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

)(09

02104H 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 min

max

====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 Q

C 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：

00222

sin 2sin φωφφωφa t a t a i m m -*+-= t

a 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。

6、直流磁阀式消弧线圈

图11：磁阀式消弧线圈原理图

（a）铁芯结构；（b）电气原理

图12：可控硅导通后的等值电路图

（a ）V 1导通；（b ）V 2导通

磁阀式消弧线圈的电气原理及铁心结构图如图11所示。

如图可见，消弧线圈的主铁心分裂两半，左、右有小截面段，在左、中柱

上分别套有上下两个对称绕组（其中之一绕组之间带抽头）。在左、中柱上下两个绕组作交叉连接后并联至电网。两个晶闸管V1和V2接在左、右四个抽头上，续六二极管D0横跨在左、右绕组交叉连接的端点上。抽头比N N /1=δ,其中N 为每柱上的绕组匝数，N1为抽头匝数。

如图所示，档晶闸管V1和V2不导通时由于绕组接线的不对称性所致，此

时消弧线圈与空载变压器无差别。档电网发生单项接地时，电网中性点出现零序电压，在此正弦零序电压的作用下，V1和V2轮流承受正反向电压。在电压正半周期间，V1承受正向电压，V2承受正反电压。如在此期间，在V1的控制

极上送入触发脉冲，则V1导通，即a、b两点等电位，电源e经过变比为δ的线圈自耦变压器后，由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电流y1'ι和y2'ι。由此得出V1导通时的等效电路，如图5-8（a）所示。同理，若在电源零序电压负半周期间，V2导通，V1截止，则c、d两点等电位，如图5-8（b）所示。这时产生的电流y1''ι和y2''ι的方向分别与y1'ι和y2'ι一致。这样，在零序电压的一个周期内，由于V1和V2分别导通的结果，将在消弧线圈上产生直流控制电流，这个直流控制电流流过铁心的左、中柱，在左、中柱上的控制绕组中产生0φ磁通。二交流工作电流'ι（''ι）在左、中柱和右侧柱上产生闭合磁通1φ。可见，在电源的一个工频周期内，晶闸管V1和V2轮流导通，起到了全波整流的作用，二极管D0起到续流作用。改变晶闸管的触发导通角大小，即可改变电流'ι和''ι的大小，从而连续改变消弧线圈的磁芯饱和度，也就是能实现消弧线圈容量的平滑连续调节。

综上所述，这种磁阀式消弧线圈与前述的偏磁消弧线圈相比，有如下不同点：

（1）磁阀式消弧线圈利用电网正弦电压经绕组自耦变后，由可控硅整流后提供电源，不需要外加激磁电源；而直流偏磁消弧线圈则需要外加激磁电源。

（2）磁阀式消弧线圈把交流工作绕组与直流控制绕组有机的结合在一起，这样可简化结构，减少损耗，而直流偏磁消弧线圈则与此相反，因此在制造结构上要比前者复杂一些。

磁阀式消弧线圈的铁心面积，只有两段小截面积，在其工作过程中，只有这两两段会磁路饱和，而其余各处磁铁处于未饱和状态，因此其伏安特性为线性特性，而前述的偏磁消弧线圈由于铁心磁化段上会处于磁饱和状态，因此，其伏安特性的线性段受到限制。

7、高短路阻抗式消弧线圈调谐原理的实现

如图13所示该消弧线圈是一种该消弧线圈是一种新型接地变压器式可控电

抗器，其一、二次绕组间的短路阻抗很大（可达到100%或更大），二次绕组用晶闸管短路。通过改变晶闸管的导通角来调节消弧线圈二次绕组中的短路电流，从而实现消弧线圈电抗值的连续调节。由于此电抗的调节是通过改变晶闸管来实现的，因此，其具有很快的速度，并可实现由零到额定电流的连续调节。此外，由于作为补偿用的电感不是激磁阻抗而是变压器的断路阻抗，因而可保证在全电压范围内都有良好的线性伏安特性。这一优点十分重要，因为好、这时消弧线圈输出的电感电流将与中性点电压成线性关系。

当晶闸管的触发角为α时，消弧线圈工作线圈输出的基波电流为

]2sin 2[)/(360201ααπππ--?=m I I

式中m I 0——额定电压下晶闸管全导通时经过工作线圈电流的等效值。

图13：高短路阻抗式消弧线圈调谐原理的实现

利用可控硅也可以实现消弧线圈电感的连续调节，主要方法是通过改变与

消弧线圈部分可调绕组相并联的晶闸管的导通时间来改变消弧线圈的等值电感，达到连续调节补偿电流的目的，此种消弧线圈虽然可以提高调谐精度，但

调谐范围依然较难扩展。另外，当晶闸管处于非全导通状态时，会产生一定的谐波电流。可控硅承受较高电压。

三、下面，就不同调节方式的消弧线圈的优缺点及代表厂家总结如下：

有载调匝式消弧线圈：

优点：由于采用预调制使其对容性的补偿在可视方面更具可靠性，切其对容性电流的补偿通过调档方式实现也比较直观易解；

缺点：不能平滑调节，补偿效果不能达到最佳状态；机械部分过多易出现机械故障，如：当系统发生接地时如不能迅速切开阻尼电阻则就会将其烧毁；

过度频繁的调节档位易导致有载开关卡死、烧毁电机。

代表厂家：河南恩湃电力技术有限公司、河北旭辉电气公司、上海思源电气公司；

有载调容式消弧线圈：

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，无法达到最佳的补偿。另外，由于需要较多的电容器和附加设备，造价高。

代表厂家：河北旭辉电气公司、上海思源电气公司；

可调气隙式消弧线圈：

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。

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：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。目前，该种类消

弧线圈已不再生产。

代表厂家：信阳利安电气公司；

直流偏磁式消弧线圈：

该方法的优点是电感可以连续调节,但需要附加大容量直流激磁电源，结构复杂，对电网引入谐波较大。

代表厂家：天津航博电气设备公司；

直流磁阀式消弧线圈：

优点：无机械传动装置，响应速度快，电感可以连续调节并且电感调节范围大，特别适用于调节频繁的场合。相对直流偏磁式消弧线圈这种消弧线圈不

需要附加大容量直流激磁电源，无须调档开关，结构简单；

缺点：由于增加二次绕组，导致成本较高。

代表厂家：河南恩湃电力技术有限公司；

高短路阻抗式消弧线圈：

优点：结构简单，无机械传动装置，无阻尼箱，响应速度快，电感可以连续调节，适用于调节频繁的场合。这种消弧线圈不需要附加大容量直流激磁

电源，无调档开关，结构简单；

缺点：处于工作状态时可控硅要承受较高电压，对可控硅要求较高；当晶闸管处于非全导通状态时，会产生一定的高次谐波电流，对电网有害。

代表厂家：广州智光电气设备公司；