消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出

消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出62.消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理中性点不接地系统单相接地时的电容电流也存在电容。对于中压配电网，由于线路长度相对于工频波长来讲要短得多，这些分布电容可以用集中参数电容代替。一般来讲，各相对地电容Ca

C C，b c相间电容C C C 。对于电缆网络和经过换位处理后的架空线路，各相参ab bc ca数相差很小，可以认为Ca

C Cb

C C0 ab bc

C 2-1a。mBCCmCcBmC. .NIIBCCmCcBmC. .NIIC B.ICbC. .m120U=UN0aA.IDC60CC0 0C0. . I=I+IDC B CA.IB2-1a 等值电路2-1b向量图图2-1 中性点不接地系统发生单相接地时的电流电压向量图BC相的对地电容电流为：I I 3CU(2-1-2)A将由零变为相电压，BC相对地电压上升为线电压。于B C 0 ω=2πf—工频角频率U —系统相电压，其方向分别领先于U 和U 90，见图2-1b BA CA2-1b中可以看出接地电流：I I cos30I DC B C 0 3倍，方向落后于A相正常时相电压90。由于接地电流和接地相正常时的相电压相差 地电流过零时，加在弧隙两端的电源电压为最大值，因此故障点的电弧不易熄灭。当接地电容能导致危急的过电压。稳定性的弧光接地能进展成多相短路。中性点不接地系统的中性点位移电压对地电位叫中性点的位移电压，这一电压的产生主要是由于各相对地电容不相等所造成的。设各相对地电容分别为 Cr.U.

，各相绝缘的对地泄漏电阻分别B. Kc U.

a

C C)b c

(2-1-2)式中R”

1jd” r3. C a2C

bcaCbcK ac Ca

C Cb cd”.

R”(Ca

1C C)b cabc,r,abc,r,r且r r r r三相电源电压平衡且以.U2-2所示，a b ca2U ,U. Ca b cAaU aej120，则不对称电压为A A.IB.IBCCNU.IAPDACCCrrra c b a c b图2-2 中性点不接地系统自然不平衡电压U PD.j(C a2C aC)abcUj(C C C)a b c3 rj(Cj(Caa2C aC).1C C)bc1Ua b c1jc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、或开关性点的位移电压可能到达很高的数值。1-1煤矿6KV电网自然不对称度分布规律Kc0.02~0.28~ 0.54~ 0.80~1.06~1.32~1.58~(%)0.280.54 0.80 1.061.321.581.84频数4611 4 3102fi频i频f/ni率0.6870.1640.060.0450.01500.030中性点参加消弧线圈后，起到三个方面的作用，即大大减小故障点接地电器饱和而引发铁磁谐振。补偿原理如图2-3所示系统中性点接入消弧线圈。当 A相接地时，中性点电压U 将N由零上升到相电压，于是消弧线圈中将产生电流 I.，它的大小为L I N L L L其方向由故障点流回系统，较中性点的电压滞后 90，亦即较A相正常时的相.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90，所以消弧线圈电感电流和接地电容电流的方向相反。假设适中选择消弧线圈L值的大小，使L 1 ,则：I3C 0

U L 0 那么通过故障点的电流将等于零。即接地电容电流 IC流I 所补偿，从而使得电弧自动熄灭。L

全部被消弧线圈的电感电C a b C当消弧线圈电感满足L1/3C0当消弧线圈电感满足L1/3C

的条件时，IL的条件时，I

I ,0 称为全补偿CI ,0 称为过补偿。0当消弧线圈电感满足L1/3C0

L的条件时，IL

CI ,0 称为欠补偿。C际接地电流中不仅含有电容电流，还有少量的阻性电流和肯定量的谐波电流，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局部组成，即工频电流

(它可能是容性、也可能是感性、也可能被50)、阻性电流

和谐波电流IR

，其表达式为I250I250I2I2RX)2(dI )2I2C C Xg

(2-1-4)BBCN. .I IC BBCL.ILAN.IL.IDCC C C0 0 0.IDC.UA .IL(a)等值电路(b)向量图图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状况，其定义为ICILI(CC C )abC(C1CC )(2-1-3)式中 d为消弧线圈补偿电网的阻尼率，它同未补偿电网 d”是有区分的，具体争论见下节。关于串联谐振问题的争论图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，r0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 图中. .U 为电网末补偿时的不平衡电压，U 为补偿后中性点位移电压。可见等效电PD N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 其表达式为：.IB.ICB C. NI .L IAr0 L AAC C Ca c b

r r ra c b图2-4 消弧线圈正常运行时的等值图.U .

