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自动跟踪补偿消弧线圈装置的原理和应用


电气安全 lE cr  fy  lt Se  e i at c

自动跟 踪 补偿 消 弧线 圈装 置 的原理 和 应 用 
简单 介绍 了电力 网络 中性点 的接地 方 式 ,3—6   V 不  6k
接 地 系统 和经 消弧线 圈接地 系统 的特 点 ,单 相 接地 故 障 时 

流超 过一定 数值 时 ,应采

用 消弧 线 圈接 地 
方式 。  

对 地 电容 电流 的计算 方 法 ,消 弧线 圈接 地 系统 电容 电流 补  偿 运行方 式 以及 中性 点 电压 位 移情 况 ;分 析 了不接 地 系统  在 单相接 地故 障时对 地 电容 电流超 标 所 带来 的 危 害和 消 弧 
线 圈接 地 系统 解决 电容 电流危 害的原 理 ;结合 我 国 消 弧线 

受历史 条件 的制 约 ,在 自动 跟 踪补 偿  消弧 线 圈装置 出现之 前 ,消 弧线 圈 的 电感  值 固定 ( 分成 几 个 固定 的分 接 头 ) 或 ,除 
不 能随 时跟踪 系统 电容 电流 的变 化 ,补偿 

圈装置 的最新 发展 情 况 ,重 点 介 绍 了 自动 跟踪 补 偿 消 弧线  圈装置 的 系统 构成 、 工作 原 理 、基本 类 型 、接 地 选 线原 理  以及 主要参数 的性 能 要 求 ,并 以某 1  V 系统 为例 。阐述  0k 了K D—xH 高短路 阻抗型 自动 跟踪 补偿 消弧线 圈装置 的设  计应 用。  
杨平国 南 / 京扬子石油化工 设计工程有限公司  

不 易精 确 ,不 能实 现 自动 化 ,不满 足 无人  值 班要 求外 ,还存 在调 节 不方 便 、调 节判  断 困难 及容 易引起 谐 振等 问题 。为此 ,广  大 电力 工作 者经过 多 年研 究 ,开发 出 了多  种类 型的 自动跟踪 补偿 消 弧 线 圈装 置 ,并 
取得 了广泛 的运 用 ,为 电力 系统 的安 全运  行发挥 了 巨大 的作 用 。  

随着 国 民经 济 的 发 展 ,电力 系 统 的 
安全 运 行 及 供 电 可 靠 变 得 越 来 越 重 要 ,   而 中性点 接 地方 式 的选 择是 直 接 影 响 以  

中性 点 不接 地 系统 
1 .中性点 不接 地 系统  该接 地方式 实现 简 单 ,不需 要 在 电源 

上 两个指 标 的重要 因素 。就运 行 特 性 而  言 ,接地 方式 可 归 纳 为 两 大 类 :一 类 为 
有 效接地 系统 ,即所谓 大接地 电流 系统 ,  

中性 点 与 地 之 间 接 任 何 设 备 ,如 图 1所 
示 。供 电变压 器 3  V侧 的三相 绕 组 一般  5k 是 星形联 结 ,中性 点在 一定 条件 下 可 以对  地 绝缘 ,采用 这种 接地 方式 的供 电系 统就  称 为 中性 点 不 接 地 系 统 ;供 电变 压 器 l  O ( )k 6 V侧 的 三相 绕 组 是 三 角形 联 结 ,没 

包 括直 接接地 和经 低值 电抗器 接地 系统 ;  
另一类 为非 有 效 接地 系 统 ,即所 谓 小 接  地 电 流 系 统 ,包 括 不 接 地 、谐 振 接 地  ( 即经 消 弧 线 圈接 地 ) 和 经 高 值 阻 抗 接 
杨 平 国/ 程 师  工

地 系统 。  

有看得 见 的具体 中性 点 ,这 种 方式 也 是 中 
性点不 接地 方式 ,采用 这种 方 式 的供 电 系  统也 称作 为 中性 点不 接地 系统 。  
6k V 

长期 以来 ,我 国 3~ 6k 6  V的配 电 网 

大 多采用 中性 点不 接 地 方 式 运 行 ,但 随 
关键 i K y o s 着 城乡建 设 发展 的需 要 和供 电负 荷 的增  r ewr   T J / d 接地 系统 ? 加 ,电网不 断扩 大 ,电缆 出线 数 量 迅 速    接地变后器 ? 增 多 ,系统 对地 电容 电流 急 剧 增 加 ,单    消弧线 固 ? 相 接地 故障 发 生后 流 经 故 障 点 的 电流 较    自动跟踪 补偿 ? 大 ,实 际 已不 能满 足 电 网安 全运 行 的要   

图 1 中性 点 不 接 地 系 统   

求 。根 据 电力行 业 标 准 D /  2 - 1 9  LT60 97

当系统 中没有 故 障时 ,平 衡 三相 系统 

《 交流 电气 装 置 的过 电 压 保 护 和 绝 缘 配  合》 中第 3 12 . . . . 、3 1 3条 的 明确 规 定 :  
3~ 6 k 6  V系统 ,当单相 接 地故 障 电容 电 

的 中性 点 电 位 等 于 地 电 位 。在 这 种 情 况 
下 ,三相导 线对地 电压相 等 ,都 等 于相 电 

压 。系统 中发生 单相 接地故 障时 ,只有 三 

3 l 6 

与闭 ? 化电 2 9 第2卷第1期 石 气?0 年 8 0 0 

自动跟 踪 补偿 消 弧线 圈 装置 的 原 理 和 应 用 

E cr a l 』电气安全  l t Sfy e i e c
压互 感 器引起 的铁 磁 谐振 ,造 成 电压 互 感 器 损坏 ,   或烧 掉其 熔 断器 。  

相对 地 电位 发 生 变 化 , 即 中性 点 的 电 位 升 至 相 电  压  ,而 另外 两 健 全相 导 线 对 地 电位 升 至 系 统 线 

电压 ,即健全相 的绝 缘将 受到 比正常 电压 大√ 倍   
的 电压 ,如 图 2所 示 ,并 不 中断 向 用 户 供 电 ,可 

( ) 弧 光 接 地 会 引 起 过 电压 ,其 幅值 最 高可  3
达 3 5倍 相 电压 。 .  

