卓金坤
(國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司,福建 廈門(mén) 361000)
高壓并聯(lián)電容器中,放電線圈是必需配套設(shè)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(guó)內(nèi)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(shí)充分考慮電壓無(wú)功控制(Voltage Quality Control,VQC)模式下放電線圈的實(shí)際運(yùn)行狀況,本研究通過(guò)高壓并聯(lián)電容器用放電線圈相關(guān)放電試驗(yàn)來(lái)探索其溫升特性。
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(xiàng)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。
1.2.1 額定負(fù)載工況下的溫升特性研究試驗(yàn)
在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)際1.1倍額定電壓于放電線圈一次側(cè),把二次繞組有效連接到負(fù)載箱上,放電線圈二次選配額定負(fù)荷。如果每個(gè)小時(shí)表面溫差小于1 K時(shí),就可認(rèn)定放電線圈處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。采用電阻法對(duì)繞組平均溫升進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)采用紅外測(cè)溫儀或紅外測(cè)溫計(jì)對(duì)放電線圈的其他部件的溫升狀況進(jìn)行測(cè)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(yàn)
國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在額定電壓條件下,放電線圈應(yīng)當(dāng)能夠承受二次短路電流在1 s內(nèi)產(chǎn)生的熱力作用以及機(jī)械力作用,并且不能損傷到線圈自身。本研究重點(diǎn)關(guān)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(duì)該工況下產(chǎn)生的熱能否達(dá)到損壞線圈溫度的狀況進(jìn)行研究。在結(jié)束二次短路試驗(yàn)后,立即測(cè)量放電線圈的一次繞組熱態(tài)電阻,同時(shí)精確計(jì)算一次繞組的平均溫升數(shù)值。
1.2.3 額定容量放電工況下溫升特性研究試驗(yàn)
在進(jìn)行該試驗(yàn)過(guò)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(dá)到額定電壓值,之后利用放電線圈實(shí)施放電過(guò)程,在此過(guò)程中,還要對(duì)放電線圈接受能量注入后的一次繞組的溫升具體狀況進(jìn)行重點(diǎn)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(yàn)
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(duì)放電線圈的繞組溫升情況進(jìn)行有效測(cè)量,也就是說(shuō)采用對(duì)放電線圈額定容量連續(xù)放電的方式,放電間隔時(shí)間為300 s,并及時(shí)有效地測(cè)量放電線圈一次繞組的瞬態(tài)溫升變化。
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(duì)比,我們可以看出:
(1)對(duì)于額定負(fù)載工況下溫升特性研究試驗(yàn),因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng),整體放電線圈出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象,所以溫度下降相對(duì)較緩慢。
(2)放電線圈額定二次短路1 s,因?yàn)樵谝淮尉€圈內(nèi)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(yàn),能量注入較大,需要5 s才能結(jié)束放電,實(shí)現(xiàn)再停電,由于快速測(cè)量電阻儀的局限性,在以上工況條件下,實(shí)際測(cè)量出的溫度依然比其他兩種工況降得更快。
以放電線圈的等值電路圖為基本依據(jù),當(dāng)放電線圈一次側(cè)加壓二次側(cè)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(yàn)中,可以相對(duì)忽略鐵心發(fā)熱對(duì)一次繞組溫升狀況的影響,這個(gè)時(shí)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(cè),Uk代表一次側(cè)所加電壓,Ik代表一次側(cè)短路電流。
一次繞組所接收的注入能量都轉(zhuǎn)化成繞組發(fā)熱,這個(gè)時(shí)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(zhì)量存在很大關(guān)系。
在放電過(guò)程中,放電線圈的實(shí)際損耗非常小,所以可將勵(lì)磁電阻忽略掉。同時(shí)由于該放電性質(zhì)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(shè)電容器起始剩余電壓為U0,放電過(guò)程通過(guò)運(yùn)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(dāng)t=0時(shí),uc(0)=U0,ic(0)=U0/R,uc(t)和ic(t)表現(xiàn)出指數(shù)型衰減狀況,其時(shí)間常數(shù)i=RC,時(shí)間常數(shù)τ隨著R和C的變化而變化,也就是放電時(shí)間也跟著發(fā)生改變。從這里可以看出,對(duì)于放電電流峰值限制和放電時(shí)間要求來(lái)講,放電線圈直流電阻參數(shù)非常重要。
電容器對(duì)放電線圈放電時(shí),將其自身以及導(dǎo)線等方面的損耗相對(duì)忽略,可看成電容器內(nèi)部能量完全轉(zhuǎn)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(shí)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(yàn)中,若電容器內(nèi)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(guān)系,其溫升程度隨著用銅質(zhì)量的增加而變?。环粗?,則溫升變大。表1列出3臺(tái)放電線圈在各種放電電壓和電容量環(huán)境下,測(cè)量出的實(shí)際溫升與計(jì)算溫升,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度都是15 ℃,而實(shí)測(cè)溫升可以通過(guò)電阻法計(jì)算出來(lái)。
表1 試驗(yàn)中放電線圈一次繞組溫升計(jì)算值與實(shí)測(cè)值
本研究通過(guò)對(duì)文中所述的幾種溫升試驗(yàn)比較,可以得出以下分析結(jié)果:(1)因?yàn)轭~定負(fù)載工況下溫升特性研究試驗(yàn)的過(guò)程較長(zhǎng),整個(gè)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(shí)候溫升相對(duì)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(yàn),能量注入快且大,繞組瞬時(shí)溫升過(guò)高。所以,在分析過(guò)程中,要綜合考慮額定負(fù)載和放電試驗(yàn)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(yàn)的不斷進(jìn)行而持續(xù)增加,并且上升速度非常快,所以要高度關(guān)注該工況下繞組的瞬態(tài)溫升。變電所在VQC控制模式下,對(duì)并聯(lián)電容器進(jìn)行投放投切過(guò)程中,應(yīng)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(yán)禁連續(xù)投切電容器,以免繞組瞬態(tài)溫度過(guò)高而出現(xiàn)損壞狀況。