j(Ca

a2Cb

aC)c UN j(C

C

)j

13 a b

L r r0 j(Ca

a2Cb

aC)c Uj(C

C Ca b

)j 1 1 L Rj(C a2Ca b

aC)c j(Ca

C C)b c Uj(Ca

C Cb

1 Lj 1j(Ca

C Cb

) R(Ca

C C)b c. . Kc U UPD

(2-1-5)jd jd式中113R r r0d 1

补偿电网的阻尼率R(C C C)a b c消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出11电网的阻尼率一般约为3%~5%6KV电网，由于井下电缆工作环境恶劣，其电网阻尼率偏大，实测结果说明其值约在 7%左右。中性点位移电压的大小为：cU K Uc

(2-1-6)N 2d2 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。.UPD KMNrC C Cra b 3

r0 L

.AUAC L R(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U UN PD0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1图2-6 不同d值下中性点位移电压与脱谐度的关系曲线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其次个作用， 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 (C C C)3C， a b c 0流过开关K的电流代表残流，当电弧熄灭时，相当于 K翻开；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，假设熄弧时该相的初相位为角，电源电压最大值为U ，则mu (t)UA

ej(t)mN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 1 1 2RC

2R(Ca

C C) 2b c电路自振角频率为3CL013CL010故有

(1)2u (t)UL

etej(0t)m因此得故障相对地的恢复电压为u(t)uA

(t)uL

(t)U (ej(t)etej(0t))m djtU m

) (2-1-7)完全调谐时，0，上式变为 dtu(t)U

m

)此时，恢复电压包线按指数规律从零上升至 U ，波形如图2-7a所示。当脱谐m时，0，恢复电压将消灭拍振现象，波形如图 2-7b，其拍振周期T为消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出12u(t)/Umu(t)/Um10.5u(t)/Um2100-0.5-1-1050t0,d0.05,0100-2050t0.2,d0.05,0100(a)(b)图2-7 故障相恢复电压波形T0恢复电压的包线表达式为1edt1edt2e2tcosd20 m

(2-1-8)

u(t)11edt2e2tcosd2d

(2-8-9)Um图2-8/d值下恢复电压的包线，这些曲线说明：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。u(t)的最大上升速度可近似表达为0du(du(t)dt0d22 U (2-8-10)2 mmax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快速的恢复对称，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。争论指出，高频电流重量的存在，一般不影响最终的熄弧[2]，所以也不需加以补偿。消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出151.1.81.61.481.254130.820.610.4v/d=00.2000.511.522.533.544.55dt图2-8 不同/d值下恢复电压的包线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谐振而产生过电压。消弧线圈的自动调谐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。依据转变电感方法的不同，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。自动调谐原理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

肯定时，UN

的下降而增大，当0时，到达最大值U

，NmaxUNmax

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。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2-2-1XDZ-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()，可见其数值有明显的差异。在正常运行状况下，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消灭单相接地后就要有较大的偏差。所以，对不对称度格外小的电网其调谐精度不抱负。表2-2-112345678922221111.974859779.6709.9645.9592.5548.6516.7500v1078943.4813740.7680.3628.9574.7531.9495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。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肯定值调谐，无法整定消弧线圈脱谐度。灵敏度问题。式(2-1-6)针对求导数得dU K(2d(2d2)32

(2-2-1)d dUNd3000200010000

00.500.5%,Uc

3637V〕图2-2-1 dUN

/d与关系曲线UN

的变化呈单调递减规律，图2-2-1dUN

/d随的变化曲线，从图中可见当较大或较小时，dUN

较小，这说明此时UN

的变化不敏感。当取某一中间值时，dUN求出

/d较大，这一中间数值可以用下式d2UN

(22d2)KU 0(2d(2d2)522222 d即当

d时，U22N22

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，的下降对UN

的上升影响较小，灵敏度不高。相位角法这种方法是依据中性点位移电压相位角与脱谐度的关系来调谐消弧线圈. .UN

AU.A.N.

0

， 为电网中性点末加消弧线圈时，中性点电压 U 相0 PDUA

的相位角G C tg1 2 1 (2-2-3)0 G 1式中

C 2tg1因d”20 故

(1)(d”q)d”2d”(1)q

(2-2-4) 1(1)(d”q)tg

d”(1

)q

(2-2-5)G 111 raC C

r rb cC Cb c211 r r3(3(1r

1 3(Cr c

C)c c2cL

1)(2Cr b

C C)b cqr0 N

(1)(d”q)d”(1)q

(2-2-6)从上式可见，在d”、q、的状况下，与 有确定的函数关系。这0 N说明可依据中性点电压对参考电压的相位移角进展自动调谐。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CC C Ca b

C，r0

r rb

r，代入式(2-2-3) 得 tg10

3r3C0

tg1d” tg1N

(1)(d”q)d”(1)q

1d”