带着 单相 接地 故 障运行 一段 时 间 ( 般 可为 2h 。 一   ) 

( ) 接 地 点 电流 过 大 会 增 加 跨 步 电压 ,从 而  4

造成 人 身伤 害 。  
3 .电容 电 流的计 算 方法 

( ) 电缆 线路 电容 电流 的计 算 方 法 主 要 有 以  1
下 两种 :  

1 )根 据单 相对 地 电容 计算 电容 电 流 

, √Ut c= 3 N C×1  (   o 0 A)

~ 一

() 1 



 

1  

式 中,  

为 电 网额 定线 电压 ,k V;C为单 相 对 地 

电容 ,F 。一般 电缆 单位 电容为 2 0~ 0  F m。 0 4 0p /  
( ) 示 意 图  a

2 根 据经 验公 式计 算 电容 电流  )
, 0 1  (    = .  L A) U () 2 

式 中 ,,为 电缆 长度 ,k   J m。

( )架 空线 路 电 容 电流 的计 算 方 法 主 要 有 以 2  
下 两种 :  

1 根 据单相 对 地 电容 ,计算 电容 电流  )

, = 3 N C× 0 ( ) c 4 Ut 1 A  o  


() 3 

般架 空线 单位 电容 为 5~   F m。 6p /  
, c=( . 3 3 U LX1  (   2 7~ . )      0 A) () 4 

2 根据 经验 公 式计算 电容 电流  )

( b) 向 量 图 

式 ( ) 中 ,2 7系 数适 用 于无 架 空 地 线 的线  4 . 路 ;3 3系 数适 用于 有架 空地 线 的线路 。 .   同杆 双 回架 空线 电容 电流 ,。 1 3~16 , ,   =( . . )  

图 2 中 性 点 不 接 地 系 统 的 单 相 接 地 故 障   

2 电容 电 流 危 害  .

由于输 电线 路 和 电 机 电 器 的导 电部 分 对 地 存 

其 中 ,13系数适 用 于 1  V 线 路 ;1 6系数 适 用  . 0k .
于 3  V线路 。 5k  

在分 布 电 容 ,所 以发 生 单 相 接 地 故 障 时 ,故 障 点 
存在 接地 电容 电流 ,。 当 线 路 很 长 ,特 别 是 电缆    线路 时 ,接地 电 容 电 流 ,  会 很 大 ,一 般 大 于 1    0A 时 ,接 地 电 弧 不 但 不 能 自动 熄 灭 ,还 会 带 来 其 他 

( ) 变 电所 ( 期 ) 电容 电流 增 大率 随 电 网  3 远
额 定 电压 变化 如 下表所 示 。  
表  变 电 所 电 容 电 流 增 大 率 
6  
l  8

相 关 的危 害 。从 图 2可 以看 出 ,单 相 接 地 电流 的 
成 分基 本 上 为 容 性 电流 ,所 以单 相 接 地 电流 危 害  又称为 电容 电 流 危 害 。 电 容 电 流 危 害 主 要 表 现 在 
以下几 个方 面 :  

  ;

1  0
l  6

3  5
l  3

中性 点 经 消 弧 线 圈接 地 系统 
1 .中 性 点 经 消 弧 线 圈接 地 系 统 

( ) 电弧接地 过 电压 持续 时间 长 ,影 响面 大 , 1   对线 路绝 缘 薄 弱 点 和 带 有 直 配 线 的 发 电 机 绝 缘 威 

如 图 3所 示 ,中 性 点 经 消 弧 线 圈 与 地 连 接 的  接地 方式 叫做 中 性 点 经 消 弧 线 圈 接 地 ,采 用 这 种 

胁很 大 。单 相 接 地 故 障存 在 时 问 越 长 ,往 往 会 发 
展成 两相 短路 事故 。   ( ) 中性点 不 接 地 系 统 中还 常 发 生 电 磁 式 电  2
W WW. eag t e. om .   cn

接 地 方式 的 供 电系 统 称 之 为 中 性 点 经 消 弧 线 圈接 
地系统。  

20 年5 09 月下‘ 石化电   气?

昌‘ l3  {  7 】

电气安全 lE cr a t   l t Sf y e i e  c
形成 。灭 弧后 由于 电容 上 的 电荷 经 消 弧 线 圈 电感 
放 电形成 慢 慢 衰 减 的 自由振 荡 过 程 ,弧 道 上 的电  压 ( m,n点之 间 的电压 ) 是缓 慢上 升 的 ,故不 容  易 发生重 燃 。  
l  c

( ) 示 意 图  a

图 4 消 弧线 圈 抑 制 弧 光 接地 过 电压 的 形 成 机 理等 效 电路   

3 .电 容 电流 补 偿 运 行 方 式  由 图 3可 知  , =, +,     c   () 5 

式 中 ,, 为 消 弧 线 圈 补 偿 电流 ;, 全 系 统 对 地     为
电容 电流 。 由于 , 与 ,    的相 位 相差 10 ,, 将 随  8。  

消 弧线 圈 的补 偿 程度 而变 化 ,因 此 ,故 障 线 路 零 
( b) 向 量 图 

图 3 中性 点 经 消 弧 线 圈 接 地 系统 的单 相 接 地 故 障   

序 电流 的大 小 及 方 向也 随 之 改 变 。 以下 反 映 了电  容 电流补偿 运行 的三 种可 能方式 :  

