消弧線圈

消弧線圈顧名思意就是滅弧的 ，是一種帶鐵芯的電感線圈。它接於變壓器（或發電機）的中性點與大地之間，構成消弧線圈接地系統。電力系統輸電線路經消弧線圈接地，為小電流接地系統的一種。正常運行時，消弧線圈中無電流通過。而當電網受到雷擊或發生單相電弧性接地時，中性點電位將上升到相電壓，這時流經消弧線圈的電感性電流與單相接地的電容性故障電流相互抵消，使故障電流得到補償，補償後的殘餘電流變得很小，不足以維持電弧，從而自行熄滅。這樣，就可使接地故障迅速消除而不致引起過電壓。

基本介紹

• 中文名：消弧線圈
• 外文名：extinction coil
• 計算公式：V=（IC-IL）/IC
• 結構特點：調節範圍大，可靠性高
• 分類：調氣隙式、調匝式、偏磁式
• 學科：電力科學

釋義

消弧線圈顧名思意就是滅弧的，是一種帶鐵芯的電感線圈。它接於變壓器（或發電機）的中性點與大地之間，構成消弧線圈接地系統。電力系統輸電線路經消弧線圈接地，為小電流接地系統的一種。正常運行時，消弧線圈中無電流通過。而當電網受到雷擊或發生單相電弧性接地時，中性點電位將上升到相電壓，這時流經消弧線圈的電感性電流與單相接地的電容性故障電流相互抵消，使故障電流得到補償，補償後的殘餘電流變得很小，不足以維持電弧，從而自行熄滅。這樣，就可使接地故障迅速消除而不致引起過電壓。

發展過程

消弧線圈早期採用人工調匝式固定補償的消弧線圈，稱為固定補償系統。固定補償系統的工作方式是：將消弧線圈整定在過補償狀態，其過補程度的大小取決於電網正常穩態運行時不使中性點位移電壓超過相電壓的15%，之所以採用過補償是為了避免電網切除部分線路時發生危險的串聯諧振過電壓。因為如整定在欠補償狀態，切除線路將造成消弧線圈電容電流減少，可能出現全補償或接近全補償的情況。但是這種裝置運行在過補償狀態當電網中發生了事故跳閘或重合等參數變化時脫諧度無法控制，以致往往運行在不允許的脫諧度下，造成中性點過電壓，三相電壓對稱遭到破壞。可見固定補償方式很難適應變動比較頻繁的電網，這種系統已逐漸不再使用。取代它的是跟蹤電網電容電流自動調諧的裝置，這類裝置又分為兩種，一種稱之為隨動式補償系統。隨動式補償系統的工作方式是：自動跟蹤電網電容電流的變化，隨時調整消弧線圈，使其保持在諧振點上，在消弧線圈中串一電阻，增加電網阻尼率，將諧振過電壓限制在允許的範圍內。當電網發生單相接地故障後，控制系統將電阻短接掉，達到最佳補償效果，該系統的消弧線圈不能帶高壓調整。另一種稱之為動態補償系統。動態補償系統的工作方式是：在電網正常運行時，調整消弧線圈遠離諧振點，徹底避免串聯諧振過電壓和各種諧振過電壓產生的可能性，當電網發生單相接地後，瞬間調整消弧線圈到最佳狀態，使接地電弧自動熄滅。這種系統要求消弧線圈能帶高電壓快速調整，從根本上避免了串聯諧振產生的可能性，通過適當的控制，該系統是唯一可能使電網中原有的功率方向型單相接地選線裝置繼續使用的系統。中國主要產品有自動補償的消弧線圈國內主要有五種產品，分別是調氣隙式，調匝式，調容式，高短路阻抗變壓器式和偏磁式。

作用原理

消弧線圈的作用是當電網發生單相接地故障後，故障點流過電容電流，消弧線圈提供電感電流進行補償，使故障點電流降至10A以下，有利於防止弧光過零後重燃，達到滅弧的目的，降低高幅值過電壓出現的幾率，防止事故進一步擴大。當消弧線圈正確調諧時，不僅可以有效的減少產生弧光接地過電壓的機率，還可以有效的抑制過電壓的輻值，同時也最大限度的減小了故障點熱破壞作用及接地網的電壓等。所謂正確調諧，即電感電流接地或等於電容電流，工程上用脫諧度V來描述調諧程度：

