（电气工程专业论文）新型快速可调消弧线圈接地系统研究.pdf

摘要 论文详细分析了配电网消弧线圈接地系统的现状后，提出了一种新型快速可 蛹消弧线圈接地系统和接地选线保护方法，以解决现有的消弧线圈不能快速调节和 接地选线保护方法不可靠的主要问题，论文从理论分析、仿真建模分析、挂网运行 试验等方面对所提出的系统和方法进行了验证。沦文的主要成果如下： 论文提出的消弧线圈接地系统采用相控方式实现其电感量的快速调节，从理 论上分析了这种调节方式存在的电流谐波问题，详细讨论了其产生的电流谐波与消 弧线圈凋节范围的关系，在此基础上提出了分段调节的方式。采用分段调节方式， 可以保证在电流谐波不超限的情况下扩大消弧线圈的调节范围，而不需要专用的滤 波装置。论文从理论上分析了这种分段调节方式的可行性。在理论分析所得结论指 导下没计制造出了消弧线圈，该消弧线圈具有调节速度快、连续调节、调节控制准 确、不需滤波装置、使用低俐压晶闸管等特点。其研究成果己获得专利。 论文首次将s a b e r 仿真软件引入到消弧线圈设计中，其中所采用的磁路模型、 线圈模型不仅能描述消弧线圈的电气特征，还能反映消弧线圈铁心和线圈的空问几 何结构、使用材料参数等物理特征。这种新设计方法直观简便、精度高、提供的设 计参数全面，很好地解决了在电力系统中使用电磁元件和电力电子器件的仿真难 题。为大功率电磁元件设计和应用探索了一条新途径。 利用消弧线圈的快速调节功能，本论文提出了一种新的控制方法，它摒弃了 现有消弧线圈接地系统使用的预调谐方法，即配电网f 常运行时预先调节消弧线圈 在全补偿状态的方法。新的控制方法为：当配电网f 常运行时，提高过补偿或欠补 偿度来抑制系统串联谐振过电压；当配电网发生单相接地故障时，迅速调节消弧线 圈电感使系统发生谐振以使配电网接地点的电弧熄灭。实践证明这种新型的控制方 法是有效性的。孩方法去掉了现有消弧线圈接地系统为抑制中性点位移过电压而设 置的并联或串联电阻，根除了电阻带束的诸多问题。 利用新型快速可凋消弧线圈的控制特点，沦文提出并实现了一种新型_ ：内单相 接地故障选线保护的方法一基于零序电流变化量的选线保护原理，可以达到很高的 准确性和可靠性比较理想地解决了现有消弧线圈接地系统难以实现接地故障选线 保护这个老大难问题。 论文还讨论了单相接也故障判掘、在线检测电网对地电馨电流、新型消弧线 圈接地系统的计算机控制系统设计等问题。陔系统经挂网运行，情况良好。可以预 重庆人学博十论文 见这种新型快速可调消弧线圈接地系统在我国城网改造中有着广阔的应用前景。 关键词：晶闸管，消弧线圈，故障选线保护 摘要 a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n ts t a t e so ft h e a r c - - s u p p r e s s i o n - c o i l ( a s c ) g r o u n d i n g s y s t e mi nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k si nd e t a i l ，t h et h e s i sp r e s e n t san o v e lf a s ta d j u s t a b l e a s c s y s t e ma n dan o v e lp r o t e c t i o np r i n c i p l ea b o u ts e l e c t i n gs i n g l e p h a s eg r o u n df a u l t l i n ei no r d e rt os o l v et h ed o m i n a t i n g p r o b l e m st h a tt h ei n d u c t a n c eo f t h ee x i s t i n ga s ci s n o ta b l et oc h a n g eq u i c k l ya n dt h ee x i s t i n gm e t h o da b o u tt h es e l e c t i n gf a u l tl i n ei sn o t g r e a t l yr e l i a b l e t h ea s cs y s t e ma n dm e t h o d sp r o p o s e di nt h i st h e s i sa r ec o r r e c tb e c a u s e t h e ya r ev e r i f i e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s t h e p r i m a r y a c h i e v e m e n t si nt h et h e s i sa r ei nt h ef o l l o w i n g ： t h et h y r i s t o rp h a s e c o n t r o l l e dm o d ei se m p l o y e dt om a k et h ef a s ta d j u s t m