根据 目前 消弧 线 圈装 置 产 品 的情 况 ,消 弧 线 

圈是一 种 可 调 电感 线 圈 。在 系 统 正 常 运 行 时 ,消  弧线 圈的 电感值 处 于无 穷 大 或 为 一 定 的数 值 但 串   联一个一 定 阻值 的阻 尼 电 阻 ,此 时 系统 的运 行 特  点相 当于 中性 点 不 接 地 系统 ;而 当 系统 发 生 单 相 
接地故 障 时 ,消 弧 线 圈 立 即投 入 工 作 并 调 节 消弧  线 圈的电感 值 使 消 弧 线 圈 产 生 的 电感 电 流补 偿 了 

( ) 全补 偿 。 即 ,   1  =, ,接 地 电流 , 接 近 于    零 ,故 障线路 零序 电 流等 于线 路 本 身 的 电容 电流 ,   方 向 由母 线 流 向线 路 ,零 序 功率 方 向与 非 故 障线  路 完全 相 同。全 补 偿 时 ,w L=1 3 C,正 是 工 频  / ̄ o
串联谐 振 的条 件 ,如 果 由于 系 统 三相 对 地 电容 不 

对 称或 者断 路器三 相 不 同期 合 闸 时 出现零 序 电压 ,  
串接 于 ,和 3 J C之 间 ,串联 谐振 将 导致 电源 中性点 

接地 电容 电流 ,减 小 了接 地 故 障 电流 ,进 而 限制  了接 地故 障 电 流 的破 坏 作 用 ,使 得 残余 电 流 的接  地 电弧 易 于熄 灭 ,当残 流过 零 熄 灭 后 ,又 能 降低  故 障相恢 复 电压 的 初 速 度 及 幅 值 ,避 免 接 地 电 弧  的重燃 并使 之彻 底 熄 灭 。 另 外 , 由于 消 弧 线 圈 的 
投 入 ,接 地 故 障 残 流 较 小 ,不 致 于 引 发 相 关 的 如 

对地 电压 大 大 升 高 ,甚 至破 坏绝 缘 设 备 ,因 而一 
般不 采用这 种补偿 方 式 。  

( )欠 补 偿 。 即 , <, ,可 分 为 以 下 两 种情  2     .

况 :①如果 补偿 以后 的 接 地 电 流 , 于故 障线 路   大
本 身 的电容 电流 ,零 序 电流 方 向不 但 由线 路 流 向  

相 间短 路 等 扩 大 事 故 ,系 统 发 出接 地 信 号 ,值 班  人 员一般 可在 2h内选择 和排 除接 地故 障 ,保证 系   
统连续 不间 断供 电。  
2 .电 容 电流 危 害 

母线 ,大小 也 将 变 化 。② 如 果 补 偿 以后 的接 地 电  流 , 小 于故 障线 路 本 身 的 电容 电 流 ,零 序 电 流方   
向 由母 线流 向线 路 ,大小 将 减少 。上述 情况 表 明 ,   在 欠补 偿方 式 下 ,故 障 线 路 零 序 功 率 的方 向是 不  固定 的 。同 时 ,考 虑 到 因系 统 运 行 方 式 变 化 ,系  统 电容 电流 减少 时 ,又 可 能 出现 串联 谐 振 ,因此 ,  


从 图 3可 以看 出 , 电感 电流 流 经 接 地 点 与 电 

容 电流抵 消 ,使 接 地点 残 流 降 低 。一 般 来 讲 ,残  流 降低至 5 A 以下 时 ,就 能 有 效 地 达 到 自动 熄 灭    电弧和减少 跨步 电压 的 目的。  
从 图 4可 以看 出 ,当 ( 弧 ) S断 开 时 ,电  电 容 上 的电荷 可 通 过 消 弧 线 圈 放 掉 ,使 过 电压 不 能 

般 这种补 偿方 式也很 少用 。  

( )过 补 偿 。 即 , >, ,这 种 方 式 没 有 发 生  3   。 串联 谐振 过 电压 的危 险 ,且 消 弧 线 圈 留有 一 定 的  裕 度 ,即使将 来 电网发 展 而使 对 地 电容 电流增 加 ,  

3 I 8  

易栩 ? 化电 ?09 石 气 20 年第2 卷第1 期 8 0 

自动跟踪 补偿 消弧线 圈装置 的原理和应用 

E c iSfy l t   e  I电气安全  er at c
d=  

原有 消 弧 线 圈 仍 可 以继 续 使 用 ,因 此 ,这 种 补 偿 
方式得 到 了 广 泛 的 使 用 。采 用 过 补 偿 方 式 后 ,通 

过故 障线 路保 护安 装 处 的 电流 为 补 偿 以后 的 感 性 
电流 ,它 与零 序 电压 的 相 位 关 系 和 非 故 障线 路 电  容 电流 与 零 序 电 压 的 相 位 关 系 相 同 ;此 外 ,为 了  有 效灭 弧 ,一 般 补偿 后 残 流 较 小 ,其 数 值 和 非 故  障线路 的 容 性 电流 也 相 差 无 几 。 因此 ,不 接 地 系 

所 以 ,中性 点位移 电压 
=  

为 
() 7 

式 中 ,u 。为 消 弧 线 圈 投 入 前 中 性 点 自然 不 平 衡 
电压 。  

统 中常 用 的零 序 电流 选 线 原 理 和零 序 功 率 方 向选 
线原 理 已不 能采用 。  
4 中性 点 电 压 位 移  .

