高壓并聯(lián)電容器用油浸式放電線圈設(shè)計要點

張燕華

(日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫214000)

1 高壓并聯(lián)電容器用放電線圈的工作原理及作用

放電線圈是高壓并聯(lián)電容器裝置的專用配套設(shè)備，并聯(lián)連接在電容器（組）兩端。其作用是提供電容器斷開電源后剩余電荷能快速泄放的途徑，使電容器電壓在規(guī)定時間內(nèi)降到要求值以下，以保護電容器組的安全運行。當(dāng)放電線圈有二次繞組時，可以兼做電容器組不平衡保護的信號檢測元件。通常會采用開口三角和差壓兩種保護方式。

放電線圈正常運行時，其工作在交流電壓下呈高勵磁阻抗?fàn)顟B(tài)，此時電流很小，一般為微安級，本身消耗能量極小。當(dāng)電容器在電網(wǎng)中斷開后，為一衰減直流放電過程。在直流電壓的作用下，鐵心快速飽和，鐵心電感迅速下降，呈空心電感狀態(tài)。電容器儲存電荷在放電線圈直流電阻上消耗吸收。當(dāng)電壓衰減到較低時，放電電流亦會隨之減少，此時電抗器的飽和程度會減輕，其電感開始慢慢回升。由于放電線圈電感值在放電過程中是非線性的，可能會有幾百到上千倍的變化幅度。例如，我公司設(shè)計的FDE-40.5/√3-5.0-1W電抗器，正常運行時電感為34423H。在直流放電鐵心飽和狀態(tài)時，空心電感值為65H。電感相差約530 倍。因此，正常情況下，放電過程是一個非周期性的衰減過程。部分產(chǎn)品在放電后期，可能會出現(xiàn)振蕩過程。

本文按照DL/T 653-2009《高壓并聯(lián)電容器用放電線圈使用技術(shù)條件》及JB/T 8970-2014《高壓并聯(lián)電容器用放電線圈》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，以型號為FDE-11/√3-2.5-1W 的放電線圈為例，介紹放電線圈芯體的設(shè)計全過程，對外殼、絕緣油及絕緣套管部分，本文不作說明。

2 型號為FDE-11/√3-2.5-1W 的放電線圈設(shè)計

2.1 技術(shù)參數(shù)

U1=6350V U2=100V f=50Hz

S2=100VA S=2500kvar 準(zhǔn)確級1 級

Ac/Imp =42/75kV

FDE- 含二次的放電線圈U1- 額定一次電壓 U2- 額定二次電壓 f- 頻率S2- 額定輸出負(fù)荷 S- 放電容量 Ac/Imp- 耐壓/雷電沖擊電壓

2.2 結(jié)構(gòu)選型

采用油浸式全密封結(jié)構(gòu)，鐵心結(jié)構(gòu)選用單相單柱式,心柱部分采用玻璃絲帶纏繞,其他部分采用螺栓緊固方式。心柱部接縫數(shù)為1,軛鐵部接縫數(shù)為3。一次繞組分成匝數(shù)、尺寸相同的2 個線包，進行串聯(lián)。二次繞組直接繞在內(nèi)圈絕緣紙筒上，在二次繞組外包繞一、二次繞組間絕緣，最后將卷好并組裝好的一次線圈組裝到二次線圈上。再將組裝好的一、二次繞組裝到鐵心的心柱上。絕緣油采用45號變壓器油，器身固定在箱體底部，在箱體蓋板上用10kV絕緣瓷瓶和二次用絕緣子分別將一次和二次繞組出線引出。

2.3 初步選定參數(shù)（假定值）

2.3.1 磁通密度

Bc=0.81T (Bc:腳部磁通密度)

By=0.81T (By: 軛鐵部磁通密度)

2.3.2 每匝電壓(放電線圈et 經(jīng)驗值為0.7～1.2V/匝)

et=0.7143V/匝

2.3.3 繞組匝數(shù)

N2n=140 匝 N1n=8890 匝

2.3.4 鐵心截面積

Ac- 鐵心柱截面積（cm2）

Ay- 鐵軛截面積（cm2）

2.4 繞組設(shè)計

2.4.1 實際一次繞組匝數(shù)及每匝電壓

2.4.1.1 采用減少一次線圈繞組匝數(shù)的方法，補償電壓誤差，一次繞組減少△n=64T，確定實際一次繞組總匝數(shù)為N1=N1n-△n=8826 匝

一次繞組分為2 個線包，每個線包匝數(shù)為4413T

2.4.1.2 每匝電壓計算

2.4.2 實際磁通密度為

2.4.3 繞組設(shè)計

2.4.3.1 一次繞組負(fù)載電流計算

I1- 一次繞組負(fù)載電流（A）

2.4.3.2 二次繞組負(fù)載電流計算

I2- 二次繞組負(fù)載電流（A）

2.4.3.3 導(dǎo)線選擇

一、二次繞組采用2 級漆膜縮醛漆圓銅線。一次繞組主線和輔線分別選擇φ0.23mm及φ0.8mm。二次繞組選擇φ1.8mm導(dǎo)線。采用輔線的目的一方面是因為進線與出線為薄弱點，容易斷線，用φ0.8mm的線起到保護作用；另一方面是便于調(diào)節(jié)線圈的圈數(shù)。