e n to ft h e i n d u c t a n c eo ft h ep r o p o s e da s c h o w e v e r , t h ec u r r e n to ft h ea s ci s d i s t o r t e di nt h e m o d e t h et h e s i sa n a l y s e st h er e l a t i o no ft h ed i s t o r t e dd e g r e eo ft h ec u r r e n tt ot h ec h a n g e r a n g eo ft h e j n d u c t a n c ei nd e t a i l t h eh o v e j a d j u s t m e n t m o d e ，c a l l e dt h es e c t i o n a d j u s t m e n tm o d e ( s a m ) ，i sp r e s e n t e d t h es a m i sa d o p t e dt oi n c r e a s et h ec h a n g er a n g e o ft h ea s ci n d u c t a n c ea n dt om a k et h ed e g r e eo ft h ed i s t o r t e dc u r r e n tu n d e rt h ee x p e c t e d l e v e lw i t h o u tt h ed e s i g n e df i l t e r s a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y z i n gi nd e t a i lt h ec o n c l u s i o ni s m a d ei nt h et h e s i st h a tt h es a mi sr e a l i z a b l e u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r e t i c a l r e s u l t st h ea s cs y s t e mi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l yw i t h o u tt h ed e s i g n e d f i l t e r st h ea c s s y s t e m ，c o m p r i s i n gt h et h y r i s t o r sw i t hl o w e rv o l t a g el e v e l i sa d j u s t e di n t h es p e e d i n e s s ，t h ec o n t i n u u ma n dt h ee x a c t n e s s t h er e s e a r c h i n gr e s u l t sh a v eb e c o m ea p a t e n t i ti st h ei n n o v a t i o nt h a tt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e s a b e r i se m p l o y e d t od e s i g nt h e n o v e la s ci nt h es i m u l a t i o nd e s i g n sm o d e l s o ft h e m a g n e t i cp a t h a n dt h e c o i l ， d e v e l o p e di nt h i st h e s i s d e s c r i b en o to n l yt h e i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e m e n t sb u t a l s ot h ed i m e n s i o no ft h ed e v i c e s t h em a t e r i a l a l r l o u n tu s e di nt h ed e v i c e i sa l s o e v a 【u a t e d t h en o v e ld e s i g nm e t h o di st h ee x c e l l e n ts o l u t i o nf o rt h e s i m u l a t i o nc h a l l e n g e t h a tp o w e re l e c t r i c a ld e v i c ea n dt h em a g n e t i cp a t hd e v i c ea r ea p p l i e dt ot h ep o w e r s y s t e m s i n c ei t ，st h ei n t u i t i o n i s t i c e f t e c t