由图 5可 见 ,特 定 电 网对 应 的 阻 尼 率 是 一 定  的 ,中性点 位 移 电 压 随 着 脱 谐 度 变 化 而 变 化 ,其 

变化 曲线 如 图 6所 示 ,可 见 脱 谐 度 越 趋 近 于 零 ,   中性 点 位 移 电压 愈 高 。所 以 ,加 装 消 弧 线 圈 后 ,  
对 中性点 位移 电压起 到 了放 大 作 用 ,脱 谐度 越 小 ,   放 大 作用 越强 ,放 大倍 数 为 l 4 。 0~ 0  
l  

正 常运行 时 ,消 弧 线 圈 的等 效 电 路 如 图 5所  示 ,其 中 ,L是 消弧 线 圈的 电感 ,r 代 表 消 弧线 圈  n
有功损 耗 的等效 电阻 ,设 三 相 电源 电压 完 全 平衡 ,  

其 值为  ,各相 泄漏 电 阻彼此 相等 ,即 r =r =r   b   =r ,且 以 


u N 

作 为 参 考 向 量 。 中性 点 位 移 电 压 

为 

/ 
D 

图 6

谱 振 曲 线 示 恿 图 

根据 上述 分 析可 知 ,要 达 到 较 好 的补 偿 效 果 ,  

脱 谐 度 应 越 小 越 好 ,显 然 ,上 述 情 况 之 间 出 现 了 
图 5 消 弧线 圈正 常运 行 时的 等 效 电路 

矛 盾 。为 了解 决 上 述 矛盾 ,通 常在 电 网 正 常 运 行 

U N=  

j C C +C )一 ( /J )+1 r + /   (  + b   J 1 o L /0 3 r
C   Cb+o  + t C
+Cb+C
—   一

!  ±

± !    
c 

, ,  

时 ,使 消 弧 线 圈 工 作 在 远 离谐 振 点 的地 方 ,而 当  
单 相接 地后 ,瞬 间调 整 消弧 线 圈 状 态 实施 全 补偿 。   如 预调 式 消 弧 线 圈装 置 ,通 常 采 用 消弧 线 圈 串 联 

c 

( C + b C ) lo . D a C +   一 /J   ( L

1  

电 阻 的方法 增 大 电 网 阻尼 电 阻 ,使 消 弧 线 圈 远 离  谐 振 点 ,单 相 接 地 后 ,通 过 并 联 在 电阻 两 端 的 晶  闸管 迅速 自触 发 短 接 ,瞬 间 调 整 消 弧 线 圈 状 态 实 
施 全 补偿 。  
(   6)

一  
一  

j  

故 障 时 ,如果 调 谐 电感 至 全 补 偿 ,使 脱 谐 度  等 于零 。 当 电 网 中 出 现单 相 断 线 ,两 相 断 线 ,非  全 相合 闸 等 故 障 时 , 。增 大 ,     将 可 能 超 过 限  值 ,最 大将 达到 1 8 . 3倍 相 电压 ;另外 , 电网 中出 

式 中 ,1 R=3 r /。  为 电 网 的不 对 称 度 ,u / / +l r,k  

为 电 网能 脱 谐 度 ,d为 电 网 阻 尼 率 , 为 衰 减 系   
数 ,且 
C +O    tCb+ C  
,  

。  

现非 同期 合 闸或 大 型 异 步 电 动 机 投 入 及 操 作 都 可 
能产 生 串联谐 振过 电压 。  

j C +C +C )一 ( / L   ( 。 b   J 1 w )
一 —   ~  

自动 跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈 装 置 
1 .系 统 构 成 

I   I   X L— Xc c—   L  
I  c X£  

装 置一 般 包 括 :为 系统 提供 人 工 中性 点 的 接  地 变压 器 ( 带 负 载 用 作 所 用 变 压 器 ;如 果 系 统  可

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20 年5 下‘ 化 气? 09 月 石 电  

易胡I3   9

电气安全 lE c iSfy   l t  ae   er c t
的 中性 点 可 以 直 接 引 出 ,无 需 增 设 此 接 地 变 压  备 带有 转 动 和 传 动 机 构 ,相 对 复 杂 ,需 要 一 定 的 

器) ;在 系统 中性点 与地 之 问接入 的 提供 感 性 补偿 
电流 的 消 弧 线 圈 ;控 制 消 弧 线 圈行 为 的控 制 器 ;  

维 护工作 。  
( ) 调气 隙式 。将铁 心制 成 带有 气 隙 的形式 , 2  

以及保 证 成套 装 置 正 常工 作 的相 关 辅 助 设 备 ,或  者 由具 备 以上 相 应 功 能 的 设 备 组 成 。另 外 ,还 可  配套提 供 选 出 和 跳 开 接 地 故 障 线 路 的选 线 装 置 、   跳 闸装 置 以及 记 录 接 地 故 障 有 关 参 数 的故 障 录 波  装置 等组 成 的 中 心控 制 屏 。装 置 典 型构 成 如 图 7  
所示。  

利用气 隙 长 度 的 改 变 实 现励 磁 阻抗 的 改 变 。一般  采用转 动 、传 动 机 构 实 现 气 隙 的调 节 ,采 用 电动 
机做动 力 。该 类 自动 跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈 装 置 产 品  出现得 也 较 早 ,运 行 经 验 也较 长 , 目前 运行 的数 

量也 较 多 ,具 有 同 调 匝 式 一 样 的 上述 缺 点 ,但 其  所输 出 的 电 流 可 以 连续 无 级 调节 。然 而 ,其 装 置  更 为复杂 ,较 易损坏 ,且 工作 时噪声 较大 。  
( )直 流 偏 磁 式 和 磁 阀 式 。直 流偏 磁 式 装 置  3 采用 外置 直 流装 置 对 电感 线 圈 的铁 心 注 入 直 流 磁 

通 ,从而 对 铁 心 的磁 饱 和 度 进 行 调 节 。一 般 采 用 
晶闸管 直 流 装 置 ,由控 制 晶 闸管 进 行 调 节 。磁 阀  式 装置 同样 通 过 对铁 心 注 入 直 流磁 通 来 改变 铁 心 

的磁饱 和度 ,但 该 直 流 磁 通则 取 白本 身 的 一部 分 
交 流 电流来产 生 。一 般也 由晶 闸管 来控 制 和 调节 。  

两 类产 品均 采 用 了 晶 闸管 技 术 ,使 得 调 节 速度 大 
图 7 目动 跟 踪补 偿 消 弧 线 圈 装 置 系统 构 成   

大提 高且避 免 了 传 动 和转 动 机 构 。其 输 出 的 补偿 

2 .工 作 原 理 

电流 可 以连 续 无 级 调 节 ,但 仍 有 最 小 值 的 限制 。  
同 时 ,由于 必 须 向铁 心 注 入 直 流磁 通 ,使 得 装 置  也 十分复杂 。  

