自动跟踪补偿式消弧线圈阻尼电阻的设计条件与计算

２００８年第２期　煤炭工程　自动跟踪补偿式消弧线圈阻尼电阻的　设计条件与计算　

张文海　，金小强　，王崇林　，李晓波　，纪建平　，孙纯宁　（１．中国矿业大学，江苏徐州２２１００８；２济三煤矿机电科，山东济宁２７２１６９）　

摘要：文章从消弧线圈中阻尼电阻的作用出发，分析了阻尼电阻串联接入和并联接入的等　效性。按阻尼电阻串联接入方式分析，导出了阻尼电阻的约束条件。结合消弧线圈在实际运行中　出现的问题，分析了故障产生的原因，并提出了解决问题的方法思路，对实际应用具有一定的借　鉴意义。　关键词：消弧线圈；跟踪补偿；阻尼电阻；等效性　中图分类号：ＴＭ４７５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２００８）０２　２３＿（）３　

自２０世纪９０年代以来，城市中压电缆供电电网纷纷　采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。运行结果表明，　中性点经消弧线圈接地运行方式在提高供电可靠性、保障　人身设备安全、降低电磁干扰、减少运行维护工作量等方　面显示出了巨大的优越性…；在提高煤矿电网安全性方面　也显示出了良好的效果。但在实际运行中，消弧线圈的故　障事故也时有发生。究其原因，主要是由于消弧线圈阻尼　电阻的设置不适当。本文从消弧线圈回路接入阻尼电阻的　作用出发，对阻尼电阻的选取条件和计算方法进行了讨论　分析。　１阻尼电阻的作用　补偿电网在运行中可能会有多种过电压，其中谐振过　电压出现频繁，危害性较大。通过在消弧线圈回路接人大　功率电阻的方式，可以降低过电压的幅值和出现过电压的　概率，可使正常运行时中性点最大偏移电压不超过相电压　的１５％，满足规程要求。在ＤＬ／Ｔ　６２０—１９９７《交流电气装　置的过电压保护和绝缘配合》中规定：“消弧线圈接地系　统，在正常运行情况下，中性点长时间的电压位移不应超　过系统相电压的１５％，消弧线圈宜采用过补偿运行方式”。　在调节消弧线圈电流，　时，必须兼顾两方面因素：其　使接地残流，　小于５Ａ，以利于熄弧；其二，正常运行　时中性点位移电压　满足　＜１５％ｖ。但是，这两个因　素是具有矛盾性的。，ｏ　计算正常运行时补偿电网中性点位移电压的等值电路　如图１所示，　为消弧线圈退出运行时，电网中性点的不　对称电压，　为投入消弧线圈后的中性点的对地电压，也　等于电网零序电压　，，Ｊ为消弧线圈的等值电感，Ｇ　为等　值电导，　为电网的对地电导，３Ｃｏ为电网的等值电容。　的有效值表达式为　］：　

Ｕｏ＝　ｈｄ：　ｃ１，（’　十Ⅱ　Ｖ　十Ⅱ　式中　——电网相电压　

消弧线圈脱谐度；　ｄ——电网阻尼率；　电网自然不平衡度。　

ｆ　

图１正常运行时中性点电压的等值图　３Ｇｏ　

在电网结构确定后，不对称度　和相电压　均为定　值，在全补偿位置（脱谐度　＝０）时，增加阻尼率ｄ０可以　降低零序电压　，减小三相对地电压的不对称程度。　在电网发生单相接地故障时，零序电压将接近于相电　压，要求电感电流对电容电流全补偿，此时为了减小接地　点电流，需要电网对地具有很小的电导，即要求有较大的　绝缘电阻。　目前我国生产的跟踪式自动调节消弧线圈装置，大都　在消弧线圈接地回路中接入一个线性阻尼电阻（简称　）。　并在　旁加装短接装置。电网正常运行时，投人　，由　

收稿日期：２００７—１１—２９　作者简介：张文海（１９６２一），男，中国矿业大学信息电气工程学院在读博士，研究方向：煤矿电网的安全性分析与可　靠性研究。　

２３　

维普资讯 http://www.cqvip.com 煤炭工程　２００８年第２期　于阻尼电阻的存在，谐振回路的阻尼率ｄ增大很多，即使　此时　一０，对地电压也将很小，　控制在允许值的范围　内；当电网接地时，短接　，可以使消弧线圈电流　充分　补偿接地电容电流，使接地残流很小，基本上解决了ｚ　与　的矛盾。　

