弧线圈自动跟踪补偿成套装置
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一. 概述
对于不同电压等级的电力系统，其中性点的接地方式是不同的，根据我国国情，我国6~66KV配电系统中主要采用小电流接地运行方式。为了有效防止系统弧光接地，消除接地故障，提高供电质量，按照国家对过电压保护设计规范新规程规定，电网电容电流超过10A时，均应安装消弧线圈装置。由于中性点经消弧线圈接地的电力系统接地电流小，其对附近的通信干扰小也是这种接地方式的一个优点。
以前我国电网普遍采用手动调匝式消弧线圈，由于不能实时监测电网的电容电流，其主要缺陷表现在以下两个方面：
（1） 调节不方便，需要装置退出运行才能进行调节。
（2） 判断困难，无法对系统运行状态做出准确判断，因此很难保证失谐度和中性点位移电压满足要求。
我公司所研制生产的调匝式消弧线圈装置，该成套装置采用标准的工业级计算机系统，总线式结构，多层电路板设计，全彩色大屏幕液晶屏，全汉字显示。具有运行稳定可靠、显示直观，抗干扰能力强等特点，同时系统具有完善的参数设置及信息查询功能。该系统克服了以前各消弧线圈装置调节范围小的缺陷，能够进行全面调节。
该装置采用残流增量法和有功功率法等先进算法，对高压接地线路进行选线，选线准确、迅速。
本产品广泛应用于电力供电行业、发电厂、冶金、矿山、煤炭、造纸、石油化工等大型厂矿企业的变配电站，适用电压等级6~110KV，是老式消弧线圈理想的更新换代产品，同时也是新建变电站接地补偿及选线装置的较好配套产品。
二. 产品特点
（一） 控制器采用工业计算机平台，双CPU架构，多层电路板处理，运行稳定可靠。
（二） 采用全彩色液晶全中文显示，参数显示、设置及查询方便直观。
（三） 调节准确、速度快，且调节范围宽，可在0~100%额定电流全范围调节。
（四） 内嵌高压接地选线模块，采用残流增量法及有功功率法，使选线快速准确。
（五） 设有RS232及RS485通讯接口，可实现与上位机的通讯，达到信号的远距离传送。
（六） 可实现单相接地故障的声光控报警功能。
（七） 设有标准并口打印机，可实现数据打印，接地信息打印。
（八） 具有一控二功能，可实现同一系统内两套消弧线圈随系统运行情况自动变换。
三. 产品型号说明
四. 性能指标
（一） 电压等级：6KV~110KV
（二） 母线段数：两段
（三） 电容电流测量误差：小于2%
（四） 调档时间：小于20ms
（五） 接地残流：小于5A
（六） 控制器电源：
一路交流220V， 额定频率：50Hz
一路直流220V/110V，额定频率：50Hz
（七） 控制器适用环境
温度：-10℃~+45℃
湿度：小于95%
（八） 选线路数：8~42路
（九） 通讯接口：RS232/RS485
五. 工作原理
（一） 工作原理
调匝式消弧线圈是在消弧线圈设有多个抽头，采用有载调压开关调节消弧线圈的抽头以改变电感值。在电网正常运行时，微机控制器通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。正常运行采用过补偿方式，消弧线圈接地回路采用经串接阻尼电阻接地或采用直接尾端接地二次并阻形式。
该装置配置的接地选线模块，采用有功功率法来选择接地故障时的接地线路，即发生接地故障时，采集各线路的有功功率，及消弧线圈自身感抗有功功率的方法来，所采集到有功功率值最大的线路即为故障线路。
（二） 电容电流测量方法
当系统未发生接地故障时，消弧线圈与系统对地电容形成串联谐振回路，等效原理图如图所示：
其中：E0——系统不平衡电压
U0——位移电压
I0——零序电流
XL——消弧线圈电抗
R——阻尼电阻
XC——被测电容容抗