装置 自动 跟 踪 系 统 电容 电 流 的 变 化 ,一 般 采 

用 调节零 序 回路 参 数 法 、外 加 电容 法 、外加 电 压  法 、变频 法和 电容 增 量 法 等 测 量 计 算 系 统 电 容 电 
流 ,并据 此 设 置 执行 机 构 的工 作 状 态 。当 系 统 发 

( )调 容 式 。将 消 弧 线 圈制 成 变 压 器 形 式 , 4  


次侧 接 入 系 统 ,二 次 侧 接 人 多 组 电 容 ,用 投 切 

生 单相 接 地 故 障 时 ,装 置 立 即作 出 判 断 ,尽 快 起 
动执行 机 构 ;执 行 机 构 迅 速 到 达设 定 状 态 。装 置  采用减 少 级 差 电 流 或 无 级 调 节 等 措 施 减 少 残 流 。  

电容器组 来 改 变 变 压 器 容 性 负 载 ,从 而 改 变 一 次  侧 的 电抗 值 。 电 容器 组 的 投切 一 般 采 用 真空 开 关  或 晶 闸管来执 行 。该 类产 品是 近些 年 出现 的 产 品 ,   由于采用 了真 空开 关 或 晶 闸 管技 术 ,使 得 调 节速 

当系统单 相 接 地 故 障 消 除 时 ,装 置 及 时 判 断 并 迅 
速退 出补偿状 态 。   3 .基 本 类 型 及 其 特 点 

度 大大 提 高 。而 且 因 电容 器 组 的合 理 组 合 ,使 输 
出 的补偿 电 流 虽 未 能 连续 调 节 ,但 分 级 电 流 可 以  大为 减小 ,输 出范 围也 有 所增 加 。值 得注 意 的 是 ,  

按照 消弧线 圈补偿 电流 的调节 原理可 分 为 :  

( )调 匝式 。将 电 感 线 圈制 成 带 有 多 个 分 接  1
头 形式 ,利 用 改 变 分 接 头 改 变励 磁 阻抗 。一 般 采  用 变压器 的 有 载 调 节 机 构 实 现 分 接 头 的 调 节 。该 

若采 用 晶 闸管 投 切 电容 器 组 ,晶 闸管 的工 况 十 分  严酷 ,对 其安 全运行 应有 足够 的措施 来保 障 。  
( ) 高短 路 阻 抗 变 压 器式 。将 消 弧线 圈制 成  5

类 产品是 最 早 出现 、应 用 最 为 广 泛 的 自动 跟 踪 补  偿 消弧 线 圈 装 置 ,运行 经 验 最 长 。但 其 电感 值 的 
变 化范 围较 小 ,所 输 出 的补 偿 电流 受 最 小 值 的限  制 ,一般 只 能达 到 额 定 电流 的 1 2~1 3 / / ,且 不 能 

高短 路 阻抗 ( 10 )变 压器形 式 ,一 次侧 接入  约 0% 系统 ,二 次 侧 由 晶 闸管 短 路 ,调 节 晶 闸管 的导 通 
角 实 现 短 路 阻 抗 的 调 节 。 该 类 产 品 是 近 些 年 最 新 

发 展 的产 品 ,在 电 力 和 石化 行 业 中应 用 的 规模 十 

连续无级 差 电流 调 节 ;调 节 分 接 头 所 需 的 时 问较 
长 ;必须 采 用 阻 尼 电 阻 来 防 止 串 联谐 振 ;调 节 设 

分 迅速 。 与上 述 各 类 产 品均 不 同 的是 ,它 不 采 用 
励 磁 阻抗 而 是 短 路 阻抗 作 为工 作 阻抗 ,因 而使 消 

4  l ; 与l ? 化电 ?09 0 咤  羽 石 气 20 年第2 卷第1 期 8 0  

自动跟 踪 补 偿 消弧 线 圈装 置 的原 理 和 应 用 

E ciSfy {电气安全 lt  e er at c  
( )5次 谐 波 法 。在 电 力 系 统 中 ,电 源 感 应  2 电动 势 中本 身 就 存 在 高 次 谐 波 分 量 ,此 外 由于 变 
压 器 、 电 压 互 感 器 等 设 备 铁 心 非 线 性 的 影 响 , 电 

弧线 圈 的伏 安特 性 在 大范 围 内获 得 良好 的线 性度 。   由于采 用 了 晶闸管 技 术 ,又 不 需要 多级 执 行 机 构 ,   使 其不 仅 调 节 速 度 极 快 ,而 且 总 体 响应 速 度 也 非  常快 ,同时 ,输 出 电 流在 全 范 围 内可 进 行 连 续 无  级 调节 ,且 没 有 最 小 输 出 电流 的 限 制 。该 类 产 品  完 全避 免 了传 动 和转 动 机 构 ,结 构 简 单 ,维 护 工 

网 中必然包 含 一 系列高 次谐 波分 量 ,其 中主要 以 5  
次谐 波分 量 为 主 。 当 中性 点 经 消 弧线 圈 接 地 的 系 

统 发生 单 相 接 地 故 障 时 ,5次 谐 波 电 流 便 随之 产  生 。高次谐 波 电 流 中 的容 性 分 量 与谐 波 次 数 成 正 
比 ,感 性 分 量 与 谐 波 次数 成 反 比。 由 于 消 弧 线 圈  对 5次 谐 波 呈 现 的 感 抗 为基 波 的 5倍 ,而 线 路 容  抗 为基 波 1 5 / ,与 线 路 容 抗 相 比 , 5次 谐 波 感 性 电 

