常用消弧线圈的调节与控制方式总结

常用消弧线圈的调节与控制方式总结当今，随着电网日新月异的发展，两网改造的不断深入，系统的电容电流逐步增大，如果单段母线上的电容电流超过10A 时当发生单相接地时接地点的电弧不宜熄灭，进而产生弧光过电压，对运行设备及接地点附近的生命财产带来严重威胁；因此，国家电力行业规程要求，若容性电流超过10A 应加装消弧线圈装置。

依据目前市场上常用消弧线圈的调节与控制方式作以概要介绍，如有不妥之处请予以指正。

70年代以前，国内外谐振接地系统中都采用离线分级调匝式消弧线圈，这种产品调节范围小，不能自动跟踪电网参数变化作自动调谐，其固有的缺点已影响到电网的安全运行，达到非改造或非更新不可的程度。

进入80年代后，欧洲及前苏联等国家，先后研制出两种新产品，即气隙可调柱塞式和直流偏磁式消弧线圈、并广泛用于欧洲、亚洲各地。

我国于1991年研制出气隙可调铁芯式消弧系统，接着又开发出在线分级调匝式、直流偏磁式、直流磁阀式和调容式消弧装置。

一、 调谐理论知识根据电磁场理论，铁芯线圈的电感量有如下关系式m m R W R I I W R I F W L 22===⋅⋅⋅⋅ 式1 000S S L m m r m R ⋅⋅⋅+=μδμμ 式2式中 --W 绕组匝数,--m R 磁组,--m L 铁芯磁路长度，单位： cm--δ 气隙长度，单位： cm--0S 气隙等效磁路面积, 单位：cm 2--r μ 硅钢片相对导磁率，由式上式可以看出，铁芯线圈的电感量L 与绕组匝数W 成正比，与磁阻Rm 成反比。

也就是说只要能改变绕组匝数W 或者磁阻Rm 都可以改变铁芯线圈的电感量L 。

目前常见的几种消弧线圈也正是从这两个大方面来实现的。

1）、直接或间接改变绕组匝数W 的消弧线圈有：调匝式消弧线圈、调容式消弧装置。

由于这种消弧线圈是通过直接或间接改变绕组匝数W ，所以这三种消弧线圈的电感均不能连续可调。

2）通过改变磁阻Rm 的消弧线圈：将式1代入式2得)(0902104H L m S r S m L S w ⋅⋅-+⨯⋅⋅=μδπ 式 3式中的符合意义同前。

有式 3可知，欲想平滑调节电感量，可有以下两种方法：(1)改变铁芯气隙长度(δ)。

将铁芯制成可移动式，用机械方法调节铁芯气隙的大小，即可使得消弧线圈的电感量得到平滑调节。

此时，消弧线圈的电感量是铁芯气隙的函数，即L ＝ f (δ)。

前述的气隙可调柱塞式和气隙可调铁芯式消弧线圈就是基于这个电磁原理制作的。

(2)改变铁芯导磁率(μγ)。

采用电气方法来改变铁芯导磁率，从而改变磁路中的磁导，来实现消弧线圈电感量的平滑调节。

这种方法率先在前苏联获得成功。

采用现代电力电子技术来实现电感量调节，称为静止式连续可调消弧线圈。

前述的直流偏磁式和直流磁阀式消弧线圈，就是基于这个原理制作的。

（3）、铁芯气隙长度(δ)和铁芯导磁率(μγ)均可连续可调，所以基于改变铁芯气隙长度(δ)和铁芯导磁率(μγ)的消弧线圈（气隙可调柱塞式和气隙可调铁芯式消弧线圈、直流偏磁式和直流磁阀式消弧线圈）电感均可连续可调。

二、目前行业内常用消弧线圈种类及调节原理1、调匝式消弧线圈图1：传统调节分接头式消弧线圈结构示意图传统的消弧线圈是不能自动调节电感电流的，要改变消弧线圈的电感电流，必须将消弧线圈退出运行，然后调节其线圈的抽头，即改变其匝数，然后再投入运行，也就改变消弧线圈的电感电流。

