±1100kV 特高压直流输电工程用直流滤波电容器研制

2023-07-26黄楚秋吴永利黄有祥欧庆雄蒋利军

装备制造技术 2023年5期

林峰，黄楚秋，吴永利，黄有祥，王义，欧庆雄，蒋利军

（桂林电力电容器有限责任公司，广西桂林 541004）

0 引言

我国能源资源与能源需求呈逆向分布，需采用特高压直流输电以实现能源的大范围优化配置[1-3]，特高压直流输电具有灵活、可控、经济、环保等特点，在远距离、大容量输电以及系统联网方面具有明显优势[4-5]。虽然我国高压直流输电系统电压等级已从500 kV 提高到800 kV 特高压等级，输送功率从3000 MW 提高到6400 ～8000 MW[6]，但对于西藏水电、准东火电外送和跨国输电等项目，输电距离超过3000 km，输电容量超过1200 万千瓦，若采用800 kV 直流输电，功率线损率将超过10%[7]，且输电容量仅能满足800 ～1000 万千瓦，为此，需研究更高电压等级直流输电技术，经论证采用1100 kV 电压等级的特高压直流输电最为经济[8-10]。

由于特高压直流输电存在整流和逆变的过程，必然会产生大量的谐波，需要装设大量的滤波器，因此特高压直流输电工程用直流滤波器的研制特别令人关注[11]。直流滤波电容器及其装置，对某次谐波或其以上谐波形成低阻抗通道，以达到抑制高次谐波的作用，从而滤除网络谐波，增强系统的稳定性。本文结合了1100 kV 昌吉-古泉工程的实际需求，依托世界上第一条电压最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的1100 kV 直流输电工程而开展直流滤波电容器及其装置的研究，直流滤波器包含直流滤波电容器单元（以下简称单元）和直流滤波电容器装置，本文仅对单元的关键技术展开研究。

世界上最高的电容器单元额定电压，在电容器行业属首次，没有参考案例，所以，首先研究单元的单串电压、介质结构、场强、均压电阻，保证产品运行可靠性和安全性，然后研究单元的抗老化添加剂、损耗设计，延长单元的使用寿命和质量，最后设计电阻阻值范围和控制电容偏差，并通过第三方试验验证及现场工程安全运行，保障直流工程安全运行。

1 直流滤波电容器单元的总体方案

系统的额定电压1100 kV，电容器装置的额定电压1732 kV，是目前最高的额定电压，装置采用120串2 并结构，单元额定电压为14.44 kV。单元主要由心子、箱壳、套管等部件组成。浸渍剂为GRY611，电容器内装有内放电电阻，箱盖为双套管出线。单元心子由76 个元件组成，每个元件串有熔丝，熔丝采用隐藏式双并结构。单元外壳由优质不锈钢板304 弯折焊接而成，外壳长为383 mm，宽为197 mm，高为1150 mm，外壳两个小侧面焊有吊攀，供搬运及安装使用。单元套管采用10 裙一体式压接套管，满足按海拔修正后的绝缘水平的要求，可以有效防止渗漏油。

针对以上系统特点及运行要求，设计单元的技术参数见表1。

表1 直流滤波电容器单元基本参数

2 理论分析研究与试验验证

2.1 直流滤波电容器介质结构问题和场强的选取问题研究

直流滤波电容器由于直流电压的分布与交流电压不同，所以应该重新审视直流滤波电容器的介质结构问题。直流滤波电容器是由膜和油组成的复合介质结构，其等效电路如图1 所示。

图1 直流滤波电容器在电介质物理上的等效电路

在交流电压下，根据图1，不难导出：

在直流电压下，根据图1，不难导出：

式（1）（2）中：Um（a）、Uy（a）分别为分配在膜上和油层上的交流电压；Um（z）、Uy（z）分别为分配在膜层上和油层上的直流电压；ρm、ρy分别为膜和油的体积电阻率；dm、dy分别为膜层和油层的厚度；a为压紧系数。

从式（1）可以看出，在交流电压下，膜上和油层上的电压主要按膜和油的相对介电常数的倒数分配，由于膜和油的相对介电常数差不多（εy/εm=1.18），而压紧系数a一般为0.8 左右，a/（1 -a）= 4，所以在交流电压下，油层上承受的电压约占总电压的17.5%。

