消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出Word文档下载推荐.docx
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d
R（CaCbCc）
Kc,d'
分别称为中性点不接地电网的不对称度和阻尼率。
正常运行时因导线不对称布置所引起的电网不对称度是不高的，尤其是电缆网
络其值更小，表2-1列出了作者对67个煤矿6KV电缆电网的测定结果，从表中可见，占实测总体85%的电网其自然不对称度小于0.54%，所以中性点电压
位移较小。
但是当系统中发生一相导线断线、或两相导线同一处断线、或开关动作不同步都将使故障相的对地电容减小，从而使不对称度有较大的增长，中性点的位移电压可能达到很高的数值。
表1-1煤矿6KV电网自然不对称度分布规律
Kc
0.02~
0.28~
0.54~
0.80~
1.06~
1.32~
1.58~
（%）
0.28
0.54
0.80
1.06
1.32
1.58
1.84
频数
fi
46
11
4
3
频率
0.687
0.164
0.06
0.045
0.015
0.030
fi/n
2.1.3消弧线圈的作用原理
中性点加入消弧线圈后，起到三个方面的作用，即大大减小故障点接地电流；
减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度；
避免由于电磁式电压互感器饱和而引发铁磁谐振。
2.131补偿原理
电压领先90。
此时由故障点流回系统的接地电容电流IC滞后正常运行时的相
电压90，所以消弧线圈电感电流和接地电容电流的方向相反。
如果适当选择消弧线圈L值的大小，使
1u
L,则：
Il3C°
U
3C0L
Ic全部被消弧线圈的电感电
那么通过故障点的电流将等于零。
即接地电容电流流Il所补偿，从而使得电弧自动熄灭。
（b）向量图
（a）等值电路
图2-3消弧线圈接地系统发生单相接地时的等值回路和向量图
通常，我们用脱谐度表示消弧线圈的调谐情况，其定义为
KI,
（CaCbCc）——
el
L
（2-1-3）
1e
（CaCbCC）
（1）
当消弧线圈电感满足
1/3Co的条件时，IlIc,
称为全补偿
⑵
称为过补偿＜
⑶
称为欠补偿
对消弧线圈调谐的一个基本要求就是使接地点的残流小于一定值。
由于实际接地电流中不仅含有电容电流，还有少量的阻性电流和一定量的谐波电流，而阻性电流和谐波电流是不能被消弧线圈电感电流补偿掉的，所以补偿后的残流应由三部分组成，即工频电流丨50（它可能是容性、也可能是感性、也可能被
完全补偿掉）、阻性电流IR和谐波电流lx，其表达式为
lg.15。
lRIX..（Ic）2（die）2lX（2-1-4）
式中d为消弧线圈补偿电网的阻尼率，它同未补偿电网d'
是有区别的，详细
讨论见下节。
2.1.3.2关于串联谐振问题的讨论
图2-4为考虑了各相绝缘泄漏电阻和消弧线圈的有功损耗后的补偿电网等
值电路，其中L是消弧线圈电感，ro代表消弧线圈有功损耗的等值电阻。
设三相电源电压完全平衡、各相泄漏电阻彼此相等，且以A相作为参考相量。
用戴
维南定理可以得到补偿电网正常运行时的零序等效电路如图2-5a所示，图中
Upd为电网末补偿时的不平衡电压，Un为补偿后中性点位移电压。
可见等效电
路是一个串联LC电路，当接近谐振条件时回路中电流很大，消弧线圈上电压也即中性点位移电压很大。
运行中规定中性点位移电压不应大于15%的相电压,
其表达式为：
图2-4消弧线圈正常运行时的等值图
电网的阻尼率一般约为3%~5%，但煤矿6KV电网，由于井下电缆工作环境
恶劣，其电网阻尼率偏大，实测结果表明其值约在7%左右。
中性点位移电压
的大小为：
Un十2c2U（2-1-6）
.2d2
图2-6为中性点位移电压随脱谐度变化的关系曲线。
可见消弧线圈接地系统中性点电压的大小与脱谐度有关，脱谐度越小，中性点位移电压越高；
脱谐度等于零即谐振补偿时，中性点的电压最高，此时的电压即为补偿系统的串联谐振电压。
