] 若真空交流接触器KM5分闸失败，则会造成短路电流持续影响实验系统，将可能 对系统中的线路和设备造成侵害。因此，本系统中加入时间继电器KT3提供后备保护。前 述KTl延时结束时，KM5线圈得电，KM5常开触点2闭合，该触点两端连至XT2上的7、8号 端子，由于这两个端子与XT3上的7、8号端子相连，因而KT3线圈得电，KT3开始延时。若 KM5主触头能正常分闸，则KM5常开触点2断开，使KT3继电器断电，KT3不再延时。若KM5 主触头分闸失败，则KM5常开触点2继续闭合，KT3继续延时，当KT3延时结束时，其辅助触 点闭合，该触点连至XT3上的9、10号端子，由于这两个端子与电源柜内端子排XTl上的1、 2号端子相连，因而电源柜内主断路器QF分励脱扣线圈得电，使QF跳闸，从而使整个实验系 统断电，保护线路和设备不受持续短路电流侵害。
[0037] 除此之外，在电源柜内还添加了多重保护。电源主回路上的交流接触器KM2与连 在端子排XTl上的门禁1、2、3提供了第二重保护。BT为小变压器，能将一次侧输入的B相 电压220V转换至24V二次输出。电源柜、控制柜和短路柜的柜门把手上各装有一个门禁， 电源柜柜门上装有旋钮SB2。实验系统上电前，只有在SB2转至闭合状态，且三个柜门全部 关闭的情况下，端子排XTl上的3~10号端子才能全部导通，从而小变压器BT二次侧输出的 24V电压使KM3线圈得电，KM3触点闭合，从而使真空交流接触器KM2线圈得电，其主触头合 闸，常开触点闭合，正常指示灯亮，保护指示灯灭，实验系统正常上电工作。若出现SB2未转 至闭合状态或任意柜门未关闭的情况，则KM3线圈不得电，其触点处于断开状态，则KM2线 圈亦不得电，主触头分闸，实验系统断电，保护指示灯亮起。
[0038] 由于刀开关不能带负载分合闸，因此在实验系统内的所有刀开关上都加入了防误 触点，在实验系统上电之前将刀开关闭合后，将防误触点拨至"锁定"位置，刀开关即被锁定 在合闸状态，这样在实验过程中实验人员就无法断开刀开关。特别地，由于电源主回路上的 刀开关QS承受着大电流，为防止有人员在实验过程中不慎将QS断开而造成严重后果，实验 系统在电源柜中将QS的防误触点与主断路器QF的分励脱扣线圈进行联锁，无论在实验系 统上电前还是实验过程中，只要防误触点未闭合或人为断开，都将导致QF分励脱扣线圈得 电，使主断路器QF跳闸，保证了实验人员和开关设备的安全。
[0039] 最后，若在实验过程中出现设备故障或保护机制失效等异常情况超出实验人员认 知而导致实验人员惊慌失措时，实验人员可按下电源柜柜门上的红色紧急停止按钮SBMi 其触点闭合，从而使QF分励脱扣线圈得电，主断路器QF跳闸，实验系统断电，防止意外状况 蔓延。
[0040] 实验人员通过对上述三个柜的操作即可实现多种负载的切换以及在需要的短路 点发生和控制任意类型的短路故障。由于本发明中的设备大多为用电设备，电流等级较高， 结构较为精密，因而由于操作不慎将可能导致人身安全与设备安全受到损害。因此本发明 在提供较完备保护措施的基础上，还需实验人员严格遵守安全操作规程并根据该实验系统 的控制与保护机制，完成相应操作步骤后再进行实验操作。特别值得一提的是，本发明在实 验柜柜门上设有指示灯，在柜内的隔离开关上附有锁定开关，用以检验实验人员是否按照 安全操作规程完成了相应操作步骤及安全保护措施，实验人员在实验开始前不仅应完成操 作步骤，还应检验相应指示灯是否亮起，以防止遗漏某些步骤，造成安全隐患。