i v ea n de x a c t a b l e t h i s m e t h o di sa l s ot h ei n n o v a t i o nt b r t h ed e s i g na n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ep o w e re l e c t r o m a g n e t i s m d e v i c e a c c o r d i n g t ot h ef a s ta d j u s t a b l ec h a r a c t e r i s t i co f t h ea s cs y s t e m ，t h et h e s i sc r e a t e s a n o v e lc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hp r o d u c e st h ef a c tt h a t t h ee x i s t i n gc o n t r o lm o d eo ft h ea s c s y s t e m st h a t t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k so p e r a t e n e x tt ot h er e s o n a n tp o i n t i st ob e 重庆人学博十论文 ! = ! = = = ! ! ! ! ! ! = = j = = ! = 自 l e = ! ! ! = 自l ! 。自 a b a n d o n e d t h ec o n t e n t so ft h en o v e lc o n t r o lm e t h o da r ei nt h e f o l l o w i n g w h e nt h e s y s t e mi si nn o r m a lo p e r a t i o n ，i no r d e rt or e s t r a i nt h es e r i e sr e s o n a n to v e r - v o l t a g e ，t h e i n d u c t a n c eo ft h ea s ci s a d j u s t e dt ot h ev a l u et h a ti n c r e a s e st h eo v e r - c o m p e n s a t i o no r u n d e r c o m p e n s a t i o n l e v e l w h e nt h e s i n g l e p h a s eg r o u n d f a u l t o c c u r s ，i no r d e rt o e x t i n g u i s h t h e a r c ，t h ei n d u c t a n c ei sa d j u s t e d r a p i d l y t ot h ev a l u et h a tc a u g e st 1 1 e r e s o n a n c e i nt h ep r a c t i c e ，t h en o v e lm e t h o di se f f e c t i v e i nt h en o v e lm e t h o d ，t h e p a r a l l e l o rs e r i e sr e s i s t o r sb e i n ge m p l o y e df o rt h eo v e r - v o l t a g ea v o i d a n c ea tt h en e u t r a lp o i n ti n e x i s t i n ga s cs y s t e ma r eo m i t t e d ，w h i c hs o l v e sm a n yp r o b l e m sf r o mt h er e s i s t o r s a c c o r d i n g t ot h ef a s ta d j u s t a b l ec h a r a c t e r i s t i co f t h ea s c s y s t e m ，t h i st h e s i sp r e s e n t s t h en o v e lm e t h o df o rt h es e l e c t i o no ft h es i n g l e p h a s eg r o u n dt h u l tl i n ei nt h en e t w o r k ，i n w h i c ht h ec h a n g e so f z e r o s e q u e n c ec u r r e n t so f l i n e sa r ee m p l o y e dt os e l e c tt h ef a u l tl i n e t h en o v e lm e t h o di sa l s oa d o p