V=（IC-IL）/IC

當V=0時，稱為全補償，當V>0時為欠補償，V<0時為過補償。從發揮消弧線圈的作用上來看，脫諧度的絕對值越小越好，最好是處於全補償狀態，即調至諧振點上。但是在電網正常運行時，小脫諧度的消弧線圈將產生各種諧振過電壓。如煤礦6KV電網，當消弧線圈處於全補償狀態時，電網正常穩態運行情況下其中性點位移電壓是未補償電網的10~25倍，這就是通常所說的串聯諧振過電壓。除此之外，電網的各種操作（如大電機的投入，斷路器的非同期合閘等）都可能產生危險的過電壓，所以電網正常運行時，或發生單相接地故障以外的其它故障時，小脫諧度的消弧線圈給電網帶來的不是安全因素而是危害。綜上所述，當電網未發生單相接地故障時，希望消弧線圈運行在遠離諧振點。運行在完全狀態下的消弧線圈一般都會投入阻尼電阻來抑制諧振過電壓，實際運行經驗表明，有良好的收效。

結構特點

偏磁式消弧線圈結構的特點：電控無級連續可調消弧線圈，全靜態結構，內部無任何運動部件，無觸點，調節範圍大，可靠性高，調節速度快。這種線圈的基本工作原理是利用施加直流勵磁電流，改變鐵芯的磁阻，從而改變消弧線圈電抗值的目的，它可以帶高壓以毫秒級的速度調節電感值。

控制方式

採用動態補償方式，從根本上解決了補償系統串聯諧振過電壓與最佳補償之間相互矛盾的問題。眾所周知，消弧線圈在高壓電網正常運行時無任何好處，如果這時調諧到全補償或接近全補償狀態，會出現串聯諧振過電壓使中性點電壓升高，電網中各種正常操作及單相接地以外的各種故障的發生都可能產生危險的過電壓。所以電網正常運行時，調節消弧線圈使其跟蹤電網電容電流的變化有害無利，這也就是電力部門規定“固定式消弧線圈不能工作在全補償或接近全補償狀態”的原因。國內同類自動補償裝置均是隨動系統，都是在電網尚未發生接地故障前即將消弧線圈調節到全補償狀態等待接地故障的發生，這是為了避免出現過高的串聯諧振過電壓而在消弧線圈上串聯一阻尼電阻，將穩態諧振過電壓限制到容許的範圍內，並不能解決暫態諧振過電壓的問題，另外由於電阻的功率限制，在出現接地故障後必須迅速的切除，這無疑給電網增加了一個不安全因素。偏磁式消弧線圈不是採用限制串聯諧振過電壓的方法，而是採用避開諧振點的動態補償方法，根本不讓串聯諧振出現，即在電網正常運行時，不施加勵磁電流，將消弧線圈調諧到遠離諧振點的狀態，但實時檢測電網電容電流的大小，當電網發生單相接地後，瞬時（約20ms）調節消弧線圈實施最佳補償。

優勢特徵

中性點經消弧線圈接地電網發生單相接地具有以下特徵：

(1) 同中性點不接地電網一樣，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓升高至線電壓，出現零序電壓，其大於等於電網正常運行時的相電壓，同時也有零序電流。

(2) 消弧線圈兩端的電壓為零序電壓，消弧線圈的電流通過接地故障點和故障線路的故障相，但不通過非故障線路。

(3) 若系統採用完全補償方式，則系統故障線路和非故障線路的零序電流都是本身的對地電容電流，電容電流的方向均為母線指向線路，因此無法利用穩態電流的大小和方向來判別故障。

(4) 當系統採用過補償方式時，流過故障線路的零序電流等於本線路對地電容電流和接地點殘餘電流之和，其方向和非故障線路的零序電流一樣，仍然是由母線指向線路，且相位一致，因此也無法利用方向的不同來判別故障線路和非故障線路。其次由於過補償度不大，因此也很難像中性點不接地系統那樣，利用零序電流大小的不同來找出故障線路。

分類

調氣隙式

調氣隙式屬於隨動式補償系統。其消弧線圈屬於動芯式結構，通過移動鐵芯改變磁路磁阻達到連續調節電感的目的。然而其調整隻能在低電壓或無電壓情況下進行，其電感調整範圍上下限之比為2.5倍。控制系統的電網正常運行情況下將消弧線圈調整至全補償附近，將約100歐電阻串聯在消弧線圈上。用來限制串聯諧振過電壓，使穩態過電壓數值在允許範圍內（中性點電位升高小於15%的相電壓）。當發生單相接地後，必須在0.2S內將電阻短接實現最佳補償，否則電阻有爆炸的危險。該產品的主要缺點主要有四條：

