消弧线圈工作原理

1．自动调谐原理
     正常运行中系统零序等值回路如图1所示，其中E0为系统不平衡电压，该电压是系统的三相对地电容不完全对称形成的固有不平衡电压与接地变压器中性点产生的对地电压的合成；XL为消弧线圈电抗；XC为系统对地容抗；I0为流过消弧线圈的不平衡电流。

   正常运行中系统零序等值回路

 U0与消弧线圈电抗的谐振曲线图

由图1可知，消弧线圈与系统对地电容对于系统不平衡电压E0形成串联谐振回路，当系统对地电容固定时，中性点电压U0与消弧线圈电抗的谐振曲线如图2所示。

应用时调节消弧线圈至某一档，测得中性点位移电压 ，再调节消弧线圈至相邻档，测得中性点位移电压 ，假定调档过程中 不变，在关联参考方向下，则有：

  
若采用标量形式，则可建立方程组： 
                         
可得

        
如果消弧线圈提供了为各档位相应的电流值 (以 为基准)，则上式可以变为：

上述计算系统对地容抗的方法称为“位移电压法”，我们利用KA2003-XH型消弧线圈成套装置的特点研制出改进的“位移电压法”。该方法利用改变消弧线圈电感参数，得到相应的反馈值，这样就可以有效的利用上述位移电压算法进行电容电流的计算。

控制器计算出系统接地电容电流后，根据用户指定的残流或脱谐度要求得到消弧线圈的最佳档位方案。如果采用“随调”的运行方式，正常运行时消弧线圈都退出系统，发生单相接地后控制器按照最佳档位方案快速投入消弧线圈，达到补偿熄弧。如果采用“预调”的运行方式，正常运行时控制器按照最佳档位方案投入消弧线圈，使系统处于过补偿运行状态，此时阻尼电阻可以防止谐振过电压，发生单相接地后快速退出阻尼电阻，达到过补偿熄弧。

2．单相接地选线原理

当系统发生单相接地时，为不影响整个系统供电，应快速准确地选出故障线路。本成套装置控制器可以根据用户需要嵌入选线功能，最多可以对两段母线及40条线路进行选线。控制器启动判线的条件为：零序电压3 大于接地启动电压设定值且各线路零序电流 大于启动电流设定值。

本装置采用多种方法进行故障选线，每种方法都针对信号的具体特点，不同方法之间具有互补性。

1) 智能型比幅比相法

智能型比幅比相方法的基本原理是：对于中性点不接地系统，比较母线的零序电压和所有线路零序电流的幅值和相位，故障线路零序电流相位应滞后零序电压90°并与正常线路零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线接地。传统比幅比相方法在信号处理、抗干扰和有效域方面存在一定的缺陷。智能型的比幅比相方法采用Butterworth数字滤波器，对信号进行有效的数字滤波处理，提取出了更可靠的信号成分，提高了选线正确性。

2) 谐波比幅比相法

谐波方法的基本原理是：对于中性点经消弧线圈接地系统，对谐波分量来说消弧线圈处于欠补偿状态，如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分，则比较所有线路零序电流谐波分量的幅值与相位，故障线路零序电流幅值较大且相位应与正常线路零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线接地。谐波选线方法采用有效的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而导致的误差。

3) 小波法

小波分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流和谐波电流作为选线判断的依据。由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大。特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。 

4) 首半波法

小电流接地电网单相接地故障产生的暂态电流虽然很复杂，但是发生故障的最初半个周波内，一定满足故障线路零序电流与正常线路零序电流极性相反的特点，因此可以通过比较首半波的零序电流极性进行故障选线，该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用。

5) 有功分量法、能量函数法

这两种方法的原理相同，对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈智能补偿零序电流的无功分量，不能补偿零序电流的有功分量，因此故障线路的零序电流的有功分量与正常线路极性相反，可以用这个特点进行选线。由于有功分量的含量较小，所以装置采用零序电流与零序电压的乘积，即零序能量来度量零序电流的有功分量，实际上是把有功分量进行了累加，零序能量最大的线路就是故障线路。

6) 突变量选线方法

这是我们针对并联组合式消弧线圈提出的一种独特选线方法。在系统发生单相接地后，通过高压接触器控制电抗器的投切，使消弧线圈的电感电流发生变化。由于这个突变的电流只能在故障线路上体现出来，因此计算各线路在电抗器投切前后零序电流的变化量，可以判断变化量最大者即为接地线路。使用该方法可进行连续判断，选线准确率很高。