t e di nt h ep r o p o s e da s c s y s t e m s i np r a c t i c e t h ef a u l tl i n e i sc h o s e nc o r r e c t l yb ym e a n so ft h ed o v e lm e t h o d t h ep r o b l e mo ft h es e l e c t i o no ft h e s i n g l e - p h a s eg r o u n d f a u l tl i n ei nt h ee x i s t i n ga s c s y s t e mh a sb e e ns o l v e ds u c c e s s f u l l y p r o b l e m sa b o u tt h ed e t e c t i o no ft h e s i n g l e - p h a s eg r o u n d f a u l t o c c u r r e n c e ，t h e m e a s u r e m e n to ft h el i n e t o - - g r o u n dc a p a c i t a n c ea n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo f t h en o v e la s ca r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h ea s cs y s t e mh a sb e e ni no p e r a t i o na n d t h eb e h a v o u ri s g o o d t h ec o n c l u s i o n i sm a d ee a s i l yt h a tt h en o v e la s cs y s t e m ， p r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，m a yh a v et h eg o o dp r o s p e c ti nt h er e f o r m a t i o no fc i t yd i s t r i b u t i o n n e t w o r kj dt h en e a rf u t u r e i n d e xt e r m s ：t h y r i s t o r , a r cs u p p r e s s i o nc o i l ，p r o t e c t i o no f s e l e c t i n g f a u l tl i n e 1 绪论 我国配电网过去多采用中性点不接地方式运行。随着城市发展，配电网不 断增大、延伸，以及城市配电网中越来越多地使用电力电缆，同时配电网中压电气 设备增多，因而导致配电网单相接地故障电流剧增和单相接地故障频繁发生，据初 步统计单相接地故障约占系统故障的7 0 以上。由于单相接地故障电流过大，不能 自动熄灭，造成故障处绝缘破坏，常常引发两相或三相短路造成停电事故。配电网 中性点不接地系统中常常发生的闪络以及单相接地后的多重接地事故的发生引起 人们极大的关注。电力系统的中性点接地系统是一个综合性的技术问题，它与系 统的供电可靠性、人身安全、绝缘水平、继电保护、通信干扰等问题有着密切联系 目前我国配电网采用的中性点接地方式有：中性点不接地系统、中性点经消 弧线圈补偿接地系统、中性点经电阻接地系统、中性点经电抗器接地系统和中性点 直接接地系统等f l 2 】。这些接地系统对于不同的配电网，其经济性、实用性、运行可 靠性各有利弊，因此这几种接地系统在我国均有运行的实例。在中压配电网系统中 中性点经消弧线圈补偿接地系统应用较多。 在6 0 千伏以下的配电网中，在时苏联和欧洲中性点经消弧线圈补偿接地系统 应用十分广泛，而美国和英国大多采用将中性点直接接地或经小电阻接地( 3 1 ；已形 成了中性点接地系统两大流派。这两种接地系统延续到今天，有其深远的历史原因。 1 9 1 6 年左右，电力工业发达的德国和其他西欧国家采用了小电流接地系统( 中 性点不接地，谐振接地或大电阻接地) 。与此不同，电力工业发达的美国则采用了 中性点直接接地或经小电阻接地。美国也承认谐振接地系统的诸多优点，过去不采 用该接地系统的主要技术原因是继电保护存在技术问题。随着时间的推移，各国之 间相互交流运行经验，情况有所改变，但各国电力系统的主要运行方式却并未有根 本性变化。 电力系统早期中性点不接地，是因为当出现单相接地故障时，系统可以继续 运行一段时间，而不必立即切除故障线路，使人们赢得时剧找出故障并修复，从而 减少了停电事故。但是随着电力系统的不断扩大，电容电流也随着增大，越来越多 的瞬间接地故障不能随即自动消除，往往还会导致故障的扩大。1 9 1 6 年，德国人彼 得生首次提出并随后研制成功消弧线圈( 即彼得生线圈p e t e r s e n c o i l ) ，经消弧线圈 补偿接地的电力系统谐振接地系统，它是电力系统中性点不接地系统发展到一定规 重庆人学博十论文 模后的必然产物。