调匝式消弧线圈二次并接阻尼电阻的应用优势
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【摘要】电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地装置等问题有密切的关系。国内外中压电网的运行经验表明，谐振接地即中性点经消弧线圈接地方式在供电可靠性、人身安全、设备安全和通信干扰方面，具有很好的运行特性。为此，我国电力规程DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》和GB50169-2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》规定：3～66kV系统的单相接地故障电容电流超过10A时，中性点应采用消弧线圈接地方式。
消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供一电感电流可以补偿相应的接地电容电流，使接地电流减小，减少间歇性电弧的产生，达到熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效地抑制过电压的幅值，同时也最大限度地减小了故障点热破坏作用及接地网的电压升高等。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调谐至谐振点上。但是在电网正常运行时，调谐至全补偿的消弧线圈会产生危险的串联谐振过电压，这是不允许的。如何来解决这一矛盾呢？方法是在消弧线圈上串联阻尼电阻，从而增大电网阻尼率，使得电网正常运行时串联谐振过电压小于15%相电压，等待接地故障的发生。当出现单相接地后，瞬间将阻尼电阻短接掉，从而实现最佳补偿。
目前国内市场主要流行的5种消弧线圈调节方式为相控式、偏磁式、调匝式、调容式和调气隙式，其中，调匝式在中小容量要求下有显著技术优势：调匝式采用机械结构调档，保证了消弧线圈是一个特性稳定的真实地电抗器，而其他技术（相控、偏磁、调容等）往往是在模拟电抗器的特性，因此调匝式具有以下的优点。
1）灭弧效果更好。2）输出的补偿电流精度更高，谐波更小。3）电容电流测量精度高。4）设备更稳定。
而传统的调匝式主要是串阻尼调匝，也就是本文中的“变阻尼率调节方式”，而最新技术为并阻尼调匝，即本文中的“恒阻尼率调节方式”。下面将针对“变阻尼率调节方式”和“恒阻尼率调节方式”的纯技术方面，进行阐述：在DL/T 1057-2007《自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件》中规定“在正常运行情况下，装置不应导致系统中性点长时间位移电压超过15%UФ。”在有消弧线圈接入的补偿电网中，中性点位移电压公式为：Un=K*UФ/（√v2+d2）；式中：UФ为相电压；v为脱谐度；d为补偿电网阻尼率；K为电网自然不平衡度。
由于调匝式消弧线圈采取预调式补偿方式，在正常运行状态时，Un取决于K、UФ、v和d。在补偿系统中，K、UФ为固定值，为达到最佳补偿效果（即达到全补偿状态）要求v趋近于零，所以中性点位移电压的大小是由补偿电网阻尼率决定的。
由于消弧线圈是由电感和电阻并联后再接地组成一次等效电路，补偿电网阻尼率为有功电流分量与电容电流之比，所以需要在补偿系统中接入阻尼电阻增加系统的阻尼率。
一般采用在消弧线圈二次并接阻尼电阻的方式，即在调匝式消弧线圈的铁芯上再绕一个二次绕组，在二次绕组上经晶闸管接入阻尼电阻，当电网正常运行时晶闸管接通以增大电网阻尼率，消弧线圈感抗值与消弧线圈一次绕组匝数的平方成正比，即X=K*N2，式中K为一常数，N为消弧线圈一次绕组匝数。
当消弧线圈有载分接开关分别工作在不同档位时，由于消弧线圈一次绕组匝数不同，所产生的消弧线圈感抗值也不同，假设消弧线圈工作在全部偿状态（即补偿电感电流与系统电容电流相同），补偿电网阻尼率d=Xn/Rn，Xn为为消弧线圈有载分接开关在n档位电抗，经计算倒出阻尼电阻折算到一次的并联电阻Rn=（Nn/N0）2*R，式中Nn为消弧线圈有载分接开关在n档位的匝数，N0为消弧线圈二次绕组匝数，R为二次绕组上经晶闸管接入阻尼电阻，通过调整消弧线圈二次绕组匝数，可得出不同的阻尼电阻，再将阻尼电阻折算到一次的并联电阻，由于调匝式消弧线圈的铁芯上绕一个二次绕组，由变压器原理可得知，阻尼电阻从消弧线圈的二次辅助绕组间接接入后，补偿电网阻尼率不变，对系统产生恒定阻尼率。
一次串联阻尼电阻调匝消弧线圈结构，在调匝式消弧线圈的铁芯一次绕组上串接由晶闸管和阻尼电阻组合的电路后再接地，当消弧线圈有载分接开关分别工作在不同档位时，所产生的消弧线圈感抗值也不同，将一次串联阻尼电阻折算为一次并联阻尼电阻，经电阻与电抗串并联转换计算发现，不同档位的补偿电网阻尼率也不相等，所以一次串联阻尼电阻消弧线圈不能对电网产生恒定阻尼率，我们只能选取最低档确定最小的阻尼率，其余档位都要大于这个阻尼率。
阻尼率按10%选取，38.5KV系统，20-50A消弧线圈在第一档阻尼电阻选择为：111Ω；最高档阻尼率为：25%。
在接地暂态过程中，消弧线圈的未切除阻尼电阻时，一次串联阻尼电阻的消弧线圈工作在最低档以外的档位时，阻尼率大于预先确定的百分比，暂态过程中残流的有功分量过大，不利于补偿效果。
下面对恒阻尼率做简单阐述：由于调匝式消弧线圈的铁芯上绕一个二次绕组，其等效电阻等于消弧线圈一、二次匝数比的平方乘以二次绕组的电阻，由于电感的感抗值与匝数平方成正比，得出阻尼率与消弧线圈二次匝数平方成正比，与二次并接的阻尼电阻成反比，即阻尼率d=K*NO2/R，同时乘以常数K（消弧线圈铁芯截面积、气隙有关）。
由此可见，采用二次并阻尼电阻方式的消弧线圈的阻尼率是一恒定常数，与消弧线圈铁芯截面积、气隙、二次匝数和二次并接的阻尼电阻值有关；与消弧线圈所处不同档位无关。
由于每套消弧线圈制造后的常数、一次匝数和二次并接的阻尼电阻值是固定不变的，就可以通过确定以上三个值来固定消弧线圈的阻尼率。
综上所述，二次并阻尼电阻优点分析：
1）产生恒定的阻尼率，克服了一次串联阻尼电阻的消弧线圈高档阻尼率大于低档阻尼率的缺点；
2）二次电压低，有利于阻尼电阻的保护。
虽然目前市场上也有针对实际效果而开发的关于串阻尼调匝式的组合式阻尼电阻，但不论从技术角度还是实际应用效果上，都可以看出恒阻尼率调匝式消弧线圈的广大应用前景。