消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出

2. 消弧线圈的工作原理及动态消弧补偿系统的提出

2.1 消弧线圈的工作原理

2.1.1 中性点不接地系统单相接地时的电容电流

电力线路导线间及导线与大地之间均存在分布电容，电器设备与大地之间也存在电容。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c b a C C C ≠≠，

Φ=︒+︒=U C I I I C B DC 0330cos 30cos ω

这个接地电容电流由故障点流回系统，它的大小等于正常时一相对地充电电流的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︒90，所以当接地电流过零时，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。当接地电容电流较大时，容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地能导致危险的过电压。稳定性的弧光接地能发展成多相短路。

2.1.2 中性点不接地系统的中性点位移电压

为U B .

Φ--=U jd

K c

'

.

1 (2-1-2) 式中

)

(1

3''2.'c b a c

b a c

b a

c C C C R

d C C C aC C a C K r R ++=

++++==ω

'.

,d K c 分别称为中性点不接地电网的不对称度和阻尼率。

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85%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、或开关动作不同步都将使故障相的对地电容减小，从而使不对称度有较大的增长，中性点的位移电压可能达到很高的数值。

2.1.3

消弧线圈的作用原理

中性点加入消弧线圈后，起到三个方面的作用，即大大减小故障点接地电流；减缓电弧熄灭瞬时故障点恢复电压的上升速度；避免由于电磁式电压互感器饱和而引发铁磁谐振。

2.1.

3.1 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N U 将由零升高到相电压，于是消弧线圈中将产生电流.

L I ，它的大小为

L

U

L U I N L ωωΦ==

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.

C I 滞后正常运行时的相电压︒90，所以消弧线圈电感电流和接地电容电流的方向相反。如果适当选择消弧线圈L 值的大小，使

ΦΦ===U C L

U I C L L 003,31

ωωωω则：

那么通过故障点的电流将等于零。即接地电容电流C I 全部被消弧线圈的电感电流L I 所补偿，从而使得电弧自动熄灭。

流应由三部分组成，即工频电流50I (它可能是容性、也可能是感性、也可能被完全补偿掉) 、阻性电流R I 和谐波电流X I ，其表达式为

22222250)()(X C C X R g I dI I I I I I ++=++=υ (2-1-4)

式中 d 为消弧线圈补偿电网的阻尼率，它同未补偿电网'd 是有区别的，详细讨论见下节。

2.1.

3.2 关于串联谐振问题的讨论

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

+

-++R

L j C C C j c b a )(ωω Φ++-++-++++++-=U C C C R j

C C C j L j

C C C j C C C j aC C a C j c b a c b a c b a c b a c b a )

(1)(1

)()

()(2ωωωωωω

jd

U U jd K PD

c -≈--

=Φυυ.

. (2-1-5) 式中

r r R 3110+= )

(1

c b a C C C R

d ++=

ω 补偿电网的阻尼率

电网的阻尼率一般约为3%~5%，但煤矿6KV电网，由于井下电缆工作环境

图2-6 不同d值下中性点位移电压与脱谐度的关系曲线

2.1.

3.3 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第二个作用，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03)(C C C C C c b a =++=∑，流过开关K 的电流代表残流，当电弧熄灭时，相当于K 打开；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，如果熄弧时该相的初相位为ϕ角，电源电压最大值为m U ，则 )()(ϕω+=t j m A e U t u

N 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

d C C C R RC c b a ωα2

1

)(2121=++==∑

电路自振角频率为 )21(13100υ

ωυωω-≈-==L

C

故有

)(0)(ϕωα+--=t j t m L e e U t u

因此得故障相对地的恢复电压为

)()()(t u t u t u L A +=

)()()(0ϕωαϕω+-+-=t j t t j m e e e U )1(2

)

(t j d t j m e e U ωυ

ϕω+-+-= (2-1-7)

完全调谐时，0=υ，上式变为 )1()(2

)

(t d t j m e

e

U t u ωϕω-+-=

此时，恢复电压包线按指数规律从零上升至m U ，波形如图2-7a 所示。当脱谐时，0≠υ，恢复电压将出现拍振现象，波形如图2-7b ，其拍振周期T 为