中性点经消弧线圈补偿接地系统又叫谐振接地系统。在这种配电 网运行方式中，使用消弧线圈的目的是补偿配电网中的接地容性电流，从而使单相 接地故障电流被补偿到较小的值，因此使得般情况下接地时的电弧不能维持，而 且在电流过零时电弧会熄灭，消弧线圈的存在还能显著减缓故障相电压的恢复，减 小电弧的重燃，使单相接地故障可以自动消除。消弧线圈的应用，使单相接地故障 引起的停电事故大大减少，也减少了多相短路故障。 消弧线圈早期是带分接头的电感线圈，用于调节电感量使之基本补偿接地故 障点的电容电流。1 9 2 4 年德国柏林的一家电力公司出现了人工操作的监视配电网调 谐状态的装罱，随后出现了利用不同原理制成的监视装置；1 9 4 1 年德国的 p w l d v 0 g e l 在b r o w nb o v e r ir e v 上发表了用附加电源原理制成的电动机自动 调节柱塞式消弧线圈的使用情况【4 】，1 9 4 3 年德国的a v a ng a s t e l 在同一刊物上 发表了利用附加电源原理自动调节消弧线圈抽头装置的使用情况f 4 1 ，1 9 5 0 年德国的 w , k r a e m e r 在v d ef a c b b e r 发表用中性点最大位移法连续自动调节消弧线圈装 置的情况，这些装置均采用继电器控制【5 1 。 德国、日本、前苏联、罗马尼亚等国家，七十年代以后对自动补偿连续调节 消弧装置做了大量的研究工作，并取得了突破性进展。原西德采用了曲折变压器的 中性点经消弧线圈补偿接地系统，并配以能反映电流幅值的选择性接地保护装置。 同本采用消弧线圈并联电阻方式刮。前苏联采用a k t - 6 型自动调谐补偿装置，可对 4 0 a 以下接地故障点电容电流的网络进行补偿，补偿后的残流仅为o 5 a 。 进入上世纪八十年代，德国的通用电力公司有了自动调节装最的系列产品， 用电子线路取代了继电器。前苏联也开始根据自己国家的情况研制用不同原理自动 调节消弧线圈的装置，并先后有各种专利和文献出现，直至上世纪九十年代世界各 国还有论述这方面的文章。鉴于配电网中性点经消弧线圈补偿接地系统的优点，我 国也研制了许多不同方式的消弧线圈和自动调谐装置，并在接地保护方面作了大量 工作，提出了各种接地保护的方法，并依据这些方法设计了多种类型的接地选线保 护装置。改革开放以来，我国引进了大量的国外设备，由于各个国家的接地系统不 同，各国设备的设计标准依据不同，特别是设备的耐压等级，要使用这些设备t 首 先必须决定电力系统的接地系统。因此引起我国专家对接地系统的选择存在争议， 各执己见。有的大城市已局部将配电网的中性点不接地系统改为小电阻接地系统， 以消除间隙电弧过电压，减少异相接地的发生。也有的改为大电阻接地系统，以消 除谐振过电压的危害。但是大部分配电网仍采用经消弧线圈补偿接地系统。 在我国，6 k v 3 5 k v 配电网一般均采用中性点不接地或经消弧线圈补偿接地 系统，我国电气设备设计规范中规定3 5 k v 配电网如果单相接地容性电流大于i o a ， 3 k v 1 0 k v 配电网如果接地容性电流大于3 0 a ，都需要采用中性点经消弧线圈接地 1 3 o 对消弧线圈补偿接地系统的要求是：在f 常运行时，中性点位移电压不能超过 额定相电压的1 5 ，故障点的残余电流分别不能超过5 a 。 对于6 k v 经消弧线圈补偿接地配电网的单相接地残流值，我国现行规程规定 不宜超过1 0 a ，德国通常要求不大于4 a ，瑞典要求不大于5 a ，我国煤炭部颁柿的 消弧线圈运行规程规定不大于5 a 1 7 1 ，有文献提出接地故障电流不大于4 a 为好i s , 9 1 。 1 1消弧线圈补偿接地系统现状 较早的配电网运行方式变化较少，消弧线圈调节好后不需改变即可达到较好 的补偿效果，故常采用离线手动调节方式。随着配电网规模的扩大，系统运行方式 改变频繁，这时需采用在线调节方式，可以达到较好的补偿效果。下面就在线、离 线调节方式以及消弧线圈补偿接地系统的优点等方面加以阐述。消弧线圈补偿接地 系统的优点有以下几点 7 j ： ( ) 经消弧线圈补偿接地后，能搜单橹接地故障点流过的f 包流减小，减缓 故障相电压的恢复速度，减小了弧光接地过电压的危险，有利于单相瞬时接地故障 处电弧熄灭从而避免了故障跳闸，提高了配电网的可靠性。 ( 2 ) 由于中性点经消弧线圈接地减小了接地点的电流，也就减轻了设备的 损坏程度，抑制了电弧的扩散范围，配电网单相接地后仍能继续运行一段时间( 规 程允许运行时i l 自j 为2 小时) ，使操作人员能够从容不迫地查明原因并做出恰当处理。 ( 3 ) 中性点经消弧线圈接地可以根沿电压互感器p t 引起的铁磁谐振，不再 需要其他消谐措簏。因为消弧线圈电感l x 与电压互感器励磁电感l p 相比，要小得 多，相差好几个数量级，在零序回路中，l x 和l p 是并联的，所以l p 几乎被l x 短接，l p 因饱和引起的三相不平衡，也不会产生过电压。 ( 4 ) 经消弧线圈接地，减小了接地故障电流，从而创造了配电网电磁兼容 环境。输电线路电磁场对通讯与信号系统的干扰问题是相当严重的。