±1100kV 特高壓直流輸電工程用直流濾波電容器研制

林 峰，黃楚秋，吳永利，黃有祥，王 義，歐慶雄，蔣利軍

（桂林電力電容器有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國(guó)能源資源與能源需求呈逆向分布，需采用特高壓直流輸電以實(shí)現(xiàn)能源的大范圍優(yōu)化配置[1-3]，特高壓直流輸電具有靈活、可控、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離、大容量輸電以及系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-5]。雖然我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)已從500 kV 提高到800 kV 特高壓等級(jí)，輸送功率從3000 MW 提高到6400 ～8000 MW[6]，但對(duì)于西藏水電、準(zhǔn)東火電外送和跨國(guó)輸電等項(xiàng)目，輸電距離超過3000 km，輸電容量超過1200 萬千瓦，若采用800 kV 直流輸電，功率線損率將超過10%[7]，且輸電容量?jī)H能滿足800 ～1000 萬千瓦，為此，需研究更高電壓等級(jí)直流輸電技術(shù)，經(jīng)論證采用1100 kV 電壓等級(jí)的特高壓直流輸電最為經(jīng)濟(jì)[8-10]。

由于特高壓直流輸電存在整流和逆變的過程，必然會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，需要裝設(shè)大量的濾波器，因此特高壓直流輸電工程用直流濾波器的研制特別令人關(guān)注[11]。直流濾波電容器及其裝置，對(duì)某次諧波或其以上諧波形成低阻抗通道，以達(dá)到抑制高次諧波的作用，從而濾除網(wǎng)絡(luò)諧波，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文結(jié)合了1100 kV 昌吉-古泉工程的實(shí)際需求，依托世界上第一條電壓最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的1100 kV 直流輸電工程而開展直流濾波電容器及其裝置的研究，直流濾波器包含直流濾波電容器單元（以下簡(jiǎn)稱單元）和直流濾波電容器裝置，本文僅對(duì)單元的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

世界上最高的電容器單元額定電壓，在電容器行業(yè)屬首次，沒有參考案例，所以，首先研究單元的單串電壓、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)強(qiáng)、均壓電阻，保證產(chǎn)品運(yùn)行可靠性和安全性，然后研究單元的抗老化添加劑、損耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)單元的使用壽命和質(zhì)量，最后設(shè)計(jì)電阻阻值范圍和控制電容偏差，并通過第三方試驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)工程安全運(yùn)行，保障直流工程安全運(yùn)行。

1 直流濾波電容器單元的總體方案

系統(tǒng)的額定電壓1100 kV，電容器裝置的額定電壓1732 kV，是目前最高的額定電壓，裝置采用120串2 并結(jié)構(gòu)，單元額定電壓為14.44 kV。單元主要由心子、箱殼、套管等部件組成。浸漬劑為GRY611，電容器內(nèi)裝有內(nèi)放電電阻，箱蓋為雙套管出線。單元心子由76 個(gè)元件組成，每個(gè)元件串有熔絲，熔絲采用隱藏式雙并結(jié)構(gòu)。單元外殼由優(yōu)質(zhì)不銹鋼板304 彎折焊接而成，外殼長(zhǎng)為383 mm，寬為197 mm，高為1150 mm，外殼兩個(gè)小側(cè)面焊有吊攀，供搬運(yùn)及安裝使用。單元套管采用10 裙一體式壓接套管，滿足按海拔修正后的絕緣水平的要求，可以有效防止?jié)B漏油。

針對(duì)以上系統(tǒng)特點(diǎn)及運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)單元的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 直流濾波電容器單元基本參數(shù)

2 理論分析研究與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 直流濾波電容器介質(zhì)結(jié)構(gòu)問題和場(chǎng)強(qiáng)的選取問題研究

直流濾波電容器由于直流電壓的分布與交流電壓不同，所以應(yīng)該重新審視直流濾波電容器的介質(zhì)結(jié)構(gòu)問題。直流濾波電容器是由膜和油組成的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1 所示。

圖1 直流濾波電容器在電介質(zhì)物理上的等效電路

在交流電壓下，根據(jù)圖1，不難導(dǎo)出：

在直流電壓下，根據(jù)圖1，不難導(dǎo)出：

式（1）（2）中：Um（a）、Uy（a）分別為分配在膜上和油層上的交流電壓；Um（z）、Uy（z）分別為分配在膜層上和油層上的直流電壓；ρm、ρy分別為膜和油的體積電阻率；dm、dy分別為膜層和油層的厚度；a為壓緊系數(shù)。