作 量少 。 由于 晶 闸 管 不 与 电容 器 连 接 ,其 工 况 非 
常宽裕 ,因 而 其 安 全 运 行 较 有 把 握 。但 晶 闸管 工 

作 时产 生 的谐 波 必 须 采 取适 当 的 措 施 ( 滤 波 电  如
路 )进 行 限 制 。另 外 ,由 于 受 制 于 晶 闸管 的容 量 

限制 ,其容 量 一 般 很 难 做 到 很 大 ,如 3  V 消 弧  5k
线 圈 的容量 目前 最大做 到 20 0 k ?  0   V A左 右 。   按 照装置 投入 及退 出补偿状 态 的方式 可 分为 :   ( ) 预 调 式 装 置 。装 置 在 系 统 正 常 运 行 时 测  1 量 系统 电 容 电 流 ,并 预 先 调 节 电感 值 到 设 定 的补 

流 可 以忽 略。 不 论 消 弧 线 圈 的 补 偿 状 况 如 何 ,情 
况均 与 中性 点 不 接 地 系 统 时 基 波 容 性 电流 几 乎 相 

同 。理论 上 ,故 障 线 路 中 的 5次谐 波 零 序 电流 应  当最 大 ,且 滞后 5次 谐 波零 序 电压 9 。 0 ;非 故 障 线 
路 中 的 5次 谐 波 零 序 电流 较 小 ,且 超 前 5次 谐 波 

偿状 态 ,单 相 接 地 发 生 后 对 系统 单 相 接 地 电容 电 
流进 行补 偿 。   ( ) 随调 式 。装 置 在 系 统 正 常 运 行 时 测 量 系  2 统 电容 电 流 ,并 设 定 补 偿 参 数 ,单 相 接 地 发 生 后  自动 进入 设 定 的补 偿 状 态 ,对 系 统 单 相 接 地 电 容 
电流 进行补 偿 。  

零序 电压 9 。 0 ,由此 可进行 故 障选线 。  
( ) 首 半 波 原 理 法 。该 原 理 基 于接 地 故 障发  3 生 在 相 电压 接 近 最 大 值 的假 设 ,利 用 单 相 接 地 瞬 

间 ,故 障线路 暂 态 零 序 电流 第 一 个 周 期 的 首 半 波 
与非故 障线 路 相 反 的 特 点 构 成 。 暂 态 电 容 电流 中   包 括 自由 分 量 和 强 制 分 量 ,具 有 以下 几 个 特 点 :  

按照 装置 一次设 备 绝缘 介质 可分 为 :   ( ) 油浸式 。 消弧线 圈采 用油 浸绝 缘 的装 置 。 1   ( ) 干式 。 消 弧 线 圈 采 用 干 式 绝 缘 的 装 置 。 2   此 类装 置 主要 应 用 在 防火 要 求 较 高 的室 内或 成 套  装 置采 用组 柜安装 形式 。  

① 在 相 电 压 接 近 最 大 值 的 瞬 间单 相 接 地 过 程 中 ,  
暂 态 电容 电 流 比流 过 消 弧 线 圈 的 暂 态 电感 电? 大  流 很 多 ,暂 态 电感 电 流 可 忽 略 不 计 。 因此 ,在 同 一 

电网 中 ,即使 中性 点 经 消弧 线 圈 接 地 ,其 过 渡 过 
程 与 中性点 不 接 地 的情 况 下 也 近 似 相 同。② 故 障  线路 暂 态零 序 电流 和暂 态 零 序 电压 首 半 波 方 向 相 

其 他还 可 分 为 有 级 调 节 式 和 无 级 调 节 式 ;组 
合式 、一 体式 及分 立式 等 等 。  
4.接 地 选 线 原 理 

反 。非故 障 线 路 暂 态 零 序 电 流 和 暂 态 零 序 电压 首  半 波方 向相 同 。③ 首 半 波 电 容 电流 幅 值 比稳 态 电 
容 电流大 几 倍 到 几 十 倍 ,对 总 线 路 长 度 较 短 的 系  统 ,暂态 过程 更加 明显 。   ( ) 注入 信 号 寻踪 法 。该 原 理 通 过 运 行 中 的  4

消弧 线 圈接 地 系 统 中 由于 消 弧 线 圈产 生 的 感 

性补偿 电流 的作 用 ,使 得 不 接 地 系 统 中 常用 的 零 
序 电流选线 原 理 和零 序 功 率 方 向选 线 原 理 已 不 能  采 用 ,为 了正 确 、迅 速 地 选 取 接 地 故 障 线 路 ,主  要 采用 以下 的接地 选 线方 法 :   ( ) 插入 有效 电阻法 。发 生单 相 接地 故 障 时 , 1   在 消弧 线 圈上 短 时 并 联 一 个 有 效 电 阻 ,使 接 地 点  产 生一个 有 功 分 量 电 流 ,再 利 用 此 有 功 分 量 电流  作 为选 线 依 据 ,经 一 定 延 时 后 ,再 把 电 阻 切 除 。   只要 电阻 选 择 合 适 ,就 能 使 接 地 点 的有 功 分 量 电   流足 够大 ,从 而达 到选线 的 目的。  
www . age. om .   e c cn

电压互 感 器 向接 地 线 注入 信 号 ,利 用 信 号 寻 踪 原  理 ,实 现故 障 探 测 。该 装 置 由主 机 和 信 号 电 流 探  测器 两部 分 构 成 ,主机 发 出 的 信 号 通 过 电压 互 感 
器二 次 侧 端 子 接 入 ,并 由故 障 线 路 接 地 点 流 回 。  

信号 探测 器 插 在 主机 内部 或 安 装 在 各 条 出线 绝 缘 

距离 以外 探 测 选 线 。 由 于 故 障 选 线 通 过 注 入 信 号 
实现 ,所 以无 需 使 用 零 序 电流 互 感 器 ,也 与 电 流  互 感器 的 接 线 方 式 无 关 。另 外 ,装 置 还 具 有 测 距 