每条交流输电 线路的周围都建立了交变电磁场，而交变电磁场又在邻近的导体回路中感应出电 压，当这种回路是位于高压输电线路附近的通信线路或信号系统时，感应电压就会 造成严重的干扰，甚至危及工作人员的安全或引起信号装置的误操作。 消弧线圈补偿接地系统中园消弧线圈的接入改变了配电网参数，使综合零 序阻抗变得很大，从而减小对音频的干扰。发生单相接地故障时接地故障电流的分 重庆人学博十论文 布与故障点无关，而仅取决于消弧线圈的安装地点及其相对位置，可以设法调节接 地故障电流的分布，使电磁感应部分得以相互抵消。 ( 5 ) 经消弧线圈补偿接地对人身安全威胁较小，当发生单相接地故障时， 由于单相接地故障电流被消弧线圈补偿掉，故稳态单相接地故障电流变小，从而故 障点的接触电压和跨步电压降低，不会危及人身安全。 1 1 1 离线式消弧线圈补偿接地系统 随着国民经济的发展，我国城市配电网己改变了过去以架空线为主，而形成 了以电缆为主的局面；同时还投入了一些新型设备，如结构紧凑的封闭式s f 6 丌关 柜，交联聚乙烯电缆以及氧化锌避雷器等，使得配电网的运行方式经常改变。采用 离线式手动调节消弧线圈补偿接地系统已经不能满足要求，其主要缺点表现在 1 0 ) ( 1 ) 调整频繁，操作繁琐 当配电网运行方式改变后，不能自动连续地跟踪配电网参数变化进行最佳补 偿，难以及时调整脱谐度，操作不便，缺乏灵活性。 ( 2 ) 脱谐度测量困难 传统电容电流的测量采用单相金属接地法或中性点外加电容法，测量时要花 费较大的人力物力而且有一定的风险，所以一般很少测量其脱谐度。只有使用估 计值运行，以致常常运行在不允许的脱谐度之下，造成较大的中性点位移过电压， - - 一i ：1 发生单相故障接地将难以做到对接地电容电流的最佳补偿。 ( 3 ) 调谐不当易产生谐振过电压 采用中性点经消弧线圈补偿接地系统，若脱谐度控制不当，配电网正常运行 时，则可能出现谐振，谐振对：过电压的幅值会较高：持续时间会较长。对设各绝 缘和间隙氧化锌避雷器的安全运行具有严重的威胁。 ( 4 ) 继电保护装置动作困难 采用中性点经消弧线圈补偿接地系统，系统零亭电抗与币序电抗的比值大( 大 于4 5 ) ，单相接地故障电流很小，其值与零序电流滤过器的不平衡电流相差不多， 因而很难用普通的零序电流和零序电流方向继电器柬判断故障线路，为实现接地选 线保护带柬一定困难。 由于离线调节式消弧线圈补偿接地系统存在的上述缺陷，给消弧线圈补偿接 地系统提出了新的研究课题，随着计算机控制技术的突飞猛进的发展，配电网经消 弧线圈补偿接地系统的研究进入了一个高速、深入发展时期，出现了各式各样新型 的消弧线圈结构和控制方式。 1 1 2 在线调节式消弧线圈补偿接地系统 为了克服离线式消弧线圈补偿接地系统的缺陷，专家们正在追求在线调节的 消弧线圈结构，以满足在线自动跟踪配电网运行方式变化的调谐方式。先后设计了 多种应用不同原理实现自动调节的消弧线圈，以下将分别简要介绍。 1 调隙式消弧线圈【1 , 1 2 由上海交通大学高压实验设备研究开发中心和北京煤炭设计研究院联合开发 的自动跟踪补偿消弧成套装置是投入较早的种国产设备。z x b - - 6 k vl o k v 自动 跟踪补偿消弧装置在徐州矿务局权台煤矿和信阳局五罩暾变电站投入运行( 1 9 9 6 年6 月) 以来，使供电可靠性有较大提高刀，在离线调节式消弧线圈的基i t t l 上有了 较大突破。 该套装置主要由三部分组成： ( 1 ) 接地变压器：用于引出配电网中性点，次绕组采用曲折型接法。 ( 2 ) 可调消弧线圈：用调整铁心气隙的方式，实现连续无绂电感调节；消弧 线圈串联电阻接地，用于阻尼配电网正常运行时可能出现的谐振过电压，限制弧光 接地过电压。 ( 3 ) 计算机控制部分：该装置可自动检测电容电流，采用闭环控制对消弧线 圈进行连续无级跟踪调节，实现对电容电流的最佳补偿。 该装置存在的主要缺点和不足之处： ( 1 ) 连续调节磁路间隙来获得变化的电感的工作原理要求采用较精密的机 械传动机构，响应速度慢，噪声较大。同时，当发生故障时，由于消弧线圈中通过 很大的补偿电流，其产生的磁场力足可将铁心吸住，使陔装置不易在发生故障( 单 相接地) 后继续跟踪补偿接地容性电流。 ( 2 ) 缺少单相接地故障选线装置。 2 调匝式消弧线圈1 1 3 i 重庆人学博十论文 上海交通大学电机系等单位研究开发的微机控制自动调谐装置采用了有载开 关调匝式消弧线圈，如图1 1 所示。该装置的接地变压器采用曲折型结构，采用1 4 档有载开关的调匝式消弧线圈，配以8 0 9 8 为核心的微机控制器，可实时监测配电 网接地故障电容电流。当电容电流发生变化时，自动调节消弧线圈的分接头，使残 流限制在允许范围内。为了实现全补偿工作，当配电网正常运行时，消弧线圈串联 一个电阻，以抑制配电网的中性点位移电压，把过电压水平限制在允许值【9 1 ( 2 6 倍帽电压) 以下。取串联电阻足= “ 。j丽1，c 。为配电网单相接地电容值 消弧线圈串联电阻后可以全补偿运行，当配电网发生单相接地故障，继电器常开触 头j c 延迟一些时怕j 闭合将电阻短接。 该装置存在消弧线圈电感量不能连 续调节，因而消弧线圈不能在整个调节范 围内均运行于最佳补偿状态；需要装设体 积较大的有载调节开关，且降低了操作可 靠性；接地电阻的短接容易出现问题，短 接电路旦发生故障易引起接地电阻发生 爆炸。 