從式（1）可以看出，在交流電壓下，膜上和油層上的電壓主要按膜和油的相對(duì)介電常數(shù)的倒數(shù)分配，由于膜和油的相對(duì)介電常數(shù)差不多（εy/εm=1.18），而壓緊系數(shù)a一般為0.8 左右，a/（1 -a）= 4，所以在交流電壓下，油層上承受的電壓約占總電壓的17.5%。

從式（2）可以看出，在直流電壓下，膜層和油層上的電壓是按體積電阻率來分配的，并且與壓緊系數(shù)a有關(guān)。由于膜的體積電阻率是油的100 倍，而壓緊系數(shù)a一般為0.8 左右，a/（1 -a）= 4，與100 相比可以忽略不計(jì)，因此在直流電壓下油層幾乎不承受任何電壓。

實(shí)際上不同的介質(zhì)結(jié)構(gòu)的直流擊穿電壓是不相同的。為了驗(yàn)證不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的直流耐電強(qiáng)度，我們對(duì)多種介質(zhì)結(jié)構(gòu)做了交直流擊穿電壓等效的研究試驗(yàn)，結(jié)果見表2。表2 中等效倍數(shù)是指直流擊穿電壓/交流擊穿電壓。

表2 交直流擊穿電壓等效關(guān)系

早期的研究認(rèn)為電容器直流試驗(yàn)電壓是交流試驗(yàn)電壓的2 倍，但從表2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，液體介質(zhì)（純油）的交流擊穿電壓與直流擊穿電壓差不多，聚丙烯薄膜（全膜）浸油前后的直流擊穿電壓都是交流擊穿電壓的1.78 倍左右，元件的試驗(yàn)結(jié)果也是1.78倍，所以，我們認(rèn)為直流濾波電容器的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)，還是取并聯(lián)電容器設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)的1.78 倍為好。

在研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)不同介質(zhì)組合的交流直流擊穿電壓分散性也是不一樣的，對(duì)于直流濾波電容器，選用合適的介質(zhì)組合不但可以提高電容器的運(yùn)行可靠性，還可以提高其出廠合格率。

據(jù)上述研究，直流濾波電容器的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)除了按取并聯(lián)電容器設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)的1.78 倍左右原則選取外，還需結(jié)合系統(tǒng)諧波容量進(jìn)行溫升和損耗的計(jì)算，選取合適的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)。如果系統(tǒng)的諧波含量大，電容器選取的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)直接會(huì)影響到運(yùn)行時(shí)的損耗、溫升，還包括在按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的1.44 倍最大運(yùn)行損耗下交流熱穩(wěn)定試驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^的問題。

研究結(jié)果，直流濾波電容器元件的結(jié)構(gòu)為全膜、鋁箔折邊凸出結(jié)構(gòu)，極間介質(zhì)采用3 層厚為10.4 μm、寬為350 mm 的聚丙稀薄膜，極板采用鋁箔1235，0.005 mm × 353 mm。元件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。鋁箔采用折邊突出結(jié)構(gòu)，從根本上改善電場(chǎng)分布，改善局放性能，尤其是低溫局放性能，結(jié)合上述理論分析及電容器的實(shí)際運(yùn)行工況，選取了直流濾波電容器的場(chǎng)強(qiáng)110.0 MV/m。

圖2 元件結(jié)構(gòu)

2.2 均壓電阻問題研究

由于直流電壓和交流電壓的分布原理不同，均壓也不同，電容器具有隔直流通交流的作用，在直流電壓下，理想電容的阻抗相當(dāng)于無窮大，所以直流電壓不能像交流電壓那樣按電容分布，而是按電阻進(jìn)行電壓分配。直流濾波電容器組中的均壓?jiǎn)栴}，實(shí)際上包含兩個(gè)方面：一是外均壓?jiǎn)栴}，二是內(nèi)均壓?jiǎn)栴}。

（1）外均壓?jiǎn)栴}研究

外均壓就是電容器之間的均壓，由于直流電壓按電阻分配，而電容器本身的直流電阻存在個(gè)體上的差異，所以電容器兩端之間應(yīng)裝設(shè)均壓電阻，阻值的大小主要與環(huán)境的污穢程度和電容器的額定電壓有關(guān)。一般說來，阻值越小均壓效果越好，如果把電容器的額定電壓與電阻的比值定義為均壓電流IJ，則IJ越大均壓效果越好，但I(xiàn)J的大小應(yīng)綜合考慮電阻的發(fā)熱等問題。