２消弧线圈回路串接电阻与并接电阻的等效性　实际上，消弧线圈的阻尼电阻可以并联接入也可以串　联接入，二者应该是等效的　。消弧线圈并联和串联阻尼　电阻的电路图如图２所示。　图２消弧线圈并联和串联阻尼电阻换算电路　并联电路毗尺Ｒ＋ｊｗＬ＝　串联电路阻抗：Ｒ　＋　￡　令它们的参数等效，则有如下关系：　尺　∞，Ｊ　砒　反之有　∞，Ｊ：　＋　因此，对串联阻尼电阻的取值进行计算后，　相应的变换就可得出并联阻尼电阻的取值。　３阻尼电阻的约束条件　（２）　（３）　（４）　（５）　只要进行　下面以阻尼电阻与消弧线圈电感串联为例来分析阻尼　电阻应该满足的条件（消弧线圈自身阻尼在分析时忽略），　其等效电路图如图３所示。　图中　是　肖弧线圈未投运电网中性点的位移电压，　Ｕｂ　＝Ｋ　Ｕ，Ｒ。为电网自然绝缘电阻（认为很大，在分析时　忽略），ｃ为电网对地电容，，Ｊ为消弧线圈电感，尺为阻尼　电阻，　为模拟电网故障的开关，　。为阻尼电阻的模拟短　接开关。　３．１　正常运行时，中性点位移电压不超过系统额　定相电压的ｌ５％　在图３中，在全补偿（谐振）的情况下，中性点偏移电　２４　图３消弧线圈串联阻尼电阻时的等效电路　

压的大小为消弧线圈的电压及阻尼电阻上压降的相量和，　其幅值为：　￣／（　Ｕ　Ｑ）　＋（　Ｕ　）　≤１５％·Ｕ　（６）　Ｑ为串联电路的品质因数，Ｑ＝∞　尺。　般情况下，架空线路不对称度Ｋ　的值通常为０．５％　１．５％，个别情况下可达２．５％及以上；电缆线路的　值　约为０．２％～０．５％。取　为０．２％～２．５％，考虑全补偿时　（　＝０）且消弧线圈在最大感抗处（需最小补偿电流，因为电　容电流是经常变化的）运行的情况，则由式（６）得：　Ｒ≥（０．０１３３３：０．１６９０）ｗＬ　（７）　３．２　电网发生谐振时，消弧线圈的压降应小于其　额定工频电压　在图３中，当回路发牛串联谐振时，回路的电抗为零，　复阻抗为一纯电阻，这时，消弧线圈上的端电压不应超过　额定电压。设消弧线圈的额定电压等于系统的相电压　，　则：　Ｋ　∞，Ｊ≤Ｕ　（８）　

即尺≥Ｋ　ｗＬ　仍取同样的　值范围，则有　Ｒ≥（０．００２：０．０２５）ｗＬ　（９）　３．３保证基于零序有功功率选线的接地保护装置　正确动作　由式（７）和（９）似乎可以看出，串联电阻时，Ｒ可以在　个比较大的范围内取值，并且越大越好，但实际上并不　是这样。首先如果电阻很大，补偿电网将退化为中性点绝　缘电网；其次现在大多数电网都配置有接地选线保护，而　接地选线保护装置广泛采用的一种选线方法就是零序有功　功率分量原理：当电网发生单相接地故障时，非故障支路　和消弧线圈的有功电流都要流过故障支路的零序电流互感　器，方向由线路到母线，非故障支路的零序电流互感器虽　也流过本支路电网对地绝缘电阻的有功电流，但由于电网　自然绝缘电阻很大，其有功电流很小，且其方向是由母线　到线路。由中国矿业大学研制的ＷＬＤ系列接地选线保护装　置，就是采用零序有功分量原理。当电网发生单相接地后，　微机选线装置可将系统各回路的零序电压及零序电流采集　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第２期　煤炭工程　下来，进行处理计算分析，基波有功分量最大者即为接地　线路。此选线保护装置要求提供不少于１Ａ的有功电流　］。　因此，阻尼电阻的阻值还是有上限限制的。对于不同厂家　的选线保护装置，其要求是不同的，但是针对这一条件的　计算是必不可少的。　