（a）正常运行时（b）单相接地时
图2-5补偿电网正常运行时及单相接地时的零序等值电路
UnUpd
0.5
图2-6不同d值下中性点位移电压与脱谐度的关系曲线
2.133弧隙恢复电压与脱谐度的关系
减缓接地点恢复电压的上升速度是消弧线圈的第二个作用，当电网A相发
生单相接地时，其零序等效电路如图2-5b所示，图中C（CaCbCc）3C0，
流过开关K的电流代表残流，当电弧熄灭时，相当于K打开；
M、N两点间电压相当于弧隙的恢复电压，M点电压取决于实际电网A相电压的变化，如果熄
弧时该相的初相位为角，电源电压最大值为Um，则
UA（t）Umej（t）
N点电压的变化规律取决于图中L两端电压的变化，它对应于补偿电网
中性点电压的变化。
由于该零序等值电路的衰减系数为
111,d2RC2R（CaCbCc）2
故有
uL（t）Umetej（0t）
因此得故障相对地的恢复电压为
u（t）UA（t）UL（t）
Um（ej（t）etej（0t））
±
-Lt
Umej（t）（1e2）（2-1-7）
完全调谐时，0，上式变为
u（t）Umej（t）（1e2）
此时，恢复电压包线按指数规律从零上升至Um，波形如图2-7a所示。
当脱谐
时，0，恢复电压将出现拍振现象，波形如图2-7b，其拍振周期T为
恢复电压的包线表达式为
或写成
图2-8为不同/d值下恢复电压的包线，这些曲线表明：
当补偿电网阻尼率确定后，脱谐度减小时，包线的幅值和增长速度均减小，有利于接地电弧的熄灭。
Uo（t）的最大上升速度可近似表达为
（2-8-10）
du。
（t）
可见，泄漏电阻的存在，增加了熄弧后故障点的恢复电压上升速度，不利于电弧的熄灭，但它可以促使系统的三相对地电压在熄弧后迅速的恢复对称，减小电弧接地过电压的幅值，所以通常没有补偿有功电流的必要。
研究指出，高频电流分量的存在，一般不影响最终的熄弧⑵，所以也不需加以补偿C
I..I
Uo（t）/tk
dt
图2-8不同/d值下恢复电压的包线
2.134消弧线圈对铁磁谐振过电压的抑制作用
在中性点经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈的电感远较电磁式电压互感器的励磁电感为小，所以零序回路中电感参数主要由消弧线圈决定并且相对地稳定了中性点的电位，即使电压互感器的激磁电感发生变化，也不会发生铁磁谐振而产生过电压。
2.2消弧线圈的自动调谐
消弧线圈的自动调谐需要解决两个方面的问题，一个是自动调谐原理，另一个是可调消弧电抗器。
已提出的自动调谐原理不少，大体上可分为五类，谐振法、相位移法、电容电流间接检测法、附加电源法及模型法。
按照改变电感方法的不同，可调消弧电抗器可分为四类，调匝式、调气隙式、直流偏磁式、斩波式。
其中调匝式又分为有载分接开关调匝、晶闸管调匝、带电容补偿的调匝等多种，偏磁式可分为横向励磁、纵向励磁和纵横向励磁三种类型。
各种自动调谐原理与各种可调消弧电抗器的组合，构成了各式各样的自动调谐消弧线圈。
2.2.1自动调谐原理
2.2.1.1谐振法
谐振法又称极值法。
从2.1.3中式（2-1-5）可见，当电网的阻尼率d和电网
不对称度Kc一定时，Un随的下降而增大，当0时，达到最大值Unmax，
UNmax即为串联谐振电压。
0的状态也就是全补偿状态。
所以可以利用检测
中性点位移电压大小的方法将消弧线圈调谐至全补偿或接近全补偿的状态。
从下面三个方面对这种方法做出评价。
（1）调谐准确性问题。
这种误差是由于消弧线圈的非线性造成的。
总的来讲，
Petersen电抗线圈是线性的，但是当施加在该线圈上的电压过于远离其额定
电压时，其伏安特性呈现较强的非线性。
表2-2-1为XDZ-1000/35消弧线圈
分别在额定电压下和500V电压作用下各分抽头的电抗值（单位），可见其
数值有明显的差别。
在正常运行情况下，消弧线圈端电压较小（尤其是在电
缆系统中），此时得到的调谐结果在出现单相接地后就要有较大的偏差。
所以，对不对称度非常小的电网其调谐精度不理想。
表2-2-1
5
6
7
8
9
2222
1111.