如果消弧线圈未投入运行，控制器仍可作为选线装置使用，按照中性点不接地条件下的选线方法进行单相接地故障选线。

7) 有效域技术

对于不同的故障信号特征，各种选线方法都有一定的适用条件。当适用条件满足时，该选线方法选线结果一定正确，否则，选线结果可能出现错误。我们称选线方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分性条件，满足充分性条件的故障区域，称为该选线方法的有效域。

本装置通过粗糙集理论对每一种选线方法都界定了有效域，当故障信号特征落在某方法的有效域内时，该方法对该故障的选线结果一定是正确的，否则给这种方法的选线结果乘以一个系数w(0<w<1)。应用证据理论把这些信息组合起来，使最终选线结果反映了各种方法共同的支持点，选线结果非常可靠。

8) 连续选线技术

连续判断技术是针对小电流接地系统单相接地故障中故障信号微弱、容易受干扰的特点而采取的技术措施。该技术不完全依赖于一次判断的结果，而是综合考虑全过程的情况。装置在故障没有消失的情况下每隔1秒钟重复进行选线计算，直至故障消失，这样可以有效地排除少数几次误判。

3．母线分段运行或并列运行的控制方式

控制器可以采用“一拖一”或“一拖二”的控制方式，两种方式下在母线分段或并列运行情况下的控制方法不同。

1)  “一拖一”控制方式

“一拖一”控制方式即一个控制器只控制一台消弧线圈，两段母线的消弧线圈需要配置两个控制器。

分段运行

在系统正常运行时，两台控制器分别计算两段母线的电容电流，同时按照调谐标准(用户指定的脱谐度)给出消弧线圈目标档位。当发生单相接地故障时，控制器调节故障母线的消弧线圈达到过补偿。

并列运行

在系统正常运行时，I段控制器计算两段母线的电容电流，Ⅱ段控制器闭锁，当发生单相接地故障时，只有Ⅰ段消弧线圈进行调谐。

2)  “一拖二”控制方式

“一拖二”控制方式即一个控制器控制两台消弧线圈，两段母线的消弧线圈只需要配置一个控制器。建议用户采用“一拖二”控制方式。

分段运行

在系统正常运行时，控制器分别计算两段母线的电容电流，同时按照调谐标准(残流最小或指定脱谐度数值等)给出消弧线圈目标档位。当发生单相接地故障时，控制器按照事先计算好的方案只调节故障母线消弧线圈达到过补偿。

并列运行

如果计算出一台消弧线圈能够达到过补偿，则调节一台消弧线圈；一台消弧线圈补偿不足，则将某一台消弧线圈全部投入，差额部分由第二台调节完成，装置默认Ⅰ段消弧线圈具有优先权，故障时最先调节或全部投入，Ⅱ段消弧线圈调节差额。

又分为如下两种情况：

（1）一台消弧线圈运行、另一台（检修）退出

控制器计算两段母线的电容电流，给出电抗器的组合方案。当发生单相接地故障时，控制器按照事先计算好的方案调节该消弧线圈达到过补偿。

（2）两台消弧线圈都运行   

控制器计算两段母线的电容电流，在确定电抗器组合方案的时候，控制器首先判断仅调节一台消弧线圈是否能够达到过补偿点，如果可行就只调节一台消弧线圈；如果不可行，就调节两个消弧线圈。当发生单相接地故障时，按照事先计算好的方案控制一台或两台消弧线圈达到过补偿。

举例说明如下：

假设变电站两段母线各安装一套消弧线圈，消弧线圈补偿电感电流各80A，两段母线处于并列运行状况，且消弧线圈都投入运行。

[情况1]如果两段母线的所有线路电容电流为70A，则发生单相接地故障后，控制器调节一台消弧线圈的电感电流达到74A， 实现过补偿并进行选线。

[情况2]如果两段母线的所有线路电容电流为110A，则发生单相接地故障后，控制器调节一台消弧线圈的电感电流为80A，同时调节另一台消弧线圈的电感电流为34A，两台消弧线圈一起提供114A的电感电流，实现过补偿并进行选线。