消弧线圈自动跟踪调谐技术原理

35kV消弧线圈自动跟踪调谐技术原理及其应用摘要阐述JXH15/35型消弧线圈微机控制自动调谐装置原理、功能结构以及应用经验，并结合实例就几个关键性技术问题展开理论分析。对类似装置的设计、安装、调试及运行具有实用参考价值。

关键词消弧线圈自动调谐位移电压脱谐度PrincipleandApplicationof35kVAutomaticTuningReactorAbstractTheprinciple,functionanditsapplicationof35kVautomatictuningreactorarepresented.Thekeyproblemsareanalyzedcombinedsomeexamples.Itishelpfulforthedesign,testandoperationofautomatictuningreactor.

Keywordsarcsuppresingreactorautomatictuningdisplacementvoltageofftuningdegree0概述

随着电网馈电线路的不断增加及电缆线路日益增多，系统对地电容电流愈来愈大。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，35kV系统，当接地故障电容电流超过10A时应采取中性点经消弧线圈接地运行方式。

系统在切除或投入一部分线路及不同气象条件时，电网对地电容电流均会有所不同。由于传统的手动调匝式消弧线圈不能在线实时测量监视电网电容电流，造成实际运行中不能根据电网电容电流的实际变化及时调节，消弧线圈不能始终运行在最佳档位，其补偿作用得不到充分发挥。因此，在线自动调谐式消弧电抗器应运而生，它是依靠自动控制系统按电网电容的实时变化来改变消弧线圈的电感，使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿，弧道残流控制到较小。同时，减缓了恢复电压的上升速度，抑制谐振过电压的产生。1装置结构及其调谐原理

1.1基本结构与功能

35kV电网的变压器绕组为Y接法，中性点引出，不需要Z形接线的接地变压器。消弧线圈自动调谐，装置包括有载消弧线圈、微机调节器、阻尼电阻控制器、中性点PT、隔离开关及控制屏。

微机调节器是整套装置的关键部分，所有的计算与控制由它来实现。控制器电路包括：模拟量处理、A/D转换、相位比较、CTC计数器、键盘显示模块、输入输出接口、通讯接口、复位电路、断电存储及单片机系统等基本电路。从电网中性点采取的电压信号和消弧线圈电流(转换为电压)信号经放大滤波后分两路输出，一路经半波整流滤波变为直流电压信号后进行A/D转换；另一路经限幅放大后通过过零比较，取出过零时刻脉冲信号到相位比较电路比较出相位差，由CTC计数器测出相位差数值量。结合A/D转换采样外部电压、电流信号，经数字滤波处理后，计算出系统的脱谐度。当脱谐度偏差超出预定范围时，通过控制电路接口驱动有载开关调整电抗器分接头，调节一档后，再同样计算系统的当前脱谐度，直至脱谐度在预定范围内。当发生单相接地故障时，CPU将读入故障状态信号，程序进入保护任务，闭锁控制电路，10s内故障若未解除，即向外部端子发出报警信号。

阻尼电阻是用来限制谐振过电压，保护整套装置安全有效运行的一个重要组成部分。当系统发生单相接地时，中性点流过很大的电流，这时必须将阻尼电阻短接。阻尼电阻短接控制单元由单独的电路完成，并采取电压电流双重保护。

1.2自动调谐原理［1］

本装置的关键技术在于消弧线圈的微机自动跟踪控制调节器。该调节器实时测量出消弧线圈对应分接头T1和T2的中性点电压及其相角差，或中性点电流及其相角差，由此计算出电网当前的脱谐度。根据脱谐度偏离设定值，控制有载分接开关调节消弧线圈的分接头，实现自动跟踪调谐。其原理为：

消弧线圈正常运行时系统零序等效电路如图1所示(图中忽略线圈电阻及电感、电容泄漏损耗)。图中，U0为中性点不对称电压；C为线路对地电容；L为消弧线圈电感；R为阻尼电阻值。为便于分析计算，利用零序回路阻抗三角形(见图2)。图中θ为对应分接头T1和T2的中性点电流I01与I02之间的相角差。由图2可知：图1系统零序等效电路图2阻抗三角形R=cosφ.U0／I02sinθ.U0／I01＝cosφ.ΔX12式中，ΔX12＝｜XL1－XL2｜。由上式得：cos2φ＝I02Rsinθ／I01ΔX12φ＝(1／2)arccos（2I02Rsinθ／I01ΔX12－1)于是：XL－XC＝Rtanφ

故脱谐度为：ε＝（XL－XC）／XL＝Rtanφ／XL

式中，XL为消弧线圈对应分接头的已知电抗。

可以看出，脱谐度只是电流I01、I02及它们之间的相角差θ的函数，这3个参数即为调节器在线实时测量值。通过计算电网当前脱谐度与设定值的比较，决定是否调节。

1.3阻尼电阻的取值原则

串联阻尼电阻只是在电网正常运行状态下起作用，在系统单相接地故障时，中性点流过很大的电流，阻尼电阻处于短路状态。其取值条件是：当消弧线圈处于全补偿即系统位于谐振点时，阻尼电阻将中性点位移电压升高限制在15%Uφ内的水平，并抑制谐振过电压。