(2-2-7)由于实际电网并不对称，电网阻尼率 而转变，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这些因素都限制了相位移法的使用。电容电流间接检测法该方法的根本思想是，通过转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转变，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。无视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U

和UN1

，各分抽头对应的消弧线圈电流值分别为 I 和I ，L1 L2d0(2-1-6)得cU KUc

(2-2-8)N1 I Ic L1IU KN2 Ic

cUcI (2-8-9)cL2Ic解得I UL2 U

N1IL1UI N2 (2-8-10)Uc1UN1N2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，这种方法由于无视了电网阻尼率以及 的不同时性，测定结果准确性较差。

和U 测量N1 N2利用两分接头对应的零序电流相位差的计算方法。假设消弧线圈中人为串有较大阻尼电阻RZ

RZ

的电阻值，则测量消弧线圈两个档位的零序I01

和I 及它们之间的相角差，就可以计算出电网脱谐度。设X为系02 c统对地总容抗X c (Ca

1C C)b cX XL1

分别为对应于消弧线圈T、TL2 1 2

抽头时的感抗，其数值是的，UPD为消弧线圈断开时系统中性点电压。图2-2-2aRZ较大时，由于电网本身阻尼率相对很小，所以图 2-2-2a中可以无视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以下方程消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出182 I 02

L12X Rc Z

tgXL1依据上述算法，最终可求得对应分接头 T1

1

T2

的脱谐度 2

0

0

不需调整。假设1 0

1

的符号，跟据该符号的正或负，进展相应的分接头0Z sinZ sinX2Z UPDcosL122I02Z UPD1I01T2UPDT2UPDRr0XLT1XLT1OOZX-X2C L2X-XRXCr3RXZC L11C22XL12(a)零序等值电路(b)简化零序等值电路(c)零序阻抗三角形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ZcosRX X Rtg1Zc L1 Z解得1cos1(2I01RZsin1)题。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全都的触点，假设线路接入，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工作原理及动态消弧补偿系统的提出消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出20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

的电压降。假设二信b2.2.1.5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2.2.1.5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，由于系统消灭单相接地故障时，在中性点上消灭很高的电压，对附加信号源需要实行很多措施来隔QFR1R*1 1K1QFK22R2R*2KQFR33R*33QFRR*iKiiiQFRK151515R*15RbR*bKA模型不仅格外困难，而且在某些状况下不行能做的准确。离，实现起来格外困难。另外，电网正常运行时中性点位移电压对该方法 图2-2-3 电网模型调整精度影响较大，这些都限制了该方法的使用。检测法有肯定的运行阅历，但应用都有局限性。相对来讲，随着微电子技术的进展，承受微机掌握器后，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阅历，只是做一些理论分析，实际应用起来有难度。可控消弧线圈直流偏磁式及斩波式。调匝式可控消弧线圈分级可调式等多种。这种消弧线圈靠转变绕组的线圈匝数来转变电感，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 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。其主要缺点是调整速度慢，有载开关每切换一档需十余秒钟，另外由于有运动部件，牢靠性差，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，消弧线圈电感不行调整。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，调整速度快，但高压晶闸管本钱高，并且在很多状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 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阅历。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转变磁导钟。在额定电压下消弧线圈噪音较大且铁心不行调整 (由于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阅历。闸流式消弧线圈这种消弧线圈的具体构造可以有多种多样，但其根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i i i 通过调整双向晶闸管scr的控L L0 Lb制角iLb

的大小。当晶闸管全导通时，iLb

为标准正弦波，随着导通角 的TiLb

变小同时其波形发生畸变，但在角较小时，总电感电流iL

的波形是可以承受的，角越大，电感电流iL

中的谐波就越严峻。所以闸流式消弧线圈iLiL0CiLiL0CCCCSCR1234L0LbSCR1SCR2SCR3SCR4iLB线圈样机电流调整范围只有10A。图2-2-4 为带电容补偿的分级可调消弧线圈 图2-2-5闸流式消弧线圈原理图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， 磁导率，实现电感量连续变化。这类消弧线圈的构造有多种，依据励磁方式的不同，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整电感的消弧线圈，它的内部为全静态构造，无运动部件，工作牢靠性高。其响应速度快且可在消弧线圈承受高电压时调整电感值。其补偿电流上下限之比可到达6：1，是一种很有进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，取得了令人满足的效果。经过多年的争论，时至今日，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争论结果。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 变压器的零序磁路上即可。动态补偿系统的设想消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后， 供给一电感电流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，到达熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地削减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上升等。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度确实定值越小越好，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、非全相合闸从式(2-1-6) 可见，全补偿时中性点电压位移U 是电网自然不平衡电压KUN c 的10~20倍