導(dǎo)線截面積和電流密度分別為：

S1 主截=0.0415mm2

S1 付截=0.5027mm2

二次繞組導(dǎo)線φ1.8mm,導(dǎo)線截面積和電流密度分別為

放電線圈繞組在最大輸出時，電流密度為1.5～3A/mm2。該設(shè)計選線符合要求。

2.4.3.4 導(dǎo)線排列、繞組尺寸及絕緣

（1）一次繞組高度和厚度

一次主線直徑為φ0.23mm，完工最大徑為φ0.278mm，每段繞組卷線層數(shù)、圈數(shù)及所用電線規(guī)格，見表1。

表1

一次繞組高度計算：

該電壓等級按照經(jīng)驗，沿面=9.6mm，層間絕緣紙厚為t0.06×2,共36 處，計算出H1=95.6mm

一次繞組厚度：

t1=11.49mm

（2）二次繞組高度和厚度

二次繞組電線直徑為φ1.8mm，層數(shù)為3 層，里面兩層為50T，外層為40T。

層間絕緣紙厚為t0.06×2,共3 處

二次線圈高度計算

該電壓等級按照經(jīng)驗，沿面=22mm，計算出：

H2=134mm

二次線圈厚度

t2=6mm

（3）繞組直徑計算

該電壓等級按照經(jīng)驗，鐵心柱與二次繞組內(nèi)周絕緣筒之間距離為2.5mm，二次繞組內(nèi)周絕緣筒為2mm，一、二次繞組間絕緣厚為14.5mm，一次繞組內(nèi)絕緣筒厚為4mm，一次繞組外絕緣厚為2mm，一次繞組與外絕緣筒間余量為6mm，外周絕緣筒厚為6mm。

計算得出φd=199mm。

2.4.4 繞組電阻及重量

2.4.4.1 一次繞組電阻

一次繞組主線長度

L主=￠1平均×π×（N1-N付）=4.21km

一次繞組付線長度

L付=￠1平均×π×N付=0.08km

查電線表得出20℃時

R主=L主×459=1932Ω

R付=L付×36.8=2.9Ω

R1= R主+R付=1934.9Ω

2.4.4.2 二次繞組電阻

二次繞組長度

L2=￠2平均×π×N2=0.042km

查電線表得出20℃時

R2=L2×7.15=0.3Ω

2.4.4.3 電線重量

查電線表得出20℃時

m1主=L主×0.39=1.64kg

m1付=L付×4.6=0.37kg

m2=L2×23=0.97kg

m=m1主+m1付+m2=2.98kg

2.5 鐵心設(shè)計

2.5.1 鐵心截面設(shè)計

選擇圖1 所示的鐵心柱截面和鐵軛截面，疊片系數(shù)Sf=0.99

Ac1=（4*2.6+7*4.3）×Sf=40.1cm2

Ay1=2×（6.9×3.0）×Sf=40.1cm2

2.5.2 鐵心尺寸及重量

硅鋼片選擇：厚度為0.35mm，材質(zhì)為RG14 無取向冷軋硅鋼片，尺寸見圖2。

圖2

鐵心的片數(shù)及重量見表2。

表2

心柱部重量Gc=5.05kg

軛鐵部重量Gy=12.7kg

鐵心總重量G=17.75kg

2.6 一次繞組層間、段間及一、二次繞組間絕緣計算

2.6.1 一次繞組層間絕緣計算

層間平均電場強度=（（耐壓/一次繞組圈）×2 層圈數(shù)）/（層間絕緣厚度×層數(shù)）=6.8kV/mm

在工頻試驗電壓下，油紙絕緣層間平均電場強度通常選用范圍為5～7.5kV/mm。

該設(shè)計層間平均電場強度6.8kV/mm符合工頻試電壓下，油紙絕緣層間平均電場強度要求范圍。

2.6.2 一、二次繞組平均電場強度計算

一、二次繞組間絕緣距離為一次繞組銅線到二次繞組銅線的距離28mm

在工頻試驗電壓下，油紙絕緣層間平均電場強度通常選用不大于7kV/mm。

該設(shè)計一、二次繞組平均電場強度符合要求。

2.7 放電時間計算

2.7.1 電容計算

2.7.2 空心電感計算

2.7.3 放電過程判別

比較得出

該設(shè)計在放電過程中為非振蕩放電，符合要求。

2.7.4 放電時間計算(過電壓時)

過電壓Uk=1.5 U1=9525V

該設(shè)計在額定頻率及1.5 倍過電壓下，當(dāng)電容器斷電后，其端子間的電壓在5s 后，由1.5×√2×U1 電壓降低至50V 以下，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.8 放電電流計算

公司內(nèi)設(shè)計規(guī)范規(guī)定放電電流小于9A。

該設(shè)計放電電流符合公司內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.9 溫升計算

2.9.1 電容器能量計算

2.9.2 溫升計算

該設(shè)計在額定頻率及1.5 倍過電壓和額定二次負(fù)荷（功率因數(shù)為0.8～1）的條件下試驗時溫升＜55K，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

本文簡要介紹了高壓并聯(lián)電容器用放電線圈的放電原理及作用，著重通過實例介紹其芯體設(shè)計過程。文中關(guān)于放電線圈芯體設(shè)計部分主要是針對工程設(shè)計，部分參數(shù)源于公司多年的經(jīng)驗及實踐總結(jié)，希望該文對高壓并聯(lián)電容器用放電線圈的設(shè)計起到借鑒作用。