图1中，电源U0为中性点不对称电压。如我局懒土坡变电站35kV系统实测值U0＝420V，电容电流IC＝14.7A。消弧线圈正常情况下位于I档运行，由铭牌参数可得：XL＝1450Ω。

当消弧线圈运行于全补偿状态，即谐振点附近(最不利的情况考虑)，则有：零序回路电流I0＝420／R，位移电压UN＝I0≤0.15Uφ，解出R>203(Ω)。故阻尼电阻设计为320Ω(实际运用中，一般阻尼电阻的容量不宜选择太大，以增强调节系统抗干扰能力，提高自动调谐的灵敏度)，中性点实际位移电压为：UN＝U0／R.=1.948＜15%Uφ（kV）2脱谐度的设定

系统脱谐度范围的整定直接关系着系统的补偿效果，设置不当，还可能影响系统的安全稳定运行。

JXH15/35型消弧线圈微机控制自动跟踪补偿成套装置自1998年10月在我局35kV网络投运以后，由于脱谐度设置不当，致使线路在发生单相接地事故并消失后，接地信号仍未消失，调节器反映出中性点位移电压异常偏高，相间电压最大差值在10kV左右。经对脱谐度设定范围作进一步调整，即由原来设置的3%～13%调整到8%～18%范围(5%为系统脱谐度偏差设定值)后，异常现象消失。

理论分析为：故障前，消弧线圈运行于I档，电感电流补偿值IL1=15.3A，XL1＝1451Ω，脱谐度ε%＝-4%(负号表示运行方式为过补偿)。

由图3可知：图3系统零序等效电路图系统发生单相接地故障(假定A相接地)后，U0＝UA≈21000(V)，交、直流保护动作，直流接触器JC吸合，阻尼电阻被短路。此时，系统回路阻抗为XL－XC＝ε%×XL≈58（Ω）。当瞬间单相接地故障消失后，U0＝420V，交流接触器JJ未放开，零序回路电流I0＝420／58＞5A(电流整定保护值)，位移电压UN＝I0.XL＝10.5＞7kV(电压整定值)。

可见脱谐度设置不当，中性点位移电压异常偏高，已大于整定保护值，CPU控制电路误认为接地仍未消失，致使JJ不能释放，UA及UB幅值可能相差10kV左右。由于脱谐度预置过小，几乎运行于谐振点附近。当发生单相接地时，系统回路阻抗太小；同时，中性点不对称电压偏高(实测值为420V)，也是一个不容忽视的重要原因。若事先采取技术措施改善该网络三相不对称度，以降低中性点不对称电压，此类异常现象也可避免。

脱谐度重新调整后，正常情况下，消弧线圈运行于Ⅱ档，电感电流IL2＝16.8A，感抗值XL2＝1321Ω，脱谐度ε＝-14%。即使按脱谐度上限18%计算，弧道残流为2.7＜3A，电容电流能够得到有效补偿。则位移电压UN为：当发生单相接地故障后，交、直流保护动作，JC吸合，阻尼电阻被短路，回路阻抗XL－XC＝ε.XL≈185(Ω），当单相接地故障消失后，回路电流I0＝420／185<5A(整定值)，位移电压UN≈3<7kV(整定值)。

计算分析表明，脱谐度经重新设定，在单相故障接地消失后，JJ可自动释放，串入阻尼电阻，系统恢复正常。3联合调谐

图4为35kV网络中两台消弧线圈参与补偿的零序等效电路图，图5为等效原理图。其中，L1为XDZJ—630/35型自动调节式消弧线圈；L2为XDJ—550/35型传统手动调匝式消弧线圈。在通常情况下，刀闸K处于断开状态，网络N1与N2各自独立运行。但在某些特殊情况下，有必要将环网刀闸闭合，形成环网运行。由图4、5可导出：图4两台消弧线圈联合补偿的零序等效电路图图5等效电路原理图L12≈L1L2／（L1＋L2)U0＝［U1jωL2＋（jωL1＋R）U2］／［jωL1＋jωL2＋R］若R《XL1＋XL2，则：｜U0｜≈（U2XL1＋U1XL2）／（XL1＋XL2)显然，等效电势U0的幅值介于U01与U02之间，位移电压稍有降低。因此，在环网刀闸闭合后，整个网络仍处于自动调谐补偿方式下安全稳定运行。4结语

a.消弧线圈微机控制自动调谐装置有利于限制或降低电网过电压水平；

b.消弧线圈投入运行前，应采取技术措施，尽可能将中性点不对称电压降低到较低水平；

c.脱谐度范围的设定，应充分考虑使残流值及位移电压满足技术要求，并在电网各种可能的异常运行状态下模拟试验，避免系统发生单相接地故障消失后J