从式（2）可以看出，在直流电压下，膜层和油层上的电压是按体积电阻率来分配的，并且与压紧系数a有关。由于膜的体积电阻率是油的100 倍，而压紧系数a一般为0.8 左右，a/（1 -a）= 4，与100 相比可以忽略不计，因此在直流电压下油层几乎不承受任何电压。

实际上不同的介质结构的直流击穿电压是不相同的。为了验证不同介质结构的直流耐电强度，我们对多种介质结构做了交直流击穿电压等效的研究试验，结果见表2。表2 中等效倍数是指直流击穿电压/交流击穿电压。

表2 交直流击穿电压等效关系

早期的研究认为电容器直流试验电压是交流试验电压的2 倍，但从表2 试验结果可以看出，液体介质（纯油）的交流击穿电压与直流击穿电压差不多，聚丙烯薄膜（全膜）浸油前后的直流击穿电压都是交流击穿电压的1.78 倍左右，元件的试验结果也是1.78倍，所以，我们认为直流滤波电容器的设计场强，还是取并联电容器设计场强的1.78 倍为好。

在研究过程中，我们发现不同介质组合的交流直流击穿电压分散性也是不一样的，对于直流滤波电容器，选用合适的介质组合不但可以提高电容器的运行可靠性，还可以提高其出厂合格率。

据上述研究，直流滤波电容器的设计场强除了按取并联电容器设计场强的1.78 倍左右原则选取外，还需结合系统谐波容量进行温升和损耗的计算，选取合适的设计场强。如果系统的谐波含量大，电容器选取的设计场强直接会影响到运行时的损耗、温升，还包括在按标准进行的1.44 倍最大运行损耗下交流热稳定试验能否通过的问题。

研究结果，直流滤波电容器元件的结构为全膜、铝箔折边凸出结构，极间介质采用3 层厚为10.4 μm、宽为350 mm 的聚丙稀薄膜，极板采用铝箔1235，0.005 mm × 353 mm。元件结构如图2 所示。铝箔采用折边突出结构，从根本上改善电场分布，改善局放性能，尤其是低温局放性能，结合上述理论分析及电容器的实际运行工况，选取了直流滤波电容器的场强110.0 MV/m。

图2 元件结构

2.2 均压电阻问题研究

由于直流电压和交流电压的分布原理不同，均压也不同，电容器具有隔直流通交流的作用，在直流电压下，理想电容的阻抗相当于无穷大，所以直流电压不能像交流电压那样按电容分布，而是按电阻进行电压分配。直流滤波电容器组中的均压问题，实际上包含两个方面：一是外均压问题，二是内均压问题。

（1）外均压问题研究

外均压就是电容器之间的均压，由于直流电压按电阻分配，而电容器本身的直流电阻存在个体上的差异，所以电容器两端之间应装设均压电阻，阻值的大小主要与环境的污秽程度和电容器的额定电压有关。一般说来，阻值越小均压效果越好，如果把电容器的额定电压与电阻的比值定义为均压电流IJ，则IJ越大均压效果越好，但IJ的大小应综合考虑电阻的发热等问题。

电容器内均压电阻的发热P可按下式计算：

式（3）中UN为电容器的额定电压。由（3）式可知，假设IJ= 6.2 mA，UN= 15 kV，则P= 93 W，这个损耗对单台电容器而言是相当大的，理论上UN越小越好。但特高压直流滤波电容器装置的额定电压一般较高，最高达到1732 kV，所以，研究结果，UN也不能太低，直流滤波电容器单元额定电压取14.44 kV。

（2）内均压问题研究

早期的直流滤波电容器，电阻是装在电容器外部，电阻套管的污秽程度直接影响均压效果，后来改在电容器的内部串联段之间，集中放在两个端子之间，这种方式称为集中式均压电阻。由于电容器内部各串联段的直流电阻分散性很大，会造成内部电压分布不均匀，如果极间没有均压电阻，则极间的绝缘电阻与对壳电阻是可比的，则第一个串联段上的电压会远远高于最后一个串联段上的电压。

有文献研究，电容器内部首串与末串的电压差可能高达3.3 倍，要解决这个问题，我们采用分布式均压电阻，即均压电阻分布式的装在电容器内每个串联段上。

试验表明，采用分布式均压电阻可以有效解决内均压问题，同时严格控制各电阻的阻值，使串联段电阻最大值与最小值之比不大于1.01，这样电容器内部的电压更均匀，为此，均压电阻值得选取很关键。