20 年5 09 月下。 石化电气  

与t l4  {  1 】

电气安全 lE cr a t   l t Sf y e i e  c
定位 功 能 ,寻踪 选 线 以后 ,必 要 时可 停 电进 行 测 
距定位 。  
5  A 。  

(0 1 )识 别 系统单相 接 地状 态 。装置 应 能正 确 
识别 系统 单 相 接 地 状 态 ,当 系统 非 单 相 接 地 引 起  中性 点 电压 升 高 时 ,应 避 免 对 系统 正 常 运 行 构 成  不利 影 响。   (1 1 )脱 谐度 设定 。装 置应 能设置 脱谐 度 ( 或  补偿 状态 及最 大残 流 ) ,在 保 证不 引 起 系统 串联 谐  振 和满足 残 流 要 求 的情 况 下 ,装 置 应 能实 现 系统  需 要 的各 种补偿 运 行方式 ,一 般 以过 补偿 为宜 。  
( 2 并 联 运 行 。 同一 变 电 站 多 台 消 弧 线 圈 应  1) 能 并列 运行 。  

( )残 流增 量 法 ( 扰 动 原 理 法 ) 5 或 。理 论 分  析表 明 ,在 电 网发 生 单 相 永 久 接 地 故 障 情 况 下 ,  

若增 大 消弧 线 圈 的脱 谐 度 ( 或改 变 限压 电阻 的 阻  值) ,则 只有故 障线路 中 的零 序 电流 ( 即故 障点 的   残余 电流 ) 会 随 之增 大 。这 样 ,借 助 微 机 计 算 速 
度 快 、综 合 分 析 和 判 断 能 力 强 的 特 点 ,对 脱 谐 度 

变化前 、后 各 条 馈 线 的 零 序 电流 进 行 实 时 采 集 、  
同步记 录 和集 中处 理 ,然 后 通 过 对 比找 出残 余 电  流 明显 变化 的馈 线 ,便 可确 定 为发 生 永 久 接 地 故  障 的线 路 。  
5 .主 要 参 数 的 性 能 要 求 

( 3 电压一 电流特性 。消弧 线 圈必 须具 有 良 1)   好 的伏 安特 性 ,在 0~1 0 额定 电压 范 围 内是一  1% 条 过原 点 的直线 。  

( ) 自动跟踪 时间 。 自动跟踪 时 间应 尽量 短 。 1   预调 式 装 置 应 不 大 于 3ri 档 ;随 调 式 装 置应 不    n a /
大 于 3 S   。

设 计 实 例 
某 1 0 1 V变 电所 ,两 台主 变压器 ,双 电源  1/ 0k

( )系 统 电容 电流 测 量 误 差 。 当系 统 电 容 电  2 流 , ≤3   时 ,测 量 误 差 应不 大 于 1A;当 3       0A   0A <   0   时 ,测 量 误 差 应 不 大 于 3 , ;当 , , ≤10 A % c c   >10A时 ,测量误 差应保 证残 流规定 。 0    ( )装 置 起 动 电 压 。可 根 据 系 统 要 求 设 定 , 3  


进线 ,单母 线分 段 ,共 2 4回 电缆 出线 ,每一 回电 
缆平 均长度 为 2 k   m,所 用 变 压器 容 量 10 k ?   0   V A,
CS O  0 8。 .  

根据 以 上情 况 ,系 统 应 设 置 两 台 消 弧 线 圈装  置 ,每段 一 台 ,现 以 K — x 型 自动跟 踪 补 偿 消  D H 弧 线 圈装 置 为 例 开 展 设 计 。 系统 主接 线 如 图 8所  示 。K —x 型 自动 跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈 装 置 属 于  D H 随调式 高 短路 阻抗 变 压器 型装 置 ,接 地 选 线 采用  残 流增 量法 ,选线 数量 l 3 ~ 6路可选 。   由于接 地 变 前 侧 断 路 器 和 连 接 电 缆 、接 地 
变 中性 点 至 消 弧 线 圈 间 隔 离 开 关 和 连 接 电 缆 、  

般宜 为 2 % ~ 5 U 。 0 3 %   

( ) 残 流 。对 于 不 直 接 连 接 发 电 机 的 系 统 , 4   残流不 应大 于 l  0A;对于直 接连接 发 电机 的系统 ,   残流不 宜大 于 D / 6 0规定 的发 电机 接 地故 障 电  L T2 流允许 值 。   ( )残 流稳定 时 间。残流 稳 定 时间 应尽 量短 , 5   级别 1时 ,不 大 于 1 0 m ;级 别 2时 ,不 大 于  0  s
2 0 ms   0  。

与 消 弧 线 圈 连 接 的 避 雷 器 以 及 电 压 和 电 流 互 感  器 、消 弧 线 圈 的接 地 线 与 不 接 地 系 统 设 计 相 同 ,  
主 要 根 据 系 统 额 定 电 压 、 额 定 电 流 和 短 路 容 量 

( )装 置 额 定 运 行 时 间 。装 置额 定 运 行 时 间  6
应 不 小 于 2h   。

( ) 级差 电 流。对 于 不 直 接 连 接 发 电机 的 系  7
统 ,级 差 电 流 不 宜 大 于 5A;对 于 直 接 连 接 发 电机   

等 参 数 决 定 ,所 以 此 处 不 再 赘 述 。下 面 主 要 给 
出 接地 变 和 消 弧 线 圈 容 量 的计 算 方 法 和 相 关 设 
计要求 。  
1 .确 定 电 容 电 流 大 小 

的 系统 ,级 差 电 流不 宜 大 于 D / 6 0规 定 的发 电  LT2

机接地 故 障电流允 许值 。  
( ) 中性 点 位 移 电压 。在 正 常 运 行 情 况 下 , 8   装 置 不 应 导 致 系 统 中 性 点 长 时 间 位 移 电 压 超 过 
1 % U    5 。

