型号，与短路电流信号送入比较电路两端，当比较电路输出为同电平状态时，才能引燃点火球隙，电压源回路开始放电，完成合成试验操作。

2 驱动电路设计

本方案采用光耦驱动电压源、电流源充电回路。通过光耦控制继电器的通断，控制器与继电器的操作电源隔离，大大减小继电器所在回路的动作对控制器造成的干扰。

3测量电路设计

3.1电流测量电路设计

根据设计需要，选用高频电流互感器将采集到的电流变为标准小电流，将采集到的电流限定在0-20mA 范围内的小电流，送入电流/电压转换电路。

一般电流互感器分为二次绕组串连接线和二次绕组并联接线两种设计形式。当电流互感器两个相同的二次绕组串连接线时，其二次回路内的电流不变，但由于感应也动势E增大一倍，因而其允许负载阻抗数值也增加一倍。所以，如果因继电保护装置或仪表的需要而扩大电流互感器的容量时，可采用二次绕组串联接线电路。电流互感器二次绕组并联接线时，由于每个电流互感器的变比未变，因而二次回路内的电流将增加一倍。为了使二次回路内流过的电流仍为原来的电流，则一次电流应较原来的额定电流降低 1/2 使用。所以，在运行中如果电流互感器的变比过大而实际负荷电流较小时，那么为了精确的测量电流，可将其两个二次绕组并联接线。

图1 为原理

图1 电流互感器

电流表和相关设备同时使用，二次侧提供一个小的电流信号，既能起到电流测量的功能， 也能起到隔离保护的作用。电流互感器有许多有优点，如测量范围可调，测量准确性好，抗干扰性能强，操作方便，消耗小， 二次侧即使开路也可以避免高电压等危险。

其技术参数如下：

产品最高电压：12kV

输入：0～200 kV

输出：0～500mA 1A或5A 5VDC或4～20mA （自定义）    

额定频率：5～3MHz

准确度等级：0.2S、0.2、0.5、5P10（20）

额定绝缘水平：12/42/75KV

局部放电水平：≤20pc

3.2 电压测量电路设计

根据各个电压互感器型号不同，参数要求不同，限流电阻 R 和副边电阻R_L的大小要求也不同，其原理图如2所示，本方案采用的微型电压互感器，其技术参数如下：

冲击电压：5000V （1.2/50μs标准雷电波）

输入：100V 、220V 、240V 、400V

输出：0.1V 、0. 333 V...3.53V...7.07V

额定频率：5- 400Hz

精度等级符合IEC 60044-2 电压互感器0.2和 0.5 级

图2 电压互感器

4 充电回路自动断电电路设计

4.1 充电回路自动断电电路设计

由于给电容器组进行充电是利用恒流源持续充电实现的，为了准确判断电容器组是否充电完成，达到试验预定值，同时防止电源电压电突然压过高烧坏电容器，本方案针对以上两种情况设计了充电回路自动断电电路，即当电容器组两端的电压达到理想电压值时，三极管导通继电器线圈通电，常闭触点立即断开可快速断开电源。图3为充电电路自动断电原理框图：

图3 充电电路自动断电原理框图

4.2充电回路过流保护电路设计

方案设计有为电流源、电压源充电回路过流保护电路，与电压源充电回路自动断电控制硬件电路相似，经分流器对给电容器充电的电流值进行采样。

图4 充电回路过流保护电路

5 电流过零检测电路设计

5.1 短路电流测量电路设计

需要对50 Hz的短路电流，检测其过零点前100μs这一时刻， 其周期T=2000μs，即一个信号周期，设计选取的控制器外部晶振频率是20MHz. 指令周期是，那么在一个电流周期内，控制器可以执行I_e⁴个指令。

采用精度级别较高的空心互感器测量得到的电流信号送到电流过零检测电路，由传感器二次侧输出的呈振荡输出的短路电流，经过运算放大器组成的电流/电压转换电路，输出交流电压信号。

从图中可以看出电路的设计结果满足试验要求。

图5 提升后的电压波形

5.2  A/D转换及数码管显示电路设计

采集到的短路电流信号经电流互感器送入调理电路，得到的电压信号送入PIC控制器的片内ADC棋块，进行A/D 转换 ，经A/D 转换后的电压信号，经所编程序后运行，可精确到小数点后4位，设计中显示的是峰值短路电流，这个电流是根据得到的电压值转换后得到的短路电流峰值，同时，由于短路电流经过频率并未变，可编写一个延时程序可找出短路电流过零前200μs时刻，送入口D/A 转换电路的输入端。

5.3 同步控制电路设计

在进行合成试验前，首先要完成对短路电流若干个半波的瞬时值进行计算，所得的数据存入控制器的寄存器中，由控制器计算出电压源回路的准确投入时间。

6短路电流等级判定电路设计

经电流互感器采样后的短路电流值大小在投入试验前，首先需要对其进行判定，即电流值是否符合试验等级（大于或小于试验电流等级时，应终止试验）当确定电流大小符合试验等级后才能转换为电压信号，送入控制器进行分析，这个过程由控制器控制。

控制器选择转换的电流等级电路的原理框图如图6所示。

图6 控制器选择判断电流等级电路的原理框图

图6中，控制器发出控制信号，经光电隔离，驱动控制电路，电流源电路开始放电，经互感器采集的电流分别送入到电流/电压转换电路1和选择电流/电压转换电路2， 把电压信号分别传送给控制器的I/O口。设计时令转换电路2 的电流测量范围较大，然后经过电平提升电路，送给控制器，控制器经判断短路电流等级，如果属于试验规定范围，则把信号送给电流过零检测电路，进行以下的试验步骤。但如果此电压信号等级在程序设定的范围内则说明此次电流源放电电流大小不符合试验等级要求，则启动复位电路，需要重新调试电路。