974
859
779.6
709.9
645.9
592.5
548.6
516.7
500v
1078
943.4
813
740.7
680.3
628.9
574.7
531.9
495
⑵串联谐振过电压问题。
该方法的调整过程也就是补偿电网发生串联谐振的过程。
中国有关规程规定这种由谐振造成的中性点电压位移不得超过系统相电压的15%，所以对于不平衡度较大的电网，这种方法有其局限性，需采取适当的处理措施。
事实上，消弧线圈长期工作在串联谐振状态是不好的。
（3）参数整定问题。
它不能接照确定的脱谐度调整消弧线圈运行，而只能将消弧
线圈调谐至全补偿位置，或着按中性点位移电压不超过某一定值调谐，无法
整定消弧线圈脱谐度。
⑷灵敏度问题。
式（2-1-6）针对求导数得
d5.d
（d0.05,Kc0.5%,U3637V）
图2-2-1dUz/d与关系曲线
上式说明Un随II的变化呈单调递减规律，图2-2-1为|dUz/d|随的变化
曲线，从图中可见当II较大或较小时，|dUz/d|较小，这说明此时Un对II的变化不敏感。
当II取某一中间值时，|dUz/dI较大，这一中间数值可以用下式求出
即当■呀d时，Un对II的变化最敏感。
总之，当消弧线圈远离全补偿状态，
或在接近全补偿状态时，I|的下降对Un的升高影响较小，灵敏度不高。
2.2.1.2相位角法
这种方法是按照中性点位移电压相位角与脱谐度的关系来调谐消弧线圈
的。
研究表明，经消弧线圈接地电网的中性点电压Un对于系统A相参考电压UA
的相位移为N
对于UA的相位角
0，
0为电网中性点末加消弧线圈时，中性点电压
UPD相
tg1G
2C1
（2-2-3）
tgG
1C2
因d'
20故
2耳，3（丄丄）（2CaCbQ）
Lrb
ro
说明可根据中性点电压对参考电压的相位移角进行自动调谐。
对一个实际的电
网，即使电容电流不变，0变化仍很大，这就给调谐带来了误差。
实际应用中
可在相对地之间人为的接入一附加电容C来减小这一误差
CaCbCcCo，GmLr，代入式（2-2-3）得
tg
tg1d
由于实际电网并不对称，电网阻尼率d'
也是不确定的，它随着电网的变化
而改变，消弧线圈的q值也同其承受的电压大小有关。
这些不确定因素可能产
生很大的误差。
附加电容的加入造成电网不对称度加大，又带来一些新的问题,
这些因素都限制了相位移法的使用。
2.2.1.3电容电流间接检测法
该方法的基本思想是，通过改变消弧线圈的电感值，造成其两端电压发生
变化，同时消弧线圈中电流也随之改变，检测电压和电流值以及相应的相角差，
间接计算出系统单相接地电容电流或系统对地电容，据此调谐消弧线圈。
（1）忽略电网阻尼率时的计算方法。
设对应于分抽头T1和T2时的中性点位移
电压分别为Uni和Un2，各分抽头对应的消弧线圈电流值分别为IL1和IL2，
d0,代入式（2-1-6）得
解得
从上式可见测得两次中性点电压后，电网三相对地总电容及消弧线圈脱谐
度就可求得。
实际应用中，这种方法由于忽略了电网阻尼率以及UN1和UN2测量
的不同时性，测定结果准确性较差。
⑵利用两分接头对应的零序电流相位差的计算方法。
如果消弧线圈中人为串有较大阻尼电阻Rz，且Rz的电阻值已知，则测量消弧线圈两个档位的零序电流I01和I02及它们之间的相角差，就可以计算出电网脱谐度。
设Xc为系
统对地总容抗
由于电网本身阻尼率相对很小，所以图2-2-2a中可以忽略电网各相绝缘泄漏电
阻r和消弧线圈并联等效电阻r0的阻尼作用。
则图2-2-2a变为图2-2-2b，其对
应的零序阻抗三角形如图2-2-2C所示。
依据阻抗三角形可列写下列方程
Z2sinXL12cos
（a）零序等值电路（b）简化零序等值电路（c）零序阻抗三角形
图2-2-2带串联阻尼电阻的零序等值电路及零序阻抗三角形
Z1cosRZ
XcXL1RZtg
1i,2I°
iRzSin八
cos
（1）
2102Xl12
XcRZtgXL1