建立如下方程：
E0=U0+I0*XC
在该式中，U0、I0可实测，而E0不能测量，无法求出XC。为此，改变一下消弧线圈挡位，调档前后E0、XC不变，建立如下方程组：
E0=U01+I01*XC
E0=U02+I02*XC
解方程组得：
XC=（U02-U01）/（I01-I02）
电容电流IC可求得：
IC=相电压/XC
六. 装置总体构成
该装置由接地变压器、调匝式消弧线圈、档位调节有载开关、微机控制器、阻尼电阻箱等构成，总体构成图如下：
（一） 接地变压器
消弧线圈系统在接入时必须有电源中性点，在其中性点上接入消弧线圈。接地变压器的作用是在电力系统为△型接线或Y型接线中性点未引出时，用接地变压器构造成系统中性点。
接地变压器采用Z型接线的变压器，即ZN，yn11连接的变压器。由于变压器高压侧采用Z型接线，每相绕组由两段组成，并分别位于不同相的两铁心柱上，两段线圈反极性连接，两相绕组产生的零序磁通相互抵消，故零序阻抗很低，同时空载损耗也非常小，变压器容量可以99.99%被利用。用普通变压器带消弧线圈时，消弧线圈容量不超过变压器容量的20%，而Z型变压器则可带90%~100%容量的消弧线圈，可以节省投资。
接地变压器除可以带消弧线圈外，也可带二次负载，代替站用变。在带二次负载时，接地变压器的一次容量应为消弧线圈与二次负载容量之和；接地变压器不带二次负荷时，接地变压器容量等于消弧线圈容量。
（二） 调匝式消弧线圈
调匝式消弧线圈是在消弧线圈设有多个抽头，采用有载调压开关调节消弧线圈的抽头以改变电感值。在电网正常运行时，微机控制器通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。
（三） 微机控制器
1． 控制器型号：
2． 功能特点
微机控制器采用工业控制计算机（PC104）做为主机，显示部件采用全彩色液晶显示器。工控产品的可靠性保证了系统的稳定运行；彩色中文显示方式使数据显示更为直观。
微机控制器是整套装置的核心部分，所有的计算、显示、通讯及控制部分都是由它来完成的。其具有以下功能：
（1） 可自动测量电容电流，自动进行调节控制。
（2） 可显示系统电压、位移电压。
（3） 可显示消弧线圈电流、频率、残流、脱谐度、时间等参数。
（4） 具有接地次数统计及对应接地时的系统参数记录功能。
（5） 可通过控制器手动操作调节控制。
（6） 随时打印系统故障信息或查询打印。
（7） 设有通讯功能，可通过RS-232、RS-485口实现与上位机的通讯。
一台微机控制器可以控制一组消弧线圈，也可以同时控制两组消弧线圈，同时具备两台控制器并联运行功能。
3． 控制器构成
控制器由多路开关、信号放大器、A/D转换、光电隔离、I/O口、CPU主板、液晶显示板等构成，原理构成如下图所示。
该控制器硬件架构采用标准工业6U机箱，母板加插板式结构，接线端子排直接固定在插件板上，抗干扰能力强，接线及维护方便。为了使系统有更强的抗干扰能力，在设计线路板时，CPU主板、信号采集处理板，数据总线板等均采用了多层板结构。同时，控制器的接插件、接线端子等均采用进口或台湾生产。
母板垂直安装于控制器内，各插板从控制器后插入，各插板在控制器的位置如下图所示，各插板的位置是固定的，不能插错。
a. 电源板：为控制器提供高可靠性电源。提供的电源有+5V、+12V、+15V、-15V、+24V。各电源地相互独立，提高抗干扰性。
远动板：当系统出现故障时会立即切断系统供电。
b. 执行板：为系统提供输出信号，以控制有载开关的档位的调节，来实现档位电流的输出。
c. CPU主板：该主板为控制器的核心部分，集中处理整套设备的全部程序，执行全部的数据输入输出工作，数据分析，数据存储工作等。