電容器內(nèi)均壓電阻的發(fā)熱P可按下式計(jì)算：

式（3）中UN為電容器的額定電壓。由（3）式可知，假設(shè)IJ= 6.2 mA，UN= 15 kV，則P= 93 W，這個(gè)損耗對(duì)單臺(tái)電容器而言是相當(dāng)大的，理論上UN越小越好。但特高壓直流濾波電容器裝置的額定電壓一般較高，最高達(dá)到1732 kV，所以，研究結(jié)果，UN也不能太低，直流濾波電容器單元額定電壓取14.44 kV。

（2）內(nèi)均壓?jiǎn)栴}研究

早期的直流濾波電容器，電阻是裝在電容器外部，電阻套管的污穢程度直接影響均壓效果，后來改在電容器的內(nèi)部串聯(lián)段之間，集中放在兩個(gè)端子之間，這種方式稱為集中式均壓電阻。由于電容器內(nèi)部各串聯(lián)段的直流電阻分散性很大，會(huì)造成內(nèi)部電壓分布不均勻，如果極間沒有均壓電阻，則極間的絕緣電阻與對(duì)殼電阻是可比的，則第一個(gè)串聯(lián)段上的電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最后一個(gè)串聯(lián)段上的電壓。

有文獻(xiàn)研究，電容器內(nèi)部首串與末串的電壓差可能高達(dá)3.3 倍，要解決這個(gè)問題，我們采用分布式均壓電阻，即均壓電阻分布式的裝在電容器內(nèi)每個(gè)串聯(lián)段上。

試驗(yàn)表明，采用分布式均壓電阻可以有效解決內(nèi)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)嚴(yán)格控制各電阻的阻值，使串聯(lián)段電阻最大值與最小值之比不大于1.01，這樣電容器內(nèi)部的電壓更均勻，為此，均壓電阻值得選取很關(guān)鍵。

直流濾波電容器均壓電阻的選取：

單元采用分布式均壓電阻，不僅可以解決電容器之間及電容器內(nèi)串聯(lián)段之間的均壓?jiǎn)栴}，可以滿足規(guī)定的放電要求，還可以釋放電容器內(nèi)因熔絲動(dòng)作產(chǎn)生的殘余電荷，同時(shí)還有助于抑制熔絲動(dòng)作產(chǎn)生的電弧，改善電容器的運(yùn)行條件。

均壓電阻的阻值越小、均壓電流越大，均壓效果就越好，但是阻值越小電容器內(nèi)部的發(fā)熱量就會(huì)越大，溫升越高，會(huì)直接影響電容器的使用壽命，對(duì)電容器的運(yùn)行不利。另外，每個(gè)串段的均壓電流至少應(yīng)為串段泄漏電流的10 倍以上，方能達(dá)到較好的均壓效果。

研究結(jié)果，綜合電容器的均壓效果及發(fā)熱情況，單元選取的均壓電阻阻值Rg為3 MΩ，但要嚴(yán)格控制電阻的阻值，使串聯(lián)段電阻最大值與最小值之比不大于1.01，并且電阻的布置方式應(yīng)避免電容器內(nèi)局部過熱，裝于最容易散熱的心子大面處。

2.3 抗老化添加劑的研究

單元心子經(jīng)過高真空脫水脫氣，注入浸漬劑再經(jīng)過加壓浸漬，將聚丙烯薄膜充分浸透，彌補(bǔ)固體介質(zhì)聚丙烯薄膜上的電弱點(diǎn)，提高產(chǎn)品的局部放電性能和耐電強(qiáng)度。由于浸漬劑的老化會(huì)導(dǎo)致對(duì)殼絕緣電阻下降，電容器極對(duì)殼絕緣電阻下降會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部各串聯(lián)段之間電壓分布不均，所以應(yīng)在浸漬劑中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿p緩油的老化。本研究直流濾波電容器的浸漬劑采用GRY611 抗老化添加劑，經(jīng)老化試驗(yàn)驗(yàn)證，可以抑制高溫下直流濾波電容器的絕緣老化，延長(zhǎng)電容器的壽命。

由于絕緣在直流電壓下的老化與在交流電壓下不同，直流濾波電容器設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)也不一樣，因此添加的添加劑也有所不同，同交流電容器一樣應(yīng)用了GRT10 系列添加劑，但不同的是添加的含量不一樣。經(jīng)老化試驗(yàn)驗(yàn)證，可以抑制高溫下直流濾波電容器的絕緣老化，延長(zhǎng)電容器的壽命。

經(jīng)過足夠的試驗(yàn)驗(yàn)證后，我們將這種添加劑推廣應(yīng)用到產(chǎn)品上，經(jīng)過幾年的運(yùn)行考驗(yàn)，說明這種添加劑的作用是明顯的，特別是在運(yùn)行溫度較高時(shí)。這是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的我們的專有技術(shù)，對(duì)電容器制造技術(shù)有重大提升。