直流滤波电容器均压电阻的选取：

单元采用分布式均压电阻，不仅可以解决电容器之间及电容器内串联段之间的均压问题，可以满足规定的放电要求，还可以释放电容器内因熔丝动作产生的残余电荷，同时还有助于抑制熔丝动作产生的电弧，改善电容器的运行条件。

均压电阻的阻值越小、均压电流越大，均压效果就越好，但是阻值越小电容器内部的发热量就会越大，温升越高，会直接影响电容器的使用寿命，对电容器的运行不利。另外，每个串段的均压电流至少应为串段泄漏电流的10 倍以上，方能达到较好的均压效果。

研究结果，综合电容器的均压效果及发热情况，单元选取的均压电阻阻值Rg为3 MΩ，但要严格控制电阻的阻值，使串联段电阻最大值与最小值之比不大于1.01，并且电阻的布置方式应避免电容器内局部过热，装于最容易散热的心子大面处。

2.3 抗老化添加剂的研究

单元心子经过高真空脱水脱气，注入浸渍剂再经过加压浸渍，将聚丙烯薄膜充分浸透，弥补固体介质聚丙烯薄膜上的电弱点，提高产品的局部放电性能和耐电强度。由于浸渍剂的老化会导致对壳绝缘电阻下降，电容器极对壳绝缘电阻下降会导致内部各串联段之间电压分布不均，所以应在浸渍剂中加入适当的添加剂减缓油的老化。本研究直流滤波电容器的浸渍剂采用GRY611 抗老化添加剂，经老化试验验证，可以抑制高温下直流滤波电容器的绝缘老化，延长电容器的寿命。

由于绝缘在直流电压下的老化与在交流电压下不同，直流滤波电容器设计场强也不一样，因此添加的添加剂也有所不同，同交流电容器一样应用了GRT10 系列添加剂，但不同的是添加的含量不一样。经老化试验验证，可以抑制高温下直流滤波电容器的绝缘老化，延长电容器的寿命。

经过足够的试验验证后，我们将这种添加剂推广应用到产品上，经过几年的运行考验，说明这种添加剂的作用是明显的，特别是在运行温度较高时。这是国内首创的我们的专有技术，对电容器制造技术有重大提升。

2.4 控制电容偏差的有效措施研究

电容器的电容偏差要求很高为-1.8% ～+1.8%，整组电容偏差要求-1% ～+1%，对于电容偏差的控制难度较大。单台电容偏差乃至整组电容器电容偏差对电容器的运行效果、电容器保护整定都会有直接的影响，因此，在电容的控制上采用了多种有效措施。

（1）根据实际材料的参数进行电容计算

电容器的电容可按公式C=ε0εS/d计算，电容的影响因素包括3 个方面：介电常数ε、极板面积S、极间介质厚度d。

根据统计的方法，将实际材料的厚度值及相关的相对介电常数进行计算，并在生产时，严格跟踪控制心子的干电容，及时调整铝箔的设计长度，严格控制电容偏差整组平均都在+0.1%范围内。

（2）生产过程的有效控制措施

电容器元件卷制采用从美国引进的国际上最先进的HILTON 全自动程控恒张力卷制机，容量可控制在±0.5%范围内，可以有效保证单元电容偏差要求。

元件卷制完成后自动打耐压，元件从卷制、压装、引线、装配都在自动生产流水线上进行，减少了人为影响电容器的质量分散性的因素。

研究结果，按照原材料的进厂检验结果，及时调整元件的卷制参数，保证单元电容偏差要求，再依据电容计算偏差，进行元件参数的调整，最终电容器整组电容偏差平均都控制在±0.5%范围内。另外，由于直流滤波电容器电阻阻值偏差要求较高，一个串段的阻值偏差范围为±1%，而串段间则要求达到1.02，因此，在生产过程中还要对电阻进行配平调整。

2.5 型式试验验证及现场运行

电容器的试验分为出厂试验、型式试验和特殊试验，通过桂林电力电容器有限责任公司《DAM14.44-36 出厂试验》、第三方的国家电力电容器质量监督检验中心《DAM14.44-36 直流滤波电容器检验报告（型式试验，报告编号：No.160183R）》的试验验证，试验结果全部合格[12-14]，见表3。2019 年9 月26 日昌吉-古泉±1100 kV 特高压直流输电工程正式投运至今，产品运行良好，得到了现场运行的检验。