d. 采集板：设备运行时对系统中各项目数据的采集并处理，如Uab,U0等电压信号，I0及种回路零序电流信号等。
e. 选线板：共设有42路选线通道，可接收系统中种路零序电流信号的输入，根据实际情况选择线路。
f. 远动板：也称跳闸板，即当系统出现单相接地故障时，使用此板可将故障线路迅速跳闸，由系统中切除故障点。
4． 控制屏
控制器安装在控制屏上，控制屏标准尺寸为800mm×600mm×2260mm，一面控制屏可安装两台控制器。控制屏除安装有控制器外，还安装有电流表、电压表、打印机、及各种继电器等低压电器。
包括整屏的电源开关，电源指示及报警，照明，消音按钮等。
5． 控制程序流程图：
（四） 阻尼电阻箱
在自动跟踪消弧线圈中，调节精度较高，残流较小，接近谐振点运行，为防止产生串联谐振过电压，在消弧线圈接地回路采用增加阻尼电阻的方法来抑制揩振过电压的产生，以确保系统正常运行时，使中性点位移电压不超过15%相电压。增加阻尼电阻的方法采用消弧线圈回路串联运行或消弧线圈二次侧并联运行的形式。
阻尼电阻选用抗高温且性能优良的不锈钢合金电阻，当系统发生单相接地故障时，系统将该阻尼电阻短接，以免烧毁阻尼电阻；当系统恢复正常时，断开阻尼电阻短接触点，使阻尼电阻正常串接消弧线圈回路中，否则系统有可能因失去阻尼电阻而出现谐振过电压。
本公司采用ZX18型不锈钢电阻，根据消弧线圈容量选用不同的阻值。电阻短接回路采用两套方案保护：
方案一：采用真空接触器动作保护：接触器动作电源选用两套独立的回路，一套选用交流220V，一套选用直流220V，增加了系统运行的可靠性。
方案二：采用可控硅实现电子式保护，采用自触发式短接动作时间更快，静态无触点，短接更安全可靠。
七. 接地选线单元
接地选线单元集成于控制器内，选线路数最大为42路。设有四种选线方法，即 “基波幅值”“有功功率法”“并联中电阻”及“残流增量法”供选择可由用户根据自身系统的实际情况来选择设定。
1. 基波幅值：当系统发生单相接地故障时，未接地运行的正常运行线路，其对地流出的电容电流为本身产生的电流值，而接地故障的故障线路，在故障点流回的电流则是整个系统内所有线路电容电流之和，所以其幅值最大。
2. 有功率法：当系统发生单相接地故障时，接地线路的零序功率中包含有消弧线圈、接地变压器铜损、铁损及系统对地绝缘电阻所产生的有功功率；非接地线路零序功率中只包含自身产生的有功功率，两者相差很大，可判别有功功率较大的为接地线路
3. 中电阻：即指并联中电阻就是在消弧线圈接地的系统内，与消弧线圈并列相连的一组电阻器，当系统出现单相接地故障时，通过中性点电压加载在电阻上而对地产生一个较大的阻性电流，来增加一个强大抗干扰的选线判断信号，是确保接地选线快速准确的关键设备。
4. 残流增量法：当系统发生单相接地故障时，首先采集各线路的零序电流，并记录下来；然后控制消弧线圈改变一档，再把各线路的零序电流采集一遍，也记录下来，同时求出各消弧线圈在调档前后零序电流的变化量。因为非接地线路的零序电流在调档前后无明显变化，而接地线路的零序电流变化量为调档前后电感电流的调节值，所以零序电流变化量最大者即判为接地线路。
注：接地选线功能和中电阻功能为选配功能，非标准配置，如需此功能需另计成本。
八. 并联中电阻
即中性点并联电阻器，它是实现中性点经消弧线圈接地方式时增强系统中接地电流信号，确保接地选线快速准确的关键设备，长期与消弧线圈并联,二者协调工作,实现过电压抑制以及单相接地故障选线等功能。本电阻器的阻值根据电网的实际情况按照一定的策略进行选择。电阻的投切及信号的选择靠控制器配合工作。
注：并联中电阻为选配功能，非标准配置，如需此功能需另计成本。
其增设有并联中电阻的系统图如下：
一. 概述