[0041] 如图11所示，本发明利用前端设备采集实验系统正常运行和发生短路故障时相 应支路电流及电压信号的采集，并将信号输入多层级短路故障测控系统，前端设备主要包 括柔性罗氏线圈、积分器以及电压传感器。其中，积分器选用三通道积分器，每通道有四档 量程，可用市电供电及内部可充电的蓄电池供电，满量程输出电压IV，最大输出电压10V。 标准量程：1(^/￥、10(^/￥、11^/￥、101^/￥。柔性罗氏线圈选用1112/0.6-20型带有编织 层屏蔽的标准柔性线圈，长度600mm，对插连接，末端用热塑管封压，输出电缆长度50m，其 测量精度能达到1%，测量频率范围为l~300kHz。根据法拉第电磁感应定律，当欲测量的 输入电流沿轴线通过柔性罗氏线圈中心时，在线圈环形绕组所包围的区域内将产生相应变 化的磁场，强度为H，由安培环路定理得：纟H · dl=I (t)。线圈因此感应出电动势，与磁场 强度H的变化率成正比。因此，所有线圈的感应电动势之和就与电流的变化率成正比，即： e(t)=di/dt。再用积分器对柔性罗氏线圈的输出电压e(t)求积分便可获取需要测量的电 流信号。另外，本发明采用霍尔电压传感器实现对相电压的测量，其测量点位于电源端。 [0042] 短路电流的变化率会在故障发生后极短的时间内剧增，小波变换能够有效提取和 放大信号的突变特征量，并具有一定的消噪能力。但是，短路故障电流的变化规律与短路瞬 间电源电压或电流的相位有密切的关系，存在个别故障初相角下的短路电流波形较光滑， 利用小波变换无法检测到故障特征量或检测时间较长，影响短路故障早期检测的速度性及 有效性。因此本发明中采用小波包细节分解算法对利用三次B样条小波分解得到的第四尺 度细节分量进行进一步的分解得到高阶细节分量dd5,并以此作为故障特征量，从而在硬件 运算能力允许的情况下进一步放大故障特征，达到更优的检测效果。由于小波降噪仅能较 好地滤除白噪声，而对于脉冲噪声不能起到明显的作用。因此，在小波分解之前要加一级形 态滤波器来滤除信号中的脉冲噪声。
[0043] 前端设备将采集到的电流或电压信号输入多层级短路故障测控系统，测控系统对 实验中不同类型负载工作时的正常工况电流以及不同层级多种类型的短路故障电流进行 实时采集与存储，以获取故障支路及相邻支路的电流电压波形。通过Labview软件平台编 写形态滤波算法以及基于小波包细节分解的短路电流早期检测算法的程序，用以对采集到 的电流波形进行实时滤波与分析，在短路故障产生早期就能通过辨析特征值确认短路故 障，并发出动作指令使分断机构分断短路故障，最后将所有分析结果显示在上位机Labview 图形化界面中。
[0044] 下面对上述形态滤波器、基于小波包细节分解的短路电流早期检测算法做进一步 解释，参见图12所示。
[0045] ( 1)形态滤波器一一广义形态开滤波器 形态滤波主要以腐蚀和膨胀两种基本运算为基础，其数学模型为：
公式（1)为关于表_的腐蚀变换模型；公式（2)为关于：的膨胀变 换模型，其中，纟_::是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为 释的结构元素，#<水并定义其原点在O处。当信号采样周期为7；时，形态腐 蚀及膨胀滤波器可分别滤除脉冲宽度小于M*r s的正脉冲或负脉冲。为了能同时滤除信号中 的正负脉冲噪声，可将腐蚀与膨胀进行组合。一般的组合方式为先膨胀后腐蚀或先腐蚀后 膨胀，但这样的组合方式其腐蚀与膨胀运算中的结构元素是相同的，这就造成在滤除信号 中的正/负脉冲噪声的同时会增强信号中的负/正脉冲噪声，无法达到完好的滤除正、负脉 冲噪声的效果。因此本发明采用由具有不同形状尺寸的结构元素构成的广义形态开滤波器 作为采样信号的前置滤波器，公式（3)为广义形态开滤波器（EXO)的数学模型，其中，/(?〇: 是定义域为，赚:\_的一维原始信号序列，
分别为腐蚀 运算和膨胀运算的结构元素，#和是整数集雄]两个有限子集，且#Ε?|。
[0046] (2)短路故障早期检测算法一一小波包细节分解算法 小波变换具有时频局部化的特点，小波变换的基函数是具有有限的持续时间和突变频 率/振幅的小波函数，这使其可较准确地拟合原始信号，特别是具有突变特征的非平稳信 号。此外，它的矩形时频窗的形状及尺寸随其尺度因子的变化而自动调节，当尺度因子减 小时，时窗宽度减小，时间分辨率提高，频窗宽度增大，频率分辨率降低且频率中心向