本发明涉及无功补偿
技术领域：
，具体涉及放电线圈。
背景技术：
：随着电网的发展，电力系统中电力电子装置等非线性设备的使用量越来越大，由于电力电子设备的功率因素普遍较低，为了维持电力系统的稳定运行，就需要进行无功补偿。电力电容器以其运行维护方便、有功损耗小、单位容量投资小等特点而被广泛用于无功补偿。并联电容器组一般配套有放电线圈，放电线圈的作用是在切除并联电容器后快速泄放并联电容器上的残余电荷，降低断路器断口电压，减小断口发生电弧重燃的概率。并联电容器切除后，放电线圈的铁心在电容直流残压的作用下快速饱和，铁心饱和之后才开始给电容器放电，放电线圈铁心未饱和时并联电容器的电压基本保持不变。断路器分闸后10ms刚好是电源电压转换到与并联电容器残压相反极性的峰值时间，此时断口电压达到峰值，发生电弧重燃的概率最大。由于电源电压不能改变，因此只能通过降低电容器残压来减小断口电压峰值，从而降低发生电弧重燃的概率。传统的硅钢片铁心放电线圈的饱和时间一般大于10ms，不能保证在10ms内大幅降低电容残压，故在传统放电线圈接入后，断路器断口在分闸前期依然有发生电弧重燃的风险。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题就是提供一种非晶铁心快速放电线圈的设计方法，解决传统硅钢铁心放电线圈饱和速度慢、放电速度慢的问题。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非晶铁心快速放电线圈的设计方法，非晶铁心快速放电线圈的设计参数包括额定电压、额定工作磁密、铁心有效截面、铁心窗高和窗宽、绕组匝数和导线线径、直流电阻值、并联电容器组补偿容量、绕组绕制方式，设计方法包含以下步骤：步骤1)，根据dlt653-2009《高压并联电容器用放电线圈使用技术条件》确定非晶铁心快速放电线圈的额定电压，非晶铁心快速放电线圈的额定电压与并联电容器组的额定电压相等；步骤2)，根据dlt653-2009《高压并联电容器用放电线圈使用技术条件》确定非晶铁心快速放电线圈的额定工作磁密，快速放电线圈的额定工作磁密小于铁心材料饱和磁密的77％；步骤3)，确定铁心有效截面和绕组匝数的乘积，铁芯有效截面和绕组匝数的乘积计算公式为un为快速放电线圈的额定电压，bn为快速放电线圈的额定工作磁密；根据经验公式确定铁心的窗高和窗宽，经验公式为：式中：x为铁心窗高，y为铁心窗宽，s为铁心有效截面；步骤4)，根据铁心有效截面和绕组匝数的乘积得到多组设计方案，保持铁心有效截面与绕组匝数的乘积不变，选取边长依次递增的整数，得到对应的截面和对应的线圈匝数，再在得到的匝数之间选取能被1000整除的匝数，通过匝数再次得到截面积；步骤5)，选择导线线径，采用下述公式计算直流电阻值：ρ为导线材料的电阻率，n为绕组匝数，a为铁心叠厚，b为铁心带材宽度，h为绕组高度，t为绕组厚度，d为绕组与铁心之间的水平绝缘距离，为导线线径，a为导线截面面积；步骤6)，在ansysmaxwell软件中建立场路耦合模型，所述场路耦合模型包括外部电路和有限元模型，通过改变外部电路和有限元模型的参数对不同设计方案的放电性能进行仿真分析；步骤7)，得到多组符合性能要求的仿真结果，选择最优设计方案。优选的，铁心材料使用铁基非晶合金。优选的，非晶铁心快速放电线圈的性能要求为：当电容器两端电压为额定电压时，快速放电线圈能在电容器退出运行10ms之内将其端电压降至0.5倍的额定电压。优选的，根据仿真结果，当绕组匝数过多和绕组匝数过小时，放电线圈的放电性能均不符合要求，因此采用二分法逐渐缩小快速放电线圈的绕组匝数和铁心截面的匹配参数范围，最终得到最优参数。