2.4 控制電容偏差的有效措施研究

電容器的電容偏差要求很高為-1.8% ～+1.8%，整組電容偏差要求-1% ～+1%，對(duì)于電容偏差的控制難度較大。單臺(tái)電容偏差乃至整組電容器電容偏差對(duì)電容器的運(yùn)行效果、電容器保護(hù)整定都會(huì)有直接的影響，因此，在電容的控制上采用了多種有效措施。

（1）根據(jù)實(shí)際材料的參數(shù)進(jìn)行電容計(jì)算

電容器的電容可按公式C=ε0εS/d計(jì)算，電容的影響因素包括3 個(gè)方面：介電常數(shù)ε、極板面積S、極間介質(zhì)厚度d。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，將實(shí)際材料的厚度值及相關(guān)的相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并在生產(chǎn)時(shí)，嚴(yán)格跟蹤控制心子的干電容，及時(shí)調(diào)整鋁箔的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，嚴(yán)格控制電容偏差整組平均都在+0.1%范圍內(nèi)。

（2）生產(chǎn)過程的有效控制措施

電容器元件卷制采用從美國(guó)引進(jìn)的國(guó)際上最先進(jìn)的HILTON 全自動(dòng)程控恒張力卷制機(jī)，容量可控制在±0.5%范圍內(nèi)，可以有效保證單元電容偏差要求。

元件卷制完成后自動(dòng)打耐壓，元件從卷制、壓裝、引線、裝配都在自動(dòng)生產(chǎn)流水線上進(jìn)行，減少了人為影響電容器的質(zhì)量分散性的因素。

研究結(jié)果，按照原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整元件的卷制參數(shù)，保證單元電容偏差要求，再依據(jù)電容計(jì)算偏差，進(jìn)行元件參數(shù)的調(diào)整，最終電容器整組電容偏差平均都控制在±0.5%范圍內(nèi)。另外，由于直流濾波電容器電阻阻值偏差要求較高，一個(gè)串段的阻值偏差范圍為±1%，而串段間則要求達(dá)到1.02，因此，在生產(chǎn)過程中還要對(duì)電阻進(jìn)行配平調(diào)整。

2.5 型式試驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

電容器的試驗(yàn)分為出廠試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)，通過桂林電力電容器有限責(zé)任公司《DAM14.44-36 出廠試驗(yàn)》、第三方的國(guó)家電力電容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心《DAM14.44-36 直流濾波電容器檢驗(yàn)報(bào)告（型式試驗(yàn)，報(bào)告編號(hào)：No.160183R）》的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果全部合格[12-14]，見表3。2019 年9 月26 日昌吉-古泉±1100 kV 特高壓直流輸電工程正式投運(yùn)至今，產(chǎn)品運(yùn)行良好，得到了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的檢驗(yàn)。

表3 DAM14.44-36 直流濾波電容器第三方試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（部分）

3 結(jié)語

±1100 kV 特高壓直流輸電工程是世界上第一條電壓最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓直流輸電工程，直流濾波電容器是首次研制，其單元額定電壓為14.44 kV，是目前設(shè)計(jì)最高的額定電壓。

通過對(duì)直流濾波電容器單元的單串電壓、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)強(qiáng)、分布式均壓電阻、抗老化添加劑、損耗設(shè)計(jì)、電阻阻值范圍和電容偏差控制等研究，并通過第三方試驗(yàn)驗(yàn)證，目前該產(chǎn)品已成功在±1100 kV 昌吉-古泉特高壓直流輸電工程昌吉換流站中安全運(yùn)行。

（1）通過研究單元的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，合理選定110.0 MV/m 場(chǎng)強(qiáng)和3 MΩ 分布式均壓電阻，研制了直流濾波電容器。

（2）通過研究單元的抗老化添加劑和損耗，選用專有技術(shù)GRY611 抗老化添加劑，保證損耗不超過0.025%，延長(zhǎng)了電容器壽命。

（3）通過研究單元的控制電阻阻值范圍和電容偏差，電容器整組電容偏差控制在±0.5%范圍內(nèi)，串段的阻值偏差范圍為±1%，保證了產(chǎn)品運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（4）通過國(guó)家級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證，直流濾波電容器產(chǎn)品滿足工程要求，保障±1100 kV 昌吉-古泉特高壓直流輸電工程運(yùn)行安全。

±1100 kV 特高壓直流濾波電容器的成功研制，為國(guó)家的電網(wǎng)安全運(yùn)行，奠定了國(guó)產(chǎn)化裝備的基礎(chǔ)。