传统的消弧线圈的结构如图1所示。

为了实现消弧线圈的自动跟踪补偿功能，一般通过交流接触器或有载开关的触点接通消弧线圈的某一抽头（如图1中的出头1——5），根据电网对地电容情况自动调节消弧线圈的电感，来改变电感电流，实现有载、有级调感，这种方法在国内外都有应用。

图2：在线分接调匝式消弧线圈有图可知，这种消弧线圈的工作与那里是：由电动传动机构驱动油箱上部的有载分接开关，可以改变线圈的串联连接的匝数，从而改变线圈电流大小。

在额定电压下消弧线圈最大工作电流max I 与最小工作电流m in I 的比值，通常科达2.5倍。

其电感与匝数的平方成正比，故有5.2min 2max 2min max max min minmax====N N L L I I L U L N U ωω这种消弧线圈通过阻尼电阻接地，有以限制弧光接地过电压和阻尼谐振过电压。

可以在过补、欠补和完全补偿状态下运行。

采用MOA 中点氧化锌避雷器和可靠的切除电阻器的双供电源。

广泛用于我国的工业、企业和城市电网中，运行可靠。

也可将消弧线圈的线圈分成多段，每段用晶闸管来控制消弧线圈的匝数（电感电流），对消弧线圈的电感电流的控制是通过控制晶闸管的导通与关断来实现的。

图3是一种国外研制的用晶闸管控制的自动跟踪补偿消弧线圈。

图3：一种国外的晶闸管调匝式消弧线圈2、调容式消弧装置图4：调容式消弧线圈电路原理图调容式消弧线圈原理：基于晶闸管的投切电容式消弧线圈结构示意图如图5所示，图中的R为消弧线圈阻尼电阻，K为阻尼电阻控制接触器的触点，L1为消弧线圈的一次绕组（电感），L2为消弧线圈的二次绕组（电感），C1~C5二次侧调节电容器，S1~S5为调节控制晶闸管。

显然，通过多组晶闸管（也可以采用交流接触器的触点）的通断可以实现不同电容器的组合。

图5：晶闸管的投切电容式消弧线圈结构示意图当二次侧的电容器全部断开时，消弧线圈一次绕组感抗最小，可提供的电感电流最大；二次绕组有电容器接入后根据阻抗折算原理，相当于一次绕组两端并联了相同功率的电容，使消弧线圈电感电流下降。

因而，通过调节二次侧电容器的容量即可控制消弧线圈一次绕组的感抗及电感电流的大小。

由于电网电容电流的大小不同，补偿精度要求不一样，所以消弧线圈的调节范围和调节精度也不同，在选择电容器容量时要根据实际要求进行计算。

对于图5中的5组电容器，电容器值可以根据二进制组合原理进行配置，即：C1：C2：C3：C4：C5=1：2：4：8：16可见5组电容器可实现32种组合方案，通过控制晶闸管的导通与关断将产生32种方案，即消弧线圈分为32档。

每档的调节量取决于电容器C1，C1值选的越小，则级差电流越小，但相应的消弧线圈的补偿范围也越小。

若设电容C1的容量为QC1，二次绕组输出电压为U2，则可得级差电流IC为：21U QC C I该类型消弧线圈的容量是消弧线圈电感的容量与所有并联电容器的容量之和，可见容量比较大，接地变压器的容量也要增大，占用的设备也比较多。

