高压并联电容器用放电线圈设计

1、高压并联电容器用放电线圈设计黄伟群（天津市百利纽泰克电气科技有限公司，天津市 300409）摘要：从放电线圈的放电功能入手，阐述了放电线圈和电压互感器主要技术性能的差异及放电线圈的基本设计方法。关键词：高压并联电容器；放电线圈；设计；design of discharge coil for high voltage shunt capacitorshuang wei-qunabstract：i expound the differences between discharge coil and potential transformer in basic technical performan

2、ce and basic design methods of discharge coil from the view of discharge coils discharge function.key words: high voltage shunt capacitors; discharge coil; design;1.前言：放电线圈（以下用“fd”表示）是当电容器从电源脱开后能将电容器端子上的电压在规定时间内降到规定值的带有绕组的器件。fd与高压并联电容器组并联连接，使电容器从电力系统切除后的剩余电荷能快速泄放，在规定时间内达到要求值。jb/t 89701999标准规定：在额定频率和

3、额定电压下，与对应容量上限值的并联电容器相并接的fd，当电容器断电以后其端子间的电压在5s后应由降至50v以下；fd应能承受在倍额定一次电压下电容器储能放电的作用。fd带有二次绕组时，可以兼作电气保护、电压指示装置。当电容器极间发生故障时，接成开口三角的剩余绕组会产生零序电压，驱动继电保护装置动作。保障高压并联电容器的安全运行，防止电容器带电荷合闸，这是fd的特有功能和主要职责。在正常运行时，fd又兼有监测保护功能。（这一点好像和接地电压互感器（以下简称pt）的工作性质相似）为此，标准相应提出了额定输出和准确级的要求：50va,0.5级；100va,1级。在当今的电力市场上，确有部分生产厂家，

4、有意或无意地将fd和pt混为一谈。用pt代替fd在市场上销售（仅将产品铭牌改动）。其实，fd和pt根本不是一回事。放电功能不说（有些pt在某种巧合的情况下也能起到放电作用。但这是盲目的，偶然的，危险的），就拿测量、监测保护功能来说，表面上看来，都有50va，0.5级等要求，且都是在=0.8（滞后），额定电压范围的条件下测试，但两者的内涵是不同的。pt（测量级）是在80%120%的额定电压以及25%和100%额定二次负荷下进行；fd是在90%130%的额定电压以及0%100%额定二次负荷下进行。且pt的额定电压是指系统的标称电压。而fd的额定电压是指系统标称电压的一个倍数。以系统电压10kv为例

5、，单相接地pt的额定一次电压为kv，而单相fd的额定一次电压为，kv（电容器组y接）或kv（电容器组接）。从同一准确级而言，fd的误差性能相对pt要严。例如，假设角差都合格，二次额定负荷都是50va，pt的空载计算误差为-0.1%，负载误差为-1.2%。1/4下限负载误差为-0.3%，如果将误差补偿定在+0.85%，则这台pt可满足50va,0.5级的要求。如果fd是这样的数据，则无法补偿，达不到50va,0.5级的要求。因此在fd设计时，如果满足50va,0.5级的话，负载比值差的计算绝对值必须小于1%。在其他技术参数方面，如感应耐压、绝缘电阻、局部放电测试等，两者也是泾渭分明的。如前所述，

6、fd和pt是两个不同的概念，不能拿pt来套fd。但在某些技术参数的设计方法上，如层间、段间，端部的场强计算、主绝缘、纵绝缘的布置、线圈绕制、误差计算等。有些是相同或相近的。意思是说，fd可以借鉴pt的设计思路和方法。2.放电线圈设计要点放电线圈重在“放电”。按照fd满足“放电”要求的工作特性，高压并联电容器用采用星形接法的fd（原理接线图如图一），设计方法应掌握如下原则。图一放电线圈星接，中性点与并联电容器组中性点连接（1） 热极限输出应满足放电容量。 电容器断电时的储能 （1） （2）式中，电容器储电场能能量（j） 电容量（f） 电容器断电时端子间的电压 电容器额定电压（v） 角频率即 电容

7、器额定电压（v） q 电容器容量（var）由（1）、（2）两式得： （3）5s内平均放电功率 按照5s平均放电功率及温升的要求确定fd一次绕组的电流密度，从而选定绕组的热极限输出及线径尺寸。应略大于或等于。（2） 确定一次绕组直流电阻的阻值范围。a.放电线圈的等效放电电路图如图二。图二图中l为fd的铁心电感，r为fd一次绕组直流电阻，电容器被断开后的放电过程为衰减的直流放电，感抗近似为零。（电感的通直流隔交流作用）电容器储能在r上消耗。 由，（放电）式中：q电容器电量（c）由图二列出微分方程： 解此微分方程 初始条件 得 又得， （4）式中：放电后的残压（v）起始放电的最大电压(v)t 放电时

