高壓并聯(lián)電容器用放電線圈的溫升特性探索

卓金坤

（國網廈門供電公司，福建 廈門 361000）

高壓并聯(lián)電容器中，放電線圈是必需配套設施，現(xiàn)階段，在高壓并聯(lián)電容器專用放電線圈的研究方面，國內外都比較少。立足于DL／T653-2009在放電線圈方面的具體要求，同時充分考慮電壓無功控制（Voltage Quality Control，VQC）模式下放電線圈的實際運行狀況，本研究通過高壓并聯(lián)電容器用放電線圈相關放電試驗來探索其溫升特性。

1 放電實驗類型和內容

1.1 試驗所用線圈的選擇

本研究從高壓電力系統(tǒng)中符合高壓并聯(lián)電容器組要求的單項放電線線圈的多種類型中，選擇3種普通規(guī)格的放電線圈。

1.2 試驗類型和內容

1.2.1 額定負載工況下的溫升特性研究試驗

在該實驗過程中，實際1.1倍額定電壓于放電線圈一次側，把二次繞組有效連接到負載箱上，放電線圈二次選配額定負荷。如果每個小時表面溫差小于1 K時，就可認定放電線圈處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。采用電阻法對繞組平均溫升進行測量，同時采用紅外測溫儀或紅外測溫計對放電線圈的其他部件的溫升狀況進行測量。

1.2.2 額定電壓環(huán)境中二次短路工況下的溫升特性研究試驗

國家相關標準規(guī)定，在額定電壓條件下，放電線圈應當能夠承受二次短路電流在1 s內產生的熱力作用以及機械力作用，并且不能損傷到線圈自身。本研究重點關注額定電壓環(huán)境中二次短路工況下放電線圈的溫升狀況，對該工況下產生的熱能否達到損壞線圈溫度的狀況進行研究。在結束二次短路試驗后，立即測量放電線圈的一次繞組熱態(tài)電阻，同時精確計算一次繞組的平均溫升數值。

1.2.3 額定容量放電工況下溫升特性研究試驗

在進行該試驗過程中，選用與放電線圈額定放電容量一致的電容器組，采取直流充電方式使其達到額定電壓值，之后利用放電線圈實施放電過程，在此過程中，還要對放電線圈接受能量注入后的一次繞組的溫升具體狀況進行重點考慮[1]。

1.2.4 額定容量連續(xù)放電工況下溫升特性研究試驗

合理模擬VQC控制模式下的持續(xù)投切電容器的具體工況，并對放電線圈的繞組溫升情況進行有效測量，也就是說采用對放電線圈額定容量連續(xù)放電的方式，放電間隔時間為300 s，并及時有效地測量放電線圈一次繞組的瞬態(tài)溫升變化。

2 分析和研究實驗結果

從這3種規(guī)格放電線圈在不同工況下的繞組溫升具體狀況對比，我們可以看出：

（1）對于額定負載工況下溫升特性研究試驗，因為試驗過程相對較長，整體放電線圈出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，所以溫度下降相對較緩慢。

（2）放電線圈額定二次短路1 s，因為在一次線圈內注入的能量不多，所以相比于另外兩種工況，該工況下溫升顯著較低。

（3）放電線圈額定容量放電試驗，能量注入較大，需要5 s才能結束放電，實現(xiàn)再停電，由于快速測量電阻儀的局限性，在以上工況條件下，實際測量出的溫度依然比其他兩種工況降得更快。

3 實驗相關計算

3.1 發(fā)生二次短路情況后，放電線圈相關參數對一次繞組溫度的影響

以放電線圈的等值電路圖為基本依據，當放電線圈一次側加壓二次側端情況下，可以獲得放電線圈二次短路工況下的等效電路。

在放電線圈二次短路一秒工況下的溫升試驗中，可以相對忽略鐵心發(fā)熱對一次繞組溫升狀況的影響，這個時候注入一次繞組的能量為：

式中：Rk代表短路電阻，Xk代表短路電抗，都折算多一次側，Uk代表一次側所加電壓，Ik代表一次側短路電流。

一次繞組所接收的注入能量都轉化成繞組發(fā)熱，這個時候所得一次繞組的溫升是：

式中：CCu是銅比熱容，m代表一次繞組所用銅的重量。

從（1）和（2）式可看出，放電線圈額定二次繞組短路1 s，一次繞組的溫升與放電線圈的漏抗、二次繞組的電阻和一次繞組用銅質量存在很大關系。

3.2 直流放電試驗過程中，放電線圈參數對一次繞組溫度的影響

在放電過程中，放電線圈的實際損耗非常小，所以可將勵磁電阻忽略掉。同時由于該放電性質屬于直流電，這就使得放電線圈鐵心處在深飽和狀態(tài)，漏抗也非常小，可以將回路電感忽略掉[2]。

設電容器起始剩余電壓為U0，放電過程通過運算可得：

式中：C表示電容器組電容，R表示放電線圈一次直流電阻，Uc表示電容器剩余電壓，ic表示放電電流。

當t=0時，uc（0）=U0，ic（0）=U0/R，uc（t）和ic（t）表現(xiàn)出指數型衰減狀況，其時間常數i=RC，時間常數τ隨著R和C的變化而變化，也就是放電時間也跟著發(fā)生改變。從這里可以看出，對于放電電流峰值限制和放電時間要求來講，放電線圈直流電阻參數非常重要。

電容器對放電線圈放電時，將其自身以及導線等方面的損耗相對忽略，可看成電容器內部能量完全轉化成一次繞組的發(fā)熱。若電容器C初始電壓是U0，一次繞組用銅的重量是m，而這時候一次繞組的溫升就是：

式中：CCu是銅比熱容，從該式可以看出，在放電試驗中，若電容器內部能量一定，一次繞組的溫升就與一次繞組的用銅有很大關系，其溫升程度隨著用銅質量的增加而變小；反之，則溫升變大。表1列出3臺放電線圈在各種放電電壓和電容量環(huán)境下，測量出的實際溫升與計算溫升，實驗環(huán)境溫度都是15 ℃，而實測溫升可以通過電阻法計算出來。

表1 試驗中放電線圈一次繞組溫升計算值與實測值

4 結語

本研究通過對文中所述的幾種溫升試驗比較，可以得出以下分析結果：（1）因為額定負載工況下溫升特性研究試驗的過程較長，整個放電線圈都存在發(fā)熱現(xiàn)象，所以溫降速度較慢。（2）額定二次短路1 s工況下，注入能量不多，這時候溫升相對較低，可以將線圈繞組溫升忽略。（3）額定容量工況下的放電試驗，能量注入快且大，繞組瞬時溫升過高。所以，在分析過程中，要綜合考慮額定負載和放電試驗兩種情況下的繞組溫升狀況。（4）放電線圈繞組的瞬態(tài)溫度隨著放電試驗的不斷進行而持續(xù)增加，并且上升速度非常快，所以要高度關注該工況下繞組的瞬態(tài)溫升。變電所在VQC控制模式下，對并聯(lián)電容器進行投放投切過程中，應控制電容器組操作間隔在300 s以上，特別是在溫度很高的夏天，要嚴禁連續(xù)投切電容器，以免繞組瞬態(tài)溫度過高而出現(xiàn)損壞狀況。