3 直流助磁式消弧线圈眦。1 , 1 4 1 消弧线圈l接地电阻 厂。矾叮t t r 芒叫“ f k b f 一一 【有裁并关。j “ ：霄守= 寻胃= = ；警嘲 糕奚鼋奚蔫 ! j l l y v v 、jo 一，o 、o i，。、一j【，。、 图1 1 接地变压器与消弧线罔连接示意闰 f i g 1 it h ec o n n e c t i o nd i a g r a mb e t w e e n g r o u n d e dt r a n s f o r m e ra n da s c 直流助磁式消弧线圈采用直流助磁原理连续调节消弧线圈电感量，这种线圈 是在交流工作线圈内布置一段铁心磁化段，通过改变铁心磁化段磁路上的宜流助磁 磁通大小来调节交流等值磁导，实现电感连续可调的目的。 这种消弧线圈的优点是：无传动装置，即为静止调节方式；响应速度较快 调节范围较宽，交流等值电感线性度好。 其缺点是：需要附加电源，设计、制造技术复杂，造价成本高；需要直流励 磁，能耗大，控制复杂，长时间强励磁会使铁心过热。这种结构消弧线圈在前苏联 配电网中曾被采用，在我国未见应用。 4 三相五柱式消弧线圈5 1 6 1 9 9 4 年3 月，由中国矿业大学和邢台矿务局共同研制开发的x b s c 卜( 1 0 ) 5 0 型自动跟踪补偿消弧线圈( 9 5 年6 月专利授权，专利号c n 2 2 0 2 3 6 9 y ) 和w l d 一4 型接地保护装置它的主要技术特点如下： 1 绪论 ( 1 ) 采用了一种全新思路的可连续调节电感值的消弧线圈，如图l _ 2 所示。 其最大特点在于用磁路将接地变压器和消弧线圈融为一体，通过接触器c l 或c 2 使电感l l 或l 2 接入实现消弧线圈电感量的粗调节，再经过控制晶闸管导通角以改 变电感”的等值电感量实现消弧线圈电感量的细调。该系统既能在单相接地故障 前“预调谐工作方式”，也可在发生接地故障时调谐，因而可以较好地保证在接地 故障时对接地容性电流变化的自动跟踪补偿。 ( 2 ) 在三相五柱式消弧线圈的二次 绕组回路中，电阻r 经接触器常闭触头c 3 并联于电感两端。电阻r 有两个作用，一 是降低配电网中性点位移电压和抑制电弧 接地过电压，与其他类型消弧线圈串联电 阻的作用类似；另一个作用是为零序有功 电流接地选线保护装置提供一个有功分 量，从而解决消弧线圈补偿配电网接地选 线保护问题，当配电网发生单相接地故障 时，接触器c 3 延迟6 秒( 其专利权利要求 书中第六条规定延迟6 秒后切除电阻) 后 将并联电阻r 切除，使接地点电容电流被 完全补偿。 图12 二相五柱干式消弧线周 f i g i 2t h et h r e e p h a s ef i v e - c o r ea s c ( 3 ) 采用使中性点位移电压最大的调谐原理自动跟踪配电网的电容电流变 化。当单相接地故障时，依据故障支路的零序电流的大小和方向来调谐。在确定接 地线路后，利用每条支路的零序电流互感器的二次信号实现对电容电流变化自动跟 踪补偿。 ( 4 ) 接地选线保护采用零序有功电流分量原理1 1 7 1 。 该系统由于需要设置相应地粗调电感支路，因而只能适用于运行方式变化不 大的特定网络，且由于存在需并接电阻和使用接触器等带来的一系列问题。 5 调容式消弧线圈 顺特电气生产的x h s c z t g 、x h s c z t f 、x h d c z t g 、x h d c z t f 型自动调 谐消弧线圈接地装置，采用晶闸管技术和p l c 控制器，可准确测量配电网线路的 对地容抗，快速自动补偿单相接地电流，补偿效果好，运行可靠性高，可大大提高 配电网的供电可靠性。 重庆人学博十论文 = ! ! = 目# ! = s _ 。自! ! = ! 自= = 自# _ 目目e = 一! 装置由干式接地变压器、干式消弧线圈，三相隔离开关，单相隔离开关，电 容补偿柜，自动调谐控制器等组成。 c 1 ，c 2 ，c n 相串联的 一。一一 图1 3 凋容式消弧线圈原理图和等效电路图 支路。t l ，t 2 ，t n 工 f i g 。| , 3 t h e ：j ：? 茹露詈：篡o 。i 1 1 w “i l t h 。等美? 嚣t s 作在两种状态：全导通或者 。q “l e n t c i r c u i t 全关断，晶闸管是作为快速开关来使用的。c l ，c 2 ，c n 的容量按照2 0 ：2 1 ： 2 2 ：2 ”1 来配茕，分别为c i ，c 2 = 2 1 c l ，c n = 2 ”c 。改变t l ，t 2 ， t n 的导通和关断状态，可接入2 ”种组合的二次电容值，这些电容的容量在o k v a r ( 2 “一1 ) x k v a r 之间等差改变。根据变压器阻抗变换原理，则消弧线圈一次就可以实现 2 “级电流等差调节。 调节级差为m = x u o ，其中x 为二次侧第一个并联支路的电容容量，即c 的容量；u o 为消弧线圈两端的电压。 控制器根据中性点位移电压和消弧线圈流过的电流信号测出配电网对地容 抗，判断在配电网发生单相接地故障时，消弧线圈应工作在哪个级位，并控制t i ， t ，t n 晶闸管的导通和关断组合柬配胃消弧线圈的级位，以降低接地点贱流， 实现了灭弧功能。