本发明具有以下有益效果及优点：1、本发明结合有效性经过验证的ansysmaxwell有限元场路耦合模型，可以实时仿真出不同参数下并联电容器的放电波形和放电线圈的放电电流波形。2、按照本发明方法设计出的快速放电线圈，额定电压下铁心的饱和时间小于5ms，与快速放电线圈并联的电容器的端电压能在分闸后10ms内能降低至50％以下，大大减小了断路器断口发生电弧重燃的概率。具体实施方式为解决传统硅钢铁心放电线圈饱和速度慢、放电速度慢的问题，本发明提供了一种非晶铁心快速放电线圈设计方案，该方案可以使铁心饱和时间小于5ms，并且可在10ms内将电容器残压降低至50％以下，极大地减小断路器断口发生电弧重燃的概率。本发明提供了一种非晶铁心快速放电线圈的设计方法，其中，非晶铁心快速放电线圈的设计参数包括额定电压、额定工作磁密、铁心有效截面、铁心窗高和窗宽、绕组匝数和导线线径、直流电阻值、并联电容器组补偿容量、绕组绕制方式，铁心材料使用铁基非晶合金。非晶铁心快速放电线圈的性能要求为：当电容器两端电压为额定电压时，快速放电线圈能在电容器退出运行10ms之内将其端电压降至0.5倍的额定电压。具体设计方法包括以下步骤：步骤1)，根据dlt653-2009《高压并联电容器用放电线圈使用技术条件》确定非晶铁心快速放电线圈的额定电压，非晶铁心快速放电线圈的额定电压与并联电容器组的额定电压相等；步骤2)，根据dlt653-2009《高压并联电容器用放电线圈使用技术条件》确定非晶铁心快速放电线圈的额定工作磁密，快速放电线圈的额定工作磁密小于铁心材料饱和磁密的77％；步骤3)，确定铁心有效截面和绕组匝数的乘积，铁芯有效截面和绕组匝数的乘积计算公式为un为快速放电线圈的额定电压，bn为快速放电线圈的额定工作磁密；根据经验公式确定铁心的窗高和窗宽，经验公式为：式中：x为铁心窗高，y为铁心窗宽，s铁心有效截面；步骤4)，根据铁心有效截面和绕组匝数的乘积得到多组设计方案，铁心有效截面与匝数的选择方法如下：保持铁心有效截面与绕组匝数的乘积不变(以94.124为例)，由于maxwell模型中铁心的截面使用正方形等效截面，故选取边长选取依次递增的整数，如10cm，12cm，15cm，对应的截面分别为100cm2，144cm2，225cm2，对应的线圈匝数依次为9414，6538，4184，再在得到的匝数之间选取能被1000整除的匝数，如7000，5000，3000，通过匝数再次得到截面积，分别为134cm2，188cm2，314cm2；步骤5)，选择导线线径，采用下述公式计算直流电阻值：ρ为导线材料的电阻率，n为绕组匝数，a为铁心叠厚，b为铁心带材宽度，h为绕组高度，t为绕组厚度，d为绕组与铁心之间的水平绝缘距离，为导线线径，a为导线截面面积；步骤6)，在ansysmaxwell软件中建立场路耦合模型，所述场路耦合模型包括外部电路和有限元模型，通过改变外部电路和有限元模型的参数对不同设计方案的放电性能进行仿真分析；步骤7)，得到多组符合性能要求的仿真结果，选择最优设计方案。当然，还可以包括后续的仿真优化，改进参数步骤。下面结合实施例对各步骤进行详细解释说明。以某变电站35kv并联电容器组配套快速放电线圈设计为例，该并联电容器组的单相补偿容量为3.2mvar，额定工作频率为50hz，额定工作电压为23kv，经过下式可以计算得到单相并联电容器组的等效电容为19.3μf。快速放电线圈设计步骤如下：①确定快速放电线圈额定电压：23kv(与并联电容器组额定电压相等)②选取铁心材料：本实施例选取铁基非晶合金为铁心材料，铁基非晶合金的饱和磁密约为1.56t。