根据式 ( ) 2 ,得 
, :0.1 L c   UN  


0.1× l ×2 X 1   0     2 A 

( )谐 波 电流 。在 额 定 工 频 正 弦 电压 作 用 下  9 消弧线 圈输 出 的 电流 中 ,最 大 谐 波 电流 不 宜 大 于 

=2   4 A 

由 前 表 得 ,, =2  × . 6= 7 8      4 A 1 1 2 . 4A。

4   2l

量闭 ? 化 气?09 第2 卷 0   石 电 20 年 8 第1 期

自动跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈 装 置 的 原 理 和 应 用 

E cr a t l t Sf y e i e  f电气安全  c
定 ;额定 二 次 容 量 s  按 配 电变 压 器 容 量  优 先值 确定 ,所 以 ,可 选择 接 地 变压 器 的 
规 格 为 4 0 k ?A 1  V 10 k ?A   0  V / 0 k 一 0  V /
04k .   V, 1 ( 0 1±5 ) k   % V。

l  V I 0k   段 

1 V I 0k   段 

4 .设 备 布 置 
地变  五 器  隔离 开关 


隔离开 关  电压互 感器 
厂 、 、 ,    


该 产 品 可 以设 计 成 成 套 组 合 柜 体 型 
避 雷 

雷器 

电压互 感器  厂 、   、

式 ,其 外形 尺 寸与 1  V开关 柜 近似 ,能  0k 够 方便 地 与 1  V开 关 柜并 列 布 置在 变 电  0k 所 内 ,这种 设计 已在 目前新 建 的项 目中得  到 了广 泛运 用 。另外 ,还可 以散 装 布 置在  室 内单 独房 间 内或户 外用 栅 栏 围成 的区域  内或户 外箱 式壳 体 内。关 于 具体 采 用何 种  设计 形式 ,可 以 由现 场安 装 空 间和 环境 特 
点定 。  
5 .接 地 

/  

△ 
● 一  

△ 
就 

÷。 o  线 £    :控 ;。 地  1   圈   ; 制   柜  
,  

消  弧 

就 

地 i li 控        j消    弧 柜■j线 制   l?   、   I 圈   


I。  

‘  

电 

圈 8

消 弧 线 豳 矮 地 系 统 主 接 线 图 

消弧 线 圈和装 置设 备 外壳 均 需要 分 别 
与 主接 地 网 连 接 ,接 地 电 阻 值 不 应 大 于 

2 .确 定 消 弧 线 圈容 量 

O= —  =13 2.4×1/3k ? 27k A —三 .5× 78 0 ̄ V A= 1 V?   /
√  3

KI U、  

—  —

4 n。若 采用公 共 接地 系统 ,则 其 接 地 电 阻值 应 与   

公 共接 地 网 的接地 电阻值相 匹配 。  
保 护接地 线 ( 即设 备 外 壳 接 地 线 ) 可 以 选  用热镀锌 扁钢或裸铜绞线 或黄 绿双色绝 缘导线 ;   而 工 作 接 地 线 ( 消 弧 线 圈 接 地 线 ) 由 于 在 单  即

(   8)

式 中 , 为 系数 ,过补 偿取 13 。   .5  根 据消 弧线 圈 容 量 的系 列 性 以 及 对 应 的最 大  电容 电流 ,确 定 相应 的 Q=2 0 k ? 5  V A。所 以 ,消  弧线 圈装 置 的规格 为 2 0k ? / 0k   5  V A 1  V。
3 .确 定 接 地 变 压 器 容 量 

相 接 地 故 障 时 流 过 一 定 数 值 的感 性 电 流 ,为 了  
使其不 对 周边 其 他 设 备 和 人 身 安 全 产 生 影 响 ,   所 以 ,其 接 地 线 的地 上 部 分 应 采 用 黄 绿 双 色 绝 
缘 导线 。  

兼 作 所用 变压 器 的接地 变压 器容 量确 定 为 
S   ( j= Q+S i  ) sn  +( c s ) S o   


结 束 语 
当不 接地 系统 的接 地 电容 电流超 过 规 定 值后 ,   系 统应 采 用 消 弧 线 圈接 地 方 式 。为 了更 好 地 满 足 

 ̄( 5 / 2 0+1 0× . ) 0 0 6 +( 0 0 8  k ?   10× . ) V A
(   9)

=3 0 1   V ?A 2 .6 k  

式 中 ,S为 所 用 变 压 器 容 量 ; 为 所 用 变 压 器 负 荷   

电网安 全 运 行 的 要 求 ,消 弧 线 圈 接 地 系统 应 选 择 
自动跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈装 置 。虽 然 不 同类 型 的 自   动跟 踪 补 偿 消 弧 线 圈 装 置 的 基 本 工 作 原 理 一 致 ,   但其 设计 的结 构 类 型 、调 谐 原 理 和 接 地 选 线 方 法  却大 不相 同 ,而 且各 种 产 品的性 能 特 点 差 异较 大 ,   所 以在设 计 选 用 时 ,应 结 合项 目投 资 费 用 和 现 场 

功 率 因数角 。  
由 于 接 地 变 压 容 量 的 系 列 性 , 所 以 确 定 相 应 

的 S =4 0k j 0  V? A。另外 ,S 还可 以通 过下 式计 算  j
s  一 2×  

专 

具 体 情况 ,选 择 性 价 比较 高 的 且 比较 适 合 现 场 环 
境 特 点 的产 品 。  
( 稿 日期 :2 0 —1 收 0 8 0—0 ) |A  7

式 中 ,,  为流过 中性 点设 备 电流 ,A。   值得 注意 的是 ,接 地 变 压 的额 定 容 量 s 不 应  . 小于 消弧 线 圈容 量 ,并 按 消 弧 线 圈 容 量 优 先 值 确 
www. eag  ̄o .   e. m cn

20 年5 l 石 气? 09 , e 下? 化电  

与胡l4   3


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