但是，如果变电所原来就有老式的消弧线圈，再投入一定得电容器组合电容器的投切控制装置，实现对电两单相接地电容电流的自动跟踪补偿功能，该方案是可行的。

采用晶闸管投切电容器的消弧线圈控制简单、速度快。

但同样不能实现电感的连续调节，特别是当电网单相接地电容电流较大时，精度较低，无法达到最佳补偿。

另外，由于需要较多的电容器和附加设备，造价高。

3、气隙可调柱塞式和气隙可调铁芯式消弧线圈。

图6：气隙可调柱塞式和气隙可调铁芯式消弧线圈这种消弧线圈的结构如上图6所示。

两个上下可移动的柱塞式铁芯1、2由径向硅钢片组成。

绕组3置于C型磁轭中。

电机及传动装置安装在油箱外侧。

其主要性能指标见5-1。

这种消弧线圈的工作原理是，由电动机驱动两个可移动铁心做相对运动，用改变主气隙大小来调节导磁率，从而改变线圈绕组的电感大小。

其间隙连续可调，调节范围大，调谐时间依据其额定功率不同而异。

可限制过电压。

其已广泛用于欧洲及世界各地，运行可靠。

气隙可调柱塞式消弧线圈外型图：图7：气隙可调柱塞式消弧线圈外型图：4．气隙可调铁芯式消弧线圈气隙可调铁芯式消弧线圈工作原理与气隙可调柱塞式消弧线圈工作原理相似。

主要区别在与气隙可调铁芯式消弧线圈是通过调节C型铁芯位置来实现调气隙的，而气隙可调柱塞式消弧线圈是通过调节柱塞式铁芯位置来实现调气隙的。

可调气隙的铁芯形状不同。

图8：气隙可调铁芯式消弧线圈结构示意图可调气隙式是通过改变消弧线圈磁路的气隙来改变磁阻，从而达到改变电感电流，实现对电网接地电容电流的自动跟踪补偿的。

该方法的优点是电感可以连续调节，结构简单，线形度好，价格也不高。

缺点是：由于气隙的改变是通过电动机带动消弧线圈的可动铁芯来实现的，当电网发生单相接地故障时，消弧线圈中便有一电感电流通过，产生磁场，可动铁芯便被磁场力吸住，电动机也就动不了，所以经常发生电机因过载而烧毁事故。

另外，由于该调节方法要用到机械传动装置，响应速度慢，噪声很大，有时会因为赃污而引起机械动作失灵。

5．直流偏磁式消弧线圈这种消弧线圈的结构不尽相同。

这里先介绍一种三柱式结构。

如图5-4所示，图9：三柱式直流偏磁弧线圈结构该产品有三个铁芯柱，其中一个断面积较大，另2个断面积较小。

在断面积小的铁芯柱上各有直流偏磁绕组4和5，两个直流偏磁绕组外面套有交流绕组3。

断面大的铁芯柱具有多段气隙，在此大断面铁芯柱上套有交流绕组1。

在小断面铁芯柱上的两个直流偏磁绕组作反问并联的目的是，将被感应到的工频电动势相互抵消。

由于两个小铁芯面积之和与大铁芯面积相等、故两个直流偏磁绕组中的电流il和i2所产生的磁通φ1和2φ之和与φ3相等。

由于两个直流偏磁绕组是反向并联连接的，因此，工频感应电动势相互抵消。

当电压为正弦波形时，可认为磁通是正弦的。

在直流激磁作用下，两个直流偏磁绕组中的电流il 和i2的波形畸变很大，但il和i2之和电流i的波形却近似为正弦波。

理想情况下的磁通和电流关系为抛物线形状，即221122,i i αφαφ==两个磁通中均含有交流正弦分量和直流分量，即1020sin ,sin ,m m t t φφωφφφωφ=+=-在左右绕组中的电流分别为：00222sin 2sin φωφφωφa t a t a i m m -*+-= ta i i i m ωφφsin 4021=+= 由上式可见，总电流i 为正弦波形，其幅值与0φ有关。

改变直流电流的大小，即改变了其磁通0φ的大小，因而也改变了总电流i 的大小。

这就是偏磁式消弧线圈的工作原理。

上述三柱式偏磁消弧线圈，其铁芯结构系交流绕组，在制作过 程中比较复杂。

在工程实际应用中通常采用口型结构，如图所示。

图10：直流助磁式消弧线圈结构示意图1—铁芯磁化段；2—铁芯间隙；3—直流助磁绕组；4—交流工作原理在工程实际应用中，将消弧线圈的磁路分成三个部分、即铁芯磁化段、交流磁路部分和气隙三个部分。

交流磁路部分只通过交流工作磁通，通常是铁轭部分；铁芯磁化段，在这一段铁芯周围，既有通过直流的控制绕组，也有通过交流的工作绕组，即交、直流同时激磁磁路部分；气隙部分的作用是，保证消弧线圈的伏安特性基本线性和使直流助磁磁通不通过交流磁路，以减少直流助磁功率。

图中的直流励磁绕组采用反串联连接方式，使各绕组上感应的工频电压互相抵消，通过对三相全控整流电路输出电流的闭环调节，实现对消弧线圈励磁电流的控制，达到补偿电流连续调节的目的。