消弧线圈原理、基本结构和作用

消弧线圈简介调气隙式一、发展过程1、消弧线圈[1]早期采用人工调匝式固定补偿的消弧线圈，称为固定补偿系统。固定补偿系统的工作方式是：将消弧线圈整定在过补偿状态，其过补程度的大小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移电压超过相电压的15%。（之所以采用过补偿是为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压。）因为如整定在欠补偿状态，切除线路将造成消弧线圈电容电流减少，可能出现全补偿或接近全补偿的情况。但是这种装置运行在过补偿状态当电网中发生了事故跳闸或重合等参数变化时脱谐度无法控制，以致往往运行在不允许的脱谐度下，造成中性点过电压，叁相电压对称遭到破坏。可见固定补偿方式很难适应变动比较频繁的电网，这种系统已逐渐不再使用。2、取代人工调匝式固定补偿消弧线圈的是跟踪电网电容电流自动调谐的装置，这类装置又分为两种。一种是：随动式补偿系统。随动式补偿系统的工作方式是，自动跟踪电网电容电流的变化，随时调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串一电阻，增加电网阻尼率，将谐振过电压限制在允许的范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高压调整。一种是：动态补偿系统。动态补偿系统的工作方式是，在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点，彻底避免串联谐振过电压和各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，瞬间调整消弧线圈到最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性，通过适当的控制，该系统是唯一可能使电网中原有功率方向型单相接地选线装置（高漏）继续使用的系统。二、作用原理消弧线圈的作用是：当电网发生单相接地故障后，提供一电感电流，补偿接地电容电流，使接地电流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低，达到熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的辐值，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等。所谓正确调谐，即电感电流接地或（电感电流）等于电容电流，工程上用脱谐度V来描述调谐程度V=（IC-IL）/IC当V=0时，称为全补偿，当V0（电容电流电感电流）时为欠补偿,V0（电容电流电感电流）时为过补偿。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，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。如煤矿6KV电网，当消弧线圈处于全补偿状态时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10~25倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。除此之外，电网的各种操作（如大电机的投入，断路器的非同期合闸等）都可能产生危险的操作过电压，所以电网正常运行时，或发生单相接地故障以外的其它故障时，小脱谐度的消弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害。综上所述，当电网未发生单相接地故障时，希望消弧线圈的脱谐度越大越好，最好是退出运行。三、结构特点一般的消弧线圈的结构与单相变压器的结构相似，一般为油浸自冷式，具有油枕、玻璃管油位计，信号温度计，容量较大的还装有冷却管、呼吸器和气体继电器。内部结构是一个具有多间隙铁芯的可调线圈，它的阻值很小，感抗值很大，铁芯间隙用绝缘纸板填充。（消弧线圈的铁芯和线圈，采用带间隙的铁芯，是为了避免磁饱和，使补偿电流与电压成线性关系，减少高次谐波分量。消弧线圈的补偿电流可以通过分接开关改变线圈匝数进行调节。电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁电流，改变铁芯的磁阻，从而改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以毫秒级的速度调节电感值。四、控制方式采用动态补偿方式，从根本上解决了补偿系统串联谐振过电压与最佳补偿之间相互矛盾的问题。众所周知，消弧线圈在高压电网正常运行时无任何好处，如果这时调谐到全补偿或接近全补偿状态，会出现串联谐振过电压使中性点电压升高，电网中各种正常操作及单相接地以外的各种故障的发生都可能产生危险的过电压。所以电网正常运行时，调节消弧线圈使其跟踪电网电容电流的变化有害无利，这也就是电力部门规定“固定式消弧线圈不能工作在全补偿或接近全补偿状态”的原因。国内同类自动补偿装置均是随动系统，都是在电网尚未发生接地故障前即将消弧线圈调节到全补偿状态等待接地故障的发生，为了避免出现过高的串联谐振过电压而在消弧线圈上串联一阻尼电阻，将稳态谐振过电压限制到容许的范围内，这并不能解决暂态谐振过电压的问题，另外由于电阻的功率限制，在出现接地故障后必须迅速的切除，这无疑给电网增加了一个不安全因素。