高压并联电容器用放电线圈的温升特性探索

卓金坤

（国网厦门供电公司，福建 厦门 361000）

高压并联电容器中，放电线圈是必需配套设施，现阶段，在高压并联电容器专用放电线圈的研究方面，国内外都比较少。立足于DL／T653-2009在放电线圈方面的具体要求，同时充分考虑电压无功控制（Voltage Quality Control，VQC）模式下放电线圈的实际运行状况，本研究通过高压并联电容器用放电线圈相关放电试验来探索其温升特性。

1 放电实验类型和内容

1.1 试验所用线圈的选择

本研究从高压电力系统中符合高压并联电容器组要求的单项放电线线圈的多种类型中，选择3种普通规格的放电线圈。

1.2 试验类型和内容

1.2.1 额定负载工况下的温升特性研究试验

在该实验过程中，实际1.1倍额定电压于放电线圈一次侧，把二次绕组有效连接到负载箱上，放电线圈二次选配额定负荷。如果每个小时表面温差小于1 K时，就可认定放电线圈处于热稳定状态。采用电阻法对绕组平均温升进行测量，同时采用红外测温仪或红外测温计对放电线圈的其他部件的温升状况进行测量。

1.2.2 额定电压环境中二次短路工况下的温升特性研究试验

国家相关标准规定，在额定电压条件下，放电线圈应当能够承受二次短路电流在1 s内产生的热力作用以及机械力作用，并且不能损伤到线圈自身。本研究重点关注额定电压环境中二次短路工况下放电线圈的温升状况，对该工况下产生的热能否达到损坏线圈温度的状况进行研究。在结束二次短路试验后，立即测量放电线圈的一次绕组热态电阻，同时精确计算一次绕组的平均温升数值。

1.2.3 额定容量放电工况下温升特性研究试验

在进行该试验过程中，选用与放电线圈额定放电容量一致的电容器组，采取直流充电方式使其达到额定电压值，之后利用放电线圈实施放电过程，在此过程中，还要对放电线圈接受能量注入后的一次绕组的温升具体状况进行重点考虑[1]。

1.2.4 额定容量连续放电工况下温升特性研究试验

合理模拟VQC控制模式下的持续投切电容器的具体工况，并对放电线圈的绕组温升情况进行有效测量，也就是说采用对放电线圈额定容量连续放电的方式，放电间隔时间为300 s，并及时有效地测量放电线圈一次绕组的瞬态温升变化。

2 分析和研究实验结果

从这3种规格放电线圈在不同工况下的绕组温升具体状况对比，我们可以看出：

（1）对于额定负载工况下温升特性研究试验，因为试验过程相对较长，整体放电线圈出现发热现象，所以温度下降相对较缓慢。

（2）放电线圈额定二次短路1 s，因为在一次线圈内注入的能量不多，所以相比于另外两种工况，该工况下温升显著较低。

（3）放电线圈额定容量放电试验，能量注入较大，需要5 s才能结束放电，实现再停电，由于快速测量电阻仪的局限性，在以上工况条件下，实际测量出的温度依然比其他两种工况降得更快。

3 实验相关计算

3.1 发生二次短路情况后，放电线圈相关参数对一次绕组温度的影响

以放电线圈的等值电路图为基本依据，当放电线圈一次侧加压二次侧端情况下，可以获得放电线圈二次短路工况下的等效电路。

在放电线圈二次短路一秒工况下的温升试验中，可以相对忽略铁心发热对一次绕组温升状况的影响，这个时候注入一次绕组的能量为：

式中：Rk代表短路电阻，Xk代表短路电抗，都折算多一次侧，Uk代表一次侧所加电压，Ik代表一次侧短路电流。

一次绕组所接收的注入能量都转化成绕组发热，这个时候所得一次绕组的温升是：

式中：CCu是铜比热容，m代表一次绕组所用铜的重量。

从（1）和（2）式可看出，放电线圈额定二次绕组短路1 s，一次绕组的温升与放电线圈的漏抗、二次绕组的电阻和一次绕组用铜质量存在很大关系。

3.2 直流放电试验过程中，放电线圈参数对一次绕组温度的影响

在放电过程中，放电线圈的实际损耗非常小，所以可将励磁电阻忽略掉。同时由于该放电性质属于直流电，这就使得放电线圈铁心处在深饱和状态，漏抗也非常小，可以将回路电感忽略掉[2]。

设电容器起始剩余电压为U0，放电过程通过运算可得：

式中：C表示电容器组电容，R表示放电线圈一次直流电阻，Uc表示电容器剩余电压，ic表示放电电流。

当t=0时，uc（0）=U0，ic（0）=U0/R，uc（t）和ic（t）表现出指数型衰减状况，其时间常数i=RC，时间常数τ随着R和C的变化而变化，也就是放电时间也跟着发生改变。从这里可以看出，对于放电电流峰值限制和放电时间要求来讲，放电线圈直流电阻参数非常重要。

电容器对放电线圈放电时，将其自身以及导线等方面的损耗相对忽略，可看成电容器内部能量完全转化成一次绕组的发热。若电容器C初始电压是U0，一次绕组用铜的重量是m，而这时候一次绕组的温升就是：

式中：CCu是铜比热容，从该式可以看出，在放电试验中，若电容器内部能量一定，一次绕组的温升就与一次绕组的用铜有很大关系，其温升程度随着用铜质量的增加而变小；反之，则温升变大。表1列出3台放电线圈在各种放电电压和电容量环境下，测量出的实际温升与计算温升，实验环境温度都是15 ℃，而实测温升可以通过电阻法计算出来。

表1 试验中放电线圈一次绕组温升计算值与实测值

4 结语

本研究通过对文中所述的几种温升试验比较，可以得出以下分析结果：（1）因为额定负载工况下温升特性研究试验的过程较长，整个放电线圈都存在发热现象，所以温降速度较慢。（2）额定二次短路1 s工况下，注入能量不多，这时候温升相对较低，可以将线圈绕组温升忽略。（3）额定容量工况下的放电试验，能量注入快且大，绕组瞬时温升过高。所以，在分析过程中，要综合考虑额定负载和放电试验两种情况下的绕组温升状况。（4）放电线圈绕组的瞬态温度随着放电试验的不断进行而持续增加，并且上升速度非常快，所以要高度关注该工况下绕组的瞬态温升。变电所在VQC控制模式下，对并联电容器进行投放投切过程中，应控制电容器组操作间隔在300 s以上，特别是在温度很高的夏天，要严禁连续投切电容器，以免绕组瞬态温度过高而出现损坏状况。