8、间（s)由（4）得 （5）（b）由起始放电时的最大放电电流密度控制放电电阻。为使fd的放电功能留有一定的裕度，最大起始放电电压宜采用电容器分闸时最严重一相的操作过电压 计算。（假想电容器在承担此极限电压下从电源断开） 则： （6）由（5）、（6）得出放电电阻的阻值范围：（3）放电电阻应满足倍额定一次电压下最大配套电容器容量的储能要求，这对放电线圈的承受能力是必要的、严格的考核。为此，为保证在极限电压下铁心仍未饱和（具有储磁场能作用），铁心的额定电压下的磁密应控制在0.70.75t，以确保放电线圈的储能（电场能）（4）放电线圈的电磁计算，除磁密外，还应控制如下几个参数a.因fd的计量精度要求相对

9、pt较严，为减小漏抗，铁心截面可适当放大。如系统电压10kv的fd，铁心净截面应大于25cm2。b.按照绝缘水平设置主、纵绝缘。fd的工频耐压水平和pt相同。同电压等级的主绝缘厚度相等。fd的感应耐压为，低于pt，但fd的局放条件严于pt（fd的测量电压为，相当于pt的，高于pt的要求）。故fd的层间绝缘应根据感应耐压和局部放电水平统筹考虑，层间场强（浇注式）可控制在35kv/mm。3. 设计实例设计一台单相干式放电线圈fddcr3.1设计输出系统额定电压： 10kv ； 额定一次电压： kv额定二次电压： 剩余绕组电压： v额定频率 ： 50hz额定放电容量： 2.5mvar适用电容器容量：

10、 1.72.5 mvar额定负荷及准确级：50va，0.5级放电性能：（1）5s内将电容器的剩余电压（）降到50v以下。 （2）能承受倍额定一次电压下电容器储能的放电。一次绕组绝缘水平：12/42/75kv 感应耐压：3.2结构特征1、 二次绕组套在卷绕式矩形铁心上，全绝缘绕制，全包封结构，全真空浇注，相间距离280mm，爬电比距 25kv/mm，接地螺栓8，二次出线端子螺杆直径8。3.3电磁计算3.3.1电容器放电能量(j)5s平均功率（va）承受倍额定一次电压时的能量，=19875.8（j）3.3.2放电电阻由得，当时，放电电流密度3.3.3铁心设计=0.69（t）,=0.64v/匝 ，3

11、.3.4绕组尺寸绕组段数合计匝数线规层间绝缘纸筒绕组尺寸电阻电阻压降短路电阻压降内径外径剩余1522.36/2.48/80/8416084900.06170.00560.0036二次19010.2复合青壳纸90/92160921170.05680.00170.0075一次253870.4/0.46pmp20.06117/147主绝缘147/149内屏149209外屏=2118960.00190.00193.3.5电抗压降电抗（）漏抗压降短路阻抗压降0.01183.3.6负载误差绕组计算误差值(va)二次-0.39+0.2407=-0.1493-7.573.3.7空载误差及总误差0.911.3（

12、t）0.620.68950.89641.5407(w)0.20425.61550.2476.7930.39210.781.1732.175(va)0.2887.920.3469.5150.616.52.5670.46.93276.7936.37879.7789.5159.7633铁磁总励磁功率（va）9.708811.69119.7177.4041空载电流(a)0.1870.2030.2630.6-0.053-0.052-0.0521-0.34-0.34-0.26二次绕组总误差50va-0.2023-0.2013-0.2013-7.91-7.91-7.830va+0.1877+0.1887+0.1887-0.34-0.34-0.263.4设计验证（1）热极限输出：(va)(放电5s内平均功率1590va)（2）放电电阻：（3）最大放电电流时的电流密度（4）电容器正常分闸时的最大操作过电压时的储能（t）(h)漏磁： 可忽略不计 (铁心纸筒内径84，高140，平均磁路长度85.6cm)最大操作过电压时的交流放电电流 时间常数： 进入稳态时最大储能：(j)(应对纸筒端部的磁场进行折算)最大操作过电压时的电容器能量(j),可满足储能要求。（5）误差性能符合50va,0