偏磁式消弧线圈不是采用限制串联谐振过电压的方法，而是采用避开谐振点的动态补偿方法，根本不让串联谐振出现，即在电网正常运行时，不施加励磁电流，将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态，但实时检测电网电容电流的大小，当电网发生单相接地后，瞬时（约20ms）调节消弧线圈实施最佳补偿。五、特征中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地具有以下特征：(1)同中性点不接地电网一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至线电压，出现零序电压，其大于等于电网正常运行时的相电压，同时也有零序电流。(2)消弧线圈两瑞的电压为零序电压，消弧线圈的电流IL通过接地故障点和故障线路的故障相，但不通过非故障线路。（这样就可利用稳态电流的大小和方向来判别故障）(3)若系统采用完全补偿方式，则系统故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的对地电容电流，电容电流的方向均为母线指向线路，因此无法利用稳态电流的大小和方向来判别故障。(4)当系统采用过补偿方式时，流过故障线路的零序电流等于本线路对地电容电流和接地点残余电流之和，其方向和非故障线路的零序电流一样，仍然是由母线指向线路，且相位一致，因此也无法利用方向的不同来判别故障线路和非故障线路。六、产品信息及区别（一）、调气隙式调气隙式属于随动式补偿系统。其消弧线圈属于动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。然而其调整只能在低电压或无电压情况下进行，其电感调整范围上下限之比为2.5倍。控制系统的电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约100欧电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于15%的相电压）。当发生单相接地后，必须在0.2S内将电阻短接实现最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。该产品的主要缺点主要有四条：1、工作噪音大，可靠性差动芯式消弧线圈由于其结构有上下运动部件，当高电压实施其上后，振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内部越来越松动，噪音越来越大。串联电阻约3KW，100MΩ。当补偿电流为50A时，需要250KW容量的电阻才能长期工作，所以在接地后，必须迅速切除电阻，否则有爆炸的危险。这就影响到整个装置的可靠性。2、调节精度差由于气隙微小的变化都能造成电感较大的变化，电机通过机械部件调气隙的精度远远不够。用液压调节成本太高3、过电压水平高在电网正常运行时，消弧线圈处于全补偿状态或接近全补偿状态，虽有串联谐振电阻将稳态谐振过电压限制在允许范围内，但是电网中的各种扰动（大电机投切，非同期合闸，非全相合闸等），使得其瞬态过电压危害较为严重。4、功率方向型单相接地选线装置不能继续使用安装该产品后，电网中原有的功率方向型单相接地选线装置不能继续使用（二）、调匝式该装置属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈不能连续调节，只能离散的分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联的电阻存在爆炸的危险等缺点，另外该装置比较零乱，它由四部分设备组成（接地变压器，消弧线圈、电阻箱、控制柜），安装施工比较复杂。调匝式消弧线圈在电网正常运行时，通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值，由控制器调节有载调压分接头到所需要的补偿档位。当发生接地故障后，补偿接地时的电容电流，使故障点的残流可以限制在设定的范围之内。（三）、调容式主要是在消弧线圈的二次侧并联若干组用可控硅(或真空开关)通断的电容器，用来调节二次侧电容的容抗值。根据阻抗折算原理，调节二次侧容抗值，即可以达到改变一次侧电感电流的要求。（四）、调节可控硅式调可控硅式消弧线圈是把高短路阻抗变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组由2个反向连接的可控硅短接，调节可控硅的导通角由0～180°之间变化，使可控硅的等效阻抗在无穷大至零之间变化，输出的补偿电流就可在零至额定值之间得到连续无极调节。可控硅工作在与电感串联的无电容电路中，其工况既无反峰电压的威胁，又无电流突变的冲击，因此可靠性得到保障。其特点如下：（1）、利用可控硅技术，补偿电流在0～100%额定电流范围内连续无级调节，实现大范围精确补偿，还适应了配电网不同发展时期对其容量的不同需要。（2）、利用短路阻抗作为工作阻抗，伏安特性在0～110%UN范围内保持极佳的线性度，因而可以实现精确补偿。（3）、该消弧线圈属于随调式，不需要装设阻尼电阻，也不会出现串联谐振，既提高了运行的可靠性，又简化了设备。（4）发生单相接地故障后该消弧线圈最快5ms内输出补偿电流，从而抑制弧光，防止因弧光引起空气电离而造成相间短路；同时它能有效消除相隔时间很短的连续多次的单相接地故障。（5）、成套装置无传动、转动机构，可靠性高，噪音低，运行维护简单。