1、工作噪音大，可靠性差

動芯式消弧線圈由於其結構有上下運動部件，當高電壓實施其上後，振動噪音很大，而且隨著使用時間的增長，內部越來越鬆動，噪音越來越大。串聯電阻約3KW，100MΩ。當補償電流為50A時，需要250KW容量的電阻才能長期工作，所以在接地後，必須迅速切除電阻，否則有爆炸的危險。這就影響到整個裝置的可靠性。

2、調節精度差

由於氣隙微小的變化都能造成電感較大的變化，電機通過機械部件調氣隙的精度遠遠不夠。用液壓調節成本太高

3、過電壓水平高

在電網正常運行時，消弧線圈處於全補償狀態或接近全補償狀態，雖有串聯諧振電阻將穩態諧振過電壓限制在允許範圍內，但是電網中的各種擾動（大電機投切，非同期合閘，非全相合閘等），使得其瞬態過電壓危害較為嚴重。

4、功率方向型單相接地選線裝置不能繼續使用

安裝該產品後，電網中原有的功率方向型單相接地選線裝置不能繼續使用

調匝式

該裝置屬於隨動式補償系統，它同調氣隙式的唯一區別是動芯式消弧線圈用有載調匝式消弧線圈取代，這種消弧線圈是用原先的人工調匝消弧線圈改造而成，即採用有載調節開關改變工作繞組的匝數，達到調節電感的目的。其工作方式同調氣隙式完全相同，也是採用串聯電阻限制諧振過電壓。該裝置同調氣隙式相比，消除了消弧線圈的高噪音，但是卻犧牲了補償效果，消弧線圈不能連續調節，只能離散的分檔調節，補償效果差，並且同樣具有過電壓水平高，電網中原有方向型接地選線裝置不能使用及串聯的電阻存在爆炸的危險等缺點，另外該裝置比較零亂，它由四部分設備組成（接地變壓器，消弧線圈、電阻箱、控制櫃），安裝施工比較複雜。

調匝式消弧線圈在電網正常運行時，通過實時測量流過消弧線圈電流的幅值，計算出電網當前方式下的對地電容電流，根據預先設定的最小殘流值，由控制器調節有載調壓分接頭到所需要的補償檔位。當發生接地故障後，補償接地時的電容電流，使故障點的殘流可以限制在設定的範圍之內。

調容式

主要是在消弧線圈的二次側並聯若干組用可控矽（或真空開關）通斷的電容器，用來調節二次側電容的容抗值。根據阻抗折算原理，調節二次側容抗值，即可以達到改變一次側電感電流的要求。

調可控矽式

調可控矽式消弧線圈是把高短路阻抗變壓器的一次繞組作為工作繞組接入配電網中性點，二次繞組作為控制繞組由2個反向連線的可控矽短接，調節可控矽的導通角由0～180°之間變化，使可控矽的等效阻抗在無窮大至零之間變化，輸出的補償電流就可在零至額定值之間得到連續無極調節。可控矽工作在與電感串聯的無電容電路中，其工況既無反峰電壓的威脅，又無電流突變的衝擊，因此可靠性得到保障。其特點如下：

（1）利用可控矽技術，補償電流在0～100%額定電流範圍內連續無級調節，實現大範圍精確補償，還適應了配電網不同發展時期對其容量的不同需要。

（2）利用短路阻抗作為工作阻抗，伏安特性在0～110%UN範圍內保持極佳的線性度，因而可以實現精確補償。

（3）該消弧線圈屬於隨調式，不需要裝設阻尼電阻，也不會出現串聯諧振，既提高了運行的可靠性，又簡化了設備。

（4）發生單相接地故障後該消弧線圈最快5ms內輸出補償電流，從而抑制弧光，防止因弧光引起空氣電離而造成相間短路；同時它能有效消除相隔時間很短的連續多次的單相接地故障。

（5）成套裝置無傳動、轉動機構，可靠性高，噪音低，運行維護簡單。

偏磁式

偏磁式消弧線圈不是採用限制串聯諧振過電壓的方法。偏磁式消弧線圈採用交流線圈內布置一個磁化鐵芯段，通過改變施加直流勵磁電流的大小，改變鐵芯的磁導，從而達到改變消弧線圈電抗值的目的。即在電網正常運行時，不施加勵磁電流，將消弧線圈調諧到遠離諧振點的狀態，但實時檢測電網電容電流的大小，當電網發生單相接地後，瞬時（約20ms）調節消弧線圈實施最佳補償。