按照上述算法，最后可求得对应分接头T1的脱谐度1或分接头T2的脱谐度
2，将1和整定值0进行比较，若10，则原分接头1不需调整。
若
1。
|，贝U判断10的符号，跟据该符号的正或负，进行相应的分接头
调接。
该算法忽略了电网阻尼率，使用时要注意使用条件，同时，由于算法中用到各分接头的电抗值，所以要考虑消弧线圈在端电压很小时的非线性失真问题。
2.2.1.4模型法
电网电容电流由接入的线路总长度而确定，因此可以用合闸线路断路器的
多少来计算电容电流。
设电网共有n条线路，在模型上每一条线路相当一个电
阻，在这一电阻两端并联着与该线路断路器触头一致的触点，若线路接入，则电阻被短路。
图2-2-5中左边的电阻串为电网中线路的模型，右边的电阻串为
消弧线圈的模型。
线路投入愈多，被短路的电阻愈多，因此经左边电阻串流到底部电阻Rb的电流越大，其上面的压降即为差动放大器的一个输入信号。
差动放大器的另一个输入信号为消弧线圈模型电阻串底部电阻Rb*的电压降。
若二信
号差得多，放大后的电压超过继电器KA的动作电压就需调整消弧线圈电感。
否
则，说明调谐度在允许范围内。
这种方法的调节精度取决于线路模型及消弧线圈模型的精度。
由于电网中某些线段的电容可能改变，即时不变测定其对地电容也很烦锁，另外系统的电容电流还受到其它电器设备的影响，所以建立线路模型不仅非常困难，而且在某些情况下不可能做的准确。
221.5附加电源法
中性点附加电源法是在中性点
的消弧线圈上附加一个信号源，用于附加信号源的变压器串接或并接在系统零序回路中，相当于一个阻抗变换器，它反映了系统的零序回路阻抗的状况。
因此，检测附加电压与电流之间的相位关系，即可实现自动调谐。
事实上，由于系统出现单相接地故障时，在中性点上出现很高的电压，对
附加信号源需要采取许多措施来隔离，实现起来非常困难。
另外，电网正常运行时中性点位移电压对该方法调节精度影响较大，这些都限制了该方法的使用
图2-2-3电网模型
以上这些方法都没有达到完善的地步。
其中，相位法、极值法和电容电流检测法有一定的运行经验，但应用都有局限性。
相对来讲，随着微电子技术的发展，采用微机控制器后，电容电流检测法具有优越性。
而模型法和附加电源法尚无运行经验，只是做一些理论分析，实际应用起来有难度。
2.2.2可控消弧线圈
按改变电感方法的不同，可控消弧线圈分为四类，即调匝式、调气隙式、直流偏磁式及斩波式。
2.221调匝式可控消弧线圈
调匝式可控消弧线圈分为有载开关调匝式、晶闸管调匝式和带电容补偿的分级可调式等多种。
这种消弧线圈靠改变绕组的线圈匝数来改变电感，电感量与匝数的平方成比例。
因此其电感不连续可调。
用有载分接开关取代pertersen
消弧线圈中的无激磁分接开关就变成了有载调匝式消弧线圈，它是由两项久经实践检验的设备-pertersen消弧线圈和有载分接开关组合而成，所以它是技术上最成熟的，也是目前使用最多的一种可控消弧线圈。
其主要缺点是调节速度慢，有载开关每切换一档需十余秒钟，另外由于有运动部件，可靠性差，使用寿命短。
实际使用的产品中，为了减小造价，往往选用比消弧线圈额定电压低的多的有载分接开关，所以在电网发生单相接地后，消弧线圈电压上升到额定电压，此时有载开关不允许动作，消弧线圈电感不可调节。
晶闸管调匝式消弧线圈是用双向晶闸管开关代替有载分接开关，调节速度快，但高压晶闸管成本高，并且在很多情况下需用多个额定电压较低的晶闸管串联组成高压开关，可靠性及经济性都成问题。
调匝式消弧线圈补偿电流上下限之比一般为2:
1，分
9档调节，各档间电感级差较大，经常不能满足调节深度的要求，可以采用带电容补偿的分级可调消弧线圈，补偿电容的作用使各档间电感级差变小。
图
2-2-4为带电容补偿的分级可调消弧线圈。
图中L1为原消弧线圈高压绕组，L2
为新加绕的低压绕组，L2的容量为L1的一半，C1、C2、C3、C4的容量比为
1:
2:
4:
8，总容量为消弧线圈的一半。
利用4组晶闸管开关的开通组合，可
