高压并联电容器用放电线圈设计

高压并联电容器用放电线圈设计

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

Abstract ：I expound the differences between discharge coil and potential transformer

in basic technical performance and basic design methods of discharge coil from the view of discharge coil’s 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 8970—1999标准规定：在额定频率和额定电压下，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12n U 降至50V 以下；FD 应能承受在258.1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：50V A,0.5级；100V A,1级。

在当今的电力市场上，确有部分生产厂家，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50V A ，0.5级等要求，且都是在cos Φ=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，单相接地PT 的额定一次电压为103kV ，而单相FD 的额定一次电压为113，123kV （电

容器组Y 接）或1.05

3kV （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50V A ，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50V A,0.5级的要求。如果FD 是这样的数据，则无法补偿，达不到50V A,0.5级的要求。因此在FD 设计时，如果满足50V A,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，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

2

021Cu W c = （1）

2cn c c u Q

C ω= （2） 式中，c W —电容器储电场能能量（J ）

C — 电容量（F ）

0u — 电容器断电时端子间的电压cn u u 20= cn u — 电容器额定电压（V ） c ω— 角频率即f π2 cn u — 电容器额定电压（V ）

Q — 电容器容量（Var ）

由（1）、（2）两式得：ωc c Q

W = （3）

5s 内平均放电功率)(5

VA W

P c =

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1P 及线径尺寸1S 。1P 应略大于或等于P 。 （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L c ω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C

q W c 22=，C qdq dW c -=（放电）

式中：q ─电容器电量（C ） 由图二列出微分方程：2()q dq

dq i Rdt i C dt -==-

q

iR C

=

c i

0dq q dt RC

+= 解此微分方程 初始条件 max (0,)t q q == 得 max t

RC q q e -=⋅ 又q CU =得，

'0t

RC u u e -= （4）

式中：'u ─放电后的残压（V ）

0u ─起始放电的最大电压(V) t — 放电时间（s) 由（4）得 )(ln ln '

02

'

0max Ω=

=

u

u Q tu u

u

C t R c cn

c ω （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

cn u 258.1 计算。（假想电容器在承担此极限电压下从电源断开） 则：

160258.11

min ≤S R u cn

)(258.11

min Ω=

S u R cn

（6） 由（5）、（6）得出放电电阻的阻值范围：min 1max R R R <<

（3）放电电阻应满足258.1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

0.7~0.75T ，以确保放电线圈的储能222

1

21Cu W LI W c l =>=（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25cm 2。

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n u 115.2，低于PT ，但FD 的局放条件严于PT