４传统消弧线圈并联阻尼电阻在实际运行中存在　的问题及解决方法　

４．１存在的问题　在实际运行中，电网的不对称电压有高有低，故障形　式更具有多样性，如间歇性接地，高阻接地，断线不接地　等等，给消弧线圈短接装置及其控制系统的判断带来很大　困难，以致出现烧毁阻尼电阻或短接装置的事故。其原因　可归纳为以下几个方面：　１）不对称电压比较高的电网发生单相接地后，阻尼电　阻被短接，当接地消失后，短接装置的控制系统将无法分　辨是否处在接地，短接装置不能自动断开，结果是在真的　接地消失后，出现虚幻接地。　２）当电网不对称电压升高到一定程度，自动调节的控　制器误认为电网发生接地，将阻尼电阻短路，消弧线圈又　调谐在接近全补偿状态，可能产生很高的中性点位移电压，　造成电网对地相电压严重不对称，某相对地电压将升高很　多，造成事故，损坏设备。　３）由于阻尼电阻的短接往往需要一定的延时，以利于　接地选线保护装置正确选线，因此降低了消弧线圈的补偿　响应速度。　４．２解决方法　４．２．１合理整定短接开关的启动电压　般的短接控制装置都是根据中性点电压的变化来判　断系统是否接地，决定阻尼电阻是否要被短接。但是中性　点电压的升高程度与接地性质有关：金属接地，中性点电　压为相电压；经过渡电阻接地，中性点电压低于相电压。　经过计算各种接地电阻值与中性点电压升高的关系，再考　虑到一相短线引起中性点电压升高的情况，结合运行实践，　证明把启动电压设在１５～４０Ｖ　是比较合适的。　４．２．２阻尼电阻采用非线性电阻　由前面的分析可知，采用串联阻尼方式，在电网正常　运行时，需要较大的阻尼，限制系统运行中出现的中性点　位移电压和谐振过电压，在电网发生故障时，需要有一定　的阻尼来产生所需的有功电流进行选线。因此可以利用非　线性电阻的特性，将消弧线圈串联的电阻改用非线性电阻，　效果可以更好，且不需要配置短接开关。如图４所示。　当电网发生故障时，电路图如图５所示，ＮＬＲ的阻值　迅速减小，既能实现充分补偿，又能满足选线要求。而且　ＮＬＲ电阻能够做到无延时的变化改变阻值，不会发生因阻　图４电网正常运行时　作用下ＮＬＲ呈高阻值　图５电网接地时Ｕｂ　作用下ＮＬＲ呈低阻值　

值滞后变化而影响灭弧或引发高幅值位移电压。　５结语　阻尼电阻是自动跟踪消弧线圈的重要组成部分，选择　合适的阻值，对消弧线圈在自动调谐过程中防止谐振过电　压，防止正常运行时中性点偏移电压超过１５％相电压，同　时对保障微机接地选线装置动作的正确性，将起到关键作　用。同时还需合理确定电压继电器的启动电压才能保证并　联阻尼电阻消弧线圈的正常运行。另外，非线性阻尼电阻　（ＮＬＲ）替代线性阻尼电阻（ＬＲ）是消弧线圈研究的新方向。　

参考文献：　要焕年．中压电网中性点接地方式发展的新趋势［Ｊ］．高　电压工程，１９９３，１９（２）：６２～６５．　黄杰．阻尼电阻在消弧线圈回路中的作用及存在的问题和　改进措施［Ｊ］．地质找矿论丛，２００３，（１８）：６６－６９．　李润先．中压电网系统接地实用技术［Ｍ］．北京：中国电　力出版社．２０ｏ２．　雷欢虎．自动跟踪补偿消弧线圈装置中阻尼电阻的选取　［Ｊ］．西北电力技术，２０ｏ２，（５）：４７－４９．　王崇林．中性点接地方式与消弧线圈［Ｍ］．徐州：中国矿　业大学出版社，１９９９．　毛冠民．消弧线圈阻尼电阻计算若干问题探讨［Ｊ］．福建　电力与电工，２０００，２０（３）：４１～４２．　姚道德．自动跟踪补偿消弧线圈装置的选型［Ｊ］．供用电，　２０ｏ２，１９（３）：３８～４０．　（责任编辑赵巧芝）