对于不同电压等级的电力系统，其中性点的接地方式是不同的，根据我国国情，我国6~66KV配电系统中主要采用小电流接地运行方式。为了有效防止系统弧光接地，消除接地故障，提高供电质量，按照国家对过电压保护设计规范新规程规定，电网电容电流超过10A时，均应安装消弧线圈装置。由于中性点经消弧线圈接地的电力系统接地电流小，其对附近的通信干扰小也是这种接地方式的一个优点。
以前我国电网普遍采用手动调匝式消弧线圈，由于不能实时监测电网的电容电流，其主要缺陷表现在以下两个方面：
（1） 调节不方便，需要装置退出运行才能进行调节。
（2） 判断困难，无法对系统运行状态做出准确判断，因此很难保证失谐度和中性点位移电压满足要求。
我公司所研制生产的调匝式消弧线圈装置，该成套装置采用标准的工业级计算机系统，总线式结构，多层电路板设计，全彩色大屏幕液晶屏，全汉字显示。具有运行稳定可靠、显示直观，抗干扰能力强等特点，同时系统具有完善的参数设置及信息查询功能。该系统克服了以前各消弧线圈装置调节范围小的缺陷，能够进行全面调节。
该装置采用残流增量法和有功功率法等先进算法，对高压接地线路进行选线，选线准确、迅速。
本产品广泛应用于电力供电行业、发电厂、冶金、矿山、煤炭、造纸、石油化工等大型厂矿企业的变配电站，适用电压等级6~110KV，是老式消弧线圈理想的更新换代产品，同时也是新建变电站接地补偿及选线装置的较好配套产品。
二. 产品特点
（一） 控制器采用工业计算机平台，双CPU架构，多层电路板处理，运行稳定可靠。
（二） 采用全彩色液晶全中文显示，参数显示、设置及查询方便直观。
（三） 调节准确、速度快，且调节范围宽，可在0~100%额定电流全范围调节。
（四） 内嵌高压接地选线模块，采用残流增量法及有功功率法，使选线快速准确。
（五） 设有RS232及RS485通讯接口，可实现与上位机的通讯，达到信号的远距离传送。
（六） 可实现单相接地故障的声光控报警功能。
（七） 设有标准并口打印机，可实现数据打印，接地信息打印。
（八） 具有一控二功能，可实现同一系统内两套消弧线圈随系统运行情况自动变换。
三. 产品型号说明
四. 性能指标
（一） 电压等级：6KV~110KV
（二） 母线段数：两段
（三） 电容电流测量误差：小于2%
（四） 调档时间：小于20ms
（五） 接地残流：小于5A
（六） 控制器电源：
一路交流220V， 额定频率：50Hz
一路直流220V/110V，额定频率：50Hz
（七） 控制器适用环境
温度：-10℃~+45℃
湿度：小于95%
（八） 选线路数：8~42路
（九） 通讯接口：RS232/RS485
五. 工作原理
（一） 工作原理
调匝式消弧线圈是在消弧线圈设有多个抽头，采用有载调压开关调节消弧线圈的抽头以改变电感值。在电网正常运行时，微机控制器通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。正常运行采用过补偿方式，消弧线圈接地回路采用经串接阻尼电阻接地或采用直接尾端接地二次并阻形式。
该装置配置的接地选线模块，采用有功功率法来选择接地故障时的接地线路，即发生接地故障时，采集各线路的有功功率，及消弧线圈自身感抗有功功率的方法来，所采集到有功功率值最大的线路即为故障线路。
（二） 电容电流测量方法
当系统未发生接地故障时，消弧线圈与系统对地电容形成串联谐振回路，等效原理图如图所示：
其中：E0——系统不平衡电压
U0——位移电压
I0——零序电流
XL——消弧线圈电抗
R——阻尼电阻
XC——被测电容容抗
建立如下方程：
E0=U0+I0*XC
在该式中，U0、I0可实测，而E0不能测量，无法求出XC。为此，改变一下消弧线圈挡位，调档前后E0、XC不变，建立如下方程组：