③选取额定工作磁密：由于在1.3倍额定电压下，放电线圈铁心不能出现饱和现象，所以额定工作磁密要小于铁心材料饱和磁密的77％。本实施例选取额定工作磁密为1.1t，在1.3倍额定电压下铁心的工作磁密为1.43t，小于铁基非晶合金的饱和磁密。④确定有效截面和绕组匝数的乘积：通过下式确定有效截面和绕组匝数的乘积为94.124：⑤得到多组不同截面和绕组匝数的组合，组合详情如表1所示：表1不同有效截面和绕组匝数组合铁心有效截面积s(cm2)绕组匝数n10094141446538188500022541843143000⑥确定窗高和窗宽：铁心外型一般为跑道型，考虑绝缘距离，窗宽选择为20cm，铁心窗高选择为30cm。⑦根据公式计算各组方案使用不同线径导线时的快速放电线圈直流电阻值和承载电流值(160a/mm2)，计算值如表2：表2直流电阻计算值与承载电流值⑦在ansysmaxwell软件中对5组不同参数的快速放电线圈进行有限元建模(建模方法参考现有技术)，有限元模型可以改变铁心有效截面、铁芯窗高和窗宽、绕组匝数等参数；然后对外部激励电路进行建模(外部激励电路参考现有技术)，外部电路可以改变并联电容器组等效电容值，并联电容器组初始电压，快速放电线圈直流电阻等参数。⑧运行仿真模型，得到仿真结果，电容电压和放电电流的仿真结果。五组参数的仿真结果如表3所示：表3：不同参数下的场路耦合仿真结果(a)s＝100cm2，n＝941410ms电容残压倍数最大反充电压倍数放电电流峰值(a)r＝20ω0.6290.88496.542r＝50ω0.6390.76190.069r＝100ω0.6560.59280.888r＝200ω0.6850.34566.919(b)s＝314cm2，n＝300010ms电容残压倍数最大反充电压倍数放电电流峰值(a)r＝20ω-0.1570.777184.966r＝50ω-0.0430.572162.098r＝70ω0.0220.463149.584r＝100ω0.1080.331133.849r＝200ω0.3150.07598.372(c)s＝144cm2，n＝653810ms电容残压倍数最大反充电压倍数放电电流峰值(a)r＝20ω0.4460.856119.339r＝50ω0.4690.710109.542r＝80ω0.4910.587101.124r＝100ω0.5050.51596.150r＝200ω0.5660.25376.840(d)s＝188cm2，n＝500010ms电容残压倍数最大反充电压倍数放电电流峰值(a)r＝20ω0.2640.832139.279r＝50ω0.3070.666136.048r＝90ω0.3580.491111.654r＝100ω0.3700.454108.521r＝200ω0.4700.18684.357(e)s＝225cm2，n＝418410ms电容残压倍数最大反充电压倍数放电电流峰值(a)r＝20ω0.1300.815153.941r＝50ω0.1910.635137.879r＝80ω0.2450.492124.665r＝90ω0.2620.450120.765r＝100ω0.2780.412117.092r＝200ω0.4110.14489.299从仿真结果可以看出，当绕组匝数过多和绕组匝数过小时，放电线圈的放电性能均不符合要求，故可以采用二分法逐渐缩小快速放电线圈的绕组匝数和铁心截面的匹配参数范围。最终得到的最优参数如表4所示：表4：最优参数应用本发明方法，可以快速的得到符合性能要求的非晶铁心快速放电线圈关键参数，仿真结果与实验结果误差小于10％。这充分说明了本发明设计方法的有效性。当前第1页12