以得到14档不同的电感电流。
其补偿电流上下限之比为2:
1。
电容补偿式消
弧线圈还缺乏工程应用的实践经验。
2.2.2.2调气隙式消弧线圈
这种消弧线圈的工作原理是靠移动插入线圈内部的可动铁心来改变磁导率从而改变线圈电感的。
从理论上讲这种消弧线圈的电感可连续调节，但实际上因为机械的惯性和电机的控制精度问题在工程中做不到。
其主要缺点是精度不高，可靠性差，响应慢，动作时间取决于可动铁心的移动时间，可至数十秒钟。
在额定电压下消弧线圈噪音较大且铁心不可调节（因为此时静动铁心间电
磁力很大）。
这种消弧线圈国内外都有一些运行经验。
2.223闸流式消弧线圈
这种消弧线圈的具体结构可以有多种多样，但其基本工作原理可以等效成
图2-2-5所示电路。
图中总电感电流iLiL0iLb，通过调节双向晶闸管scr的控
制角调节iLb的大小。
当晶闸管全导通时，iLb为标准正弦波，随着导通角T的
减小，iLb变小同时其波形发生畸变，但在角较小时，总电感电流iL的波形是
可以接受的，角越大，电感电流iL中的谐波就越严重。
所以闸流式消弧线圈
的调节范围太小是其最大的缺点，目前中国在6KV电网上投入运行的这类消弧
线圈样机电流调节范围只有10A。
2.224直流偏磁式消弧线圈
这种消弧线圈的工作原理是利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，
实现电感量连续变化。
这类消弧线圈的结构有多种，按照励磁方式的不同，可分为他励式和自励式（又称磁阀式）两种。
他励式又可分为横向励磁、纵向励
磁和纵横向励磁三种类型，具体实现方案有多种。
直流偏磁式消弧线圈是一种可连续调节电感的消弧线圈，它的内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。
其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调节电感值。
其补偿电流上下限之比可达到6：
1，是一种很有发展前途的消弧电抗器。
1993年底，在中国
由本文作者研制的首台直流偏磁式自动调谐消弧线圈投入工业运行，取得了令人满意的效果。
经过多年的研究，时至今日，新型偏磁式消弧线圈无论是在结构上、还是在性能上都有很大改进。
本文第三、四两章重点阐述作者这方面的研究结果。
值得一提的是，1996年由武汉水利电力大学研制的中国首台磁阀式
自动跟踪调谐消弧装置在咸宁供电局10KV电网投入运行。
以上介绍的都是单个的消弧电抗器，当需要制造成接地变压器同消弧电抗
器合一的设备时，只需将调气隙、施加直流偏磁或调角的原理用到变压器的
零序磁路上即可。
2.3动态补偿系统的构想
消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供一电感电流Il补偿接
地电容电流Ic，使接地电流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到熄灭电弧的目的。
当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效地抑制过电压的幅值，同时也最大限度的减小了故障点热破坏作用及接地网的电压升高等。
从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调谐至谐振点
上。
但是在电网正常运行时或发生单相断线、断路器不同期合闸、非全相合闸等故障时，全补偿或接近全补偿状态下的消弧线圈可能产生各种危险的过电压。
从式（2-1-6）可见，全补偿时中性点电压位移Un是电网自然不平衡电压Kcu
的10~20倍。
这就是通常所说的串联谐振过电压。
断路器的非同期分合闸，非全相分合闸及线路的单相断线都会加大电网的不平衡度Kc，
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