在配电网由故障恢复到f 常运行时，控制器根据中性点位移电压 的下降和三相母线电压的上升过程来判定故障消除，随即退出故障状态，这时所有 的晶闸管不导通，消弧线圈等值感抗最小，接地装置工作在过补偿的最大脱谐状叁。 此装置的优点为：响应速度快，实现补偿的时阳j 不超过5 0 m s 。调节范围宽， 可在l o 1 0 0 最大补偿电流范围内任意调节，级位的调节一次到位，相邻级位电 流差为3 a 。在线实时监测，自动跟踪补偿，动态调谐，无需阻尼电阻，解决了投 切电容时的过压和过流问题。装置成套化、无油化。 此装置的缺点为：采用按级调节而非连续可调，因而残流较大，而且成本较 高，若接地电流越大，所需要的晶闸管和电容越多。 6 高短路阻抗变压器式消弧线圈 广州智光公司研制的k d x h o i 快速自动跟踪消弧系统采用全新的高短路阻 抗变压器式可控消弧线圈( 已获两项专利申请号：0 0 2 2 7 5 5 1 1 ，0 0 2 2 7 9 5 6 8 ) 及高性 能的新型控制器，配以先进的小电流接地选线装爱，可实时自动跟踪配电网的变化 并自动检测配电网的电容电流：当有单相接地故障发生时，能自动快速进行补偿使 瞬时性单相接地故障得以快速消除，并选出接地故障线路；对瞬时性单相接地故障 具有较好的补偿效果。对非瞬时性单相接地故 障，该系统会自动识别出并快速( 小于1 0 秒) 对所选出的线路实行跳闸同时自动暂时闭锁该 线路原有的重合闸控制( 用户可用压板方便地 随时取舍该跳闸功能) ；它也可以按传统消弧线 圈接地方式持续运行2 小时。单相接地故障消 除后便自动快速退出补偿，并能自动打印出接 地故障时剧、接地线路代码、是否跳闸、中性 点位移电压、补偿电流、电容电流等信息；是 一种新型的性能优良的配电网中性点补偿装 置。 j l 匦。 图l4 高短路阻抗变乐器式可控消 弧线罔结构原理图和等教电路图 f i g 1 4t h ed i a g r a mo f t h e c o n t r o l l a b l eh i g hl e a k a g ea s cw i t h t h et r a n s f o r t n e rs t r u c t u r ea n dt h e e q u i v a l e n tc i r c u i t k d x h 0 1 消弧线圈输出的补偿电流在0 1 0 0 的全量程范围内都可连续无级 调节，伏安特性在o 1 1 0 全电压范围内保持极佳的线性度。基于消弧线圈调节速 度快的特点，k d x h 0 1 系统在非单相接地故障情况下可工作于远离谐振点的区域， 因而不必担心因消弧线圈的电感与配电网的接地电容串联谐振而产生过电压，故不 须设置阻尼电阻，既提高了系统的安全可靠性又简化了设备。 k d x h 0 系统由接地变压器、高短路阻抗变压器式可控消弧线圈、控制器及 小电流接地选线装置构成。 高短路阻抗变压器式可控消弧线圈铁芯为两柱式，线圈套于有气隙的铁心上， 漏阻抗很大。使其在较宽电流范围内保持线性。结构简单，不带任何转动或传动机 构，其结构原理图和等效电路图见图1 。4 。消弧线圈的一次绕组作为工作绕组( n w ) 接入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组( c w ) 接两个反向连接的晶闸管( s c r ) ， 晶闸管的导通角由触发控制器控制。陔消弧线圈的短路阻抗高达1 0 0 。调节晶闸 管的导通角由0 至9 0 0 之间变化，晶闸管的等效阻抗z s c r 就在无穷大至零之间变化 ，则n w 上的等效阻抗z e q 就在无穷大至消弧线圈的短路阻抗z x 之间变化，而 其中的电流就在零至额定值之阳j 得到连续无级调节。设置了专门的有效设施抑制晶 闸管导通时产生的谐波，使输出的电流保持为工频电流。具有两个独特的优点：其 重庆大学博士论文 一，因采用短路阻抗而不是励磁阻抗作为工作阻抗，因而其伏安特性可在o - 1 1 0 全电压范围内保持极佳的线性度；其二，因采用晶闸管控制，因而其响应速度极快。 小电流接地选线装置用于选出单相接地故障线路。目前选用山东工业大学研 制的t y - 2 b 型小电流接地选线装置作为k d x h 型消弧系统的配套设备。陔装置采 用注入法原理，由主机发出高频电流通过母线p t 注入配电网中，通过接地故障线 路与大地形成回路，再由安放在各条线路出线附近的探测器检测出电磁信号，从而 确定接地故障线路。抗干扰性强，对经消弧线圈补偿接地系统在接地电流很小的情 况下效果仍很好，而且安装方便，不需使用零序c t 。由于其消弧线圈谐波比较大， 所以需要另增额外的滤波电路。 1 1 _ 3 现有在线调节式消弧线圈的调谐控制方式的特点 本论文将日口述6 种在线调节式消弧线圈补偿接地系统工作方式归为两类：前 4 种归为一类将其称之为“预调谐工作方式”；后两种归为一类将其称之为“脱谐工 作方式”。“预调谐工作方式”有两个共同特点： ( 1 ) 由于消弧线圈的电感量改变较慢( 例如前述的抽头式消弧线圈完成有 载开关换接抽头的过程大于1 5 秒) ，在发生单相接地故障时为了能及时实现补偿， 必须在配电网正常运行时，跟踪检测配电网对地电容电流并调节消弧线