E0=U01+I01*XC
E0=U02+I02*XC
解方程组得：
XC=（U02-U01）/（I01-I02）
电容电流IC可求得：
IC=相电压/XC
六. 装置总体构成
该装置由接地变压器、调匝式消弧线圈、档位调节有载开关、微机控制器、阻尼电阻箱等构成，总体构成图如下：
（一） 接地变压器
消弧线圈系统在接入时必须有电源中性点，在其中性点上接入消弧线圈。接地变压器的作用是在电力系统为△型接线或Y型接线中性点未引出时，用接地变压器构造成系统中性点。
接地变压器采用Z型接线的变压器，即ZN，yn11连接的变压器。由于变压器高压侧采用Z型接线，每相绕组由两段组成，并分别位于不同相的两铁心柱上，两段线圈反极性连接，两相绕组产生的零序磁通相互抵消，故零序阻抗很低，同时空载损耗也非常小，变压器容量可以99.99%被利用。用普通变压器带消弧线圈时，消弧线圈容量不超过变压器容量的20%，而Z型变压器则可带90%~100%容量的消弧线圈，可以节省投资。
接地变压器除可以带消弧线圈外，也可带二次负载，代替站用变。在带二次负载时，接地变压器的一次容量应为消弧线圈与二次负载容量之和；接地变压器不带二次负荷时，接地变压器容量等于消弧线圈容量。
（二） 调匝式消弧线圈
调匝式消弧线圈是在消弧线圈设有多个抽头，采用有载调压开关调节消弧线圈的抽头以改变电感值。在电网正常运行时，微机控制器通过实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变化，计算出电网当前方式下的对地电容电流，根据预先设定的最小残流值或失谐度，由控制器调节有载调压分接头，使之调节到所需要的补偿档位，在发生接地故障后，故障点的残流可以被限制在设定的范围之内。
（三） 微机控制器
1． 控制器型号：
2． 功能特点
微机控制器采用工业控制计算机（PC104）做为主机，显示部件采用全彩色液晶显示器。工控产品的可靠性保证了系统的稳定运行；彩色中文显示方式使数据显示更为直观。
微机控制器是整套装置的核心部分，所有的计算、显示、通讯及控制部分都是由它来完成的。其具有以下功能：
（1） 可自动测量电容电流，自动进行调节控制。
（2） 可显示系统电压、位移电压。
（3） 可显示消弧线圈电流、频率、残流、脱谐度、时间等参数。
（4） 具有接地次数统计及对应接地时的系统参数记录功能。
（5） 可通过控制器手动操作调节控制。
（6） 随时打印系统故障信息或查询打印。
（7） 设有通讯功能，可通过RS-232、RS-485口实现与上位机的通讯。
一台微机控制器可以控制一组消弧线圈，也可以同时控制两组消弧线圈，同时具备两台控制器并联运行功能。
3． 控制器构成
控制器由多路开关、信号放大器、A/D转换、光电隔离、I/O口、CPU主板、液晶显示板等构成，原理构成如下图所示。
该控制器硬件架构采用标准工业6U机箱，母板加插板式结构，接线端子排直接固定在插件板上，抗干扰能力强，接线及维护方便。为了使系统有更强的抗干扰能力，在设计线路板时，CPU主板、信号采集处理板，数据总线板等均采用了多层板结构。同时，控制器的接插件、接线端子等均采用进口或台湾生产。
母板垂直安装于控制器内，各插板从控制器后插入，各插板在控制器的位置如下图所示，各插板的位置是固定的，不能插错。
a. 电源板：为控制器提供高可靠性电源。提供的电源有+5V、+12V、+15V、-15V、+24V。各电源地相互独立，提高抗干扰性。
远动板：当系统出现故障时会立即切断系统供电。
b. 执行板：为系统提供输出信号，以控制有载开关的档位的调节，来实现档位电流的输出。
c. CPU主板：该主板为控制器的核心部分，集中处理整套设备的全部程序，执行全部的数据输入输出工作，数据分析，数据存储工作等。
d. 采集板：设备运行时对系统中各项目数据的采集并处理，如Uab,U0等电压信号，I0及种回路零序电流信号等。
e. 选线板：共设有42路选线通道，可接收系统中种路零序电流信号的输入，根据实际情况选择线路。
f. 远动板：也称跳闸板，即当系统出现单相接地故障时，使用此板可将故障线路迅速跳闸，由系统中切除故障点。
4． 控制屏
控制器安装在控制屏上，控制屏标准尺寸为800mm×600mm×2260mm，一面控制屏可安装两台控制器。控制屏除安装有控制器外，还安装有电流表、电压表、打印机、及各种继电器等低压电器。
包括整屏的电源开关，电源指示及报警，照明，消音按钮等。
5． 控制程序流程图：
（四） 阻尼电阻箱
在自动跟踪消弧线圈中，调节精度较高，残流较小，接近谐振点运行，为防止产生串联谐振过电压，在消弧线圈接地回路采用增加阻尼电阻的方法来抑制揩振过电压的产生，以确保系统正常运行时，使中性点位移电压不超过15%相电压。增加阻尼电阻的方法采用消弧线圈回路串联运行或消弧线圈二次侧并联运行的形式。
阻尼电阻选用抗高温且性能优良的不锈钢合金电阻，当系统发生单相接地故障时，系统将该阻尼电阻短接，以免烧毁阻尼电阻；当系统恢复正常时，断开阻尼电阻短接触点，使阻尼电阻正常串接消弧线圈回路中，否则系统有可能因失去阻尼电阻而出现谐振过电压。
本公司采用ZX18型不锈钢电阻，根据消弧线圈容量选用不同的阻值。电阻短接回路采用两套方案保护：
方案一：采用真空接触器动作保护：接触器动作电源选用两套独立的回路，一套选用交流220V，一套选用直流220V，增加了系统运行的可靠性。
方案二：采用可控硅实现电子式保护，采用自触发式短接动作时间更快，静态无触点，短接更安全可靠。
七. 接地选线单元
接地选线单元集成于控制器内，选线路数最大为42路。设有四种选线方法，即 “基波幅值”“有功功率法”“并联中电阻”及“残流增量法”供选择可由用户根据自身系统的实际情况来选择设定。
1. 基波幅值：当系统发生单相接地故障时，未接地运行的正常运行线路，其对地流出的电容电流为本身产生的电流值，而接地故障的故障线路，在故障点流回的电流则是整个系统内所有线路电容电流之和，所以其幅值最大。
2. 有功率法：当系统发生单相接地故障时，接地线路的零序功率中包含有消弧线圈、接地变压器铜损、铁损及系统对地绝缘电阻所产生的有功功率；非接地线路零序功率中只包含自身产生的有功功率，两者相差很大，可判别有功功率较大的为接地线路
3. 中电阻：即指并联中电阻就是在消弧线圈接地的系统内，与消弧线圈并列相连的一组电阻器，当系统出现单相接地故障时，通过中性点电压加载在电阻上而对地产生一个较大的阻性电流，来增加一个强大抗干扰的选线判断信号，是确保接地选线快速准确的关键设备。
4. 残流增量法：当系统发生单相接地故障时，首先采集各线路的零序电流，并记录下来；然后控制消弧线圈改变一档，再把各线路的零序电流采集一遍，也记录下来，同时求出各消弧线圈在调档前后零序电流的变化量。因为非接地线路的零序电流在调档前后无明显变化，而接地线路的零序电流变化量为调档前后电感电流的调节值，所以零序电流变化量最大者即判为接地线路。
注：接地选线功能和中电阻功能为选配功能，非标准配置，如需此功能需另计成本。
八. 并联中电阻
即中性点并联电阻器，它是实现中性点经消弧线圈接地方式时增强系统中接地电流信号，确保接地选线快速准确的关键设备，长期与消弧线圈并联,二者协调工作,实现过电压抑制以及单相接地故障选线等功能。本电阻器的阻值根据电网的实际情况按照一定的策略进行选择。电阻的投切及信号的选择靠控制器配合工作。
注：并联中电阻为选配功能，非标准配置，如需此功能需另计成本。
其增设有并联中电阻的系统图如下：
