張晨萌1，陳芒芒，王 鑫3，孫鵬宇

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；3.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室, 重慶 400044)

0 引 言

由于中國一次能源中心與負荷中心在地域上跨度很大，為合理優(yōu)化國家能源配置，充分發(fā)揮西南地區(qū)水力資源的作用，國家電網公司近年加快了特高壓直流輸電工程的建設[1-3]。中性母線沖擊電容器作為直流回路和濾波回路發(fā)生故障時的電流流通回路，是換流站中性母線保護的重要組成部分。近年來，由沖擊電容器故障引發(fā)的換流站事故時有發(fā)生：2011年7月30日龍政直流中性母線曾發(fā)生極中性母線電容器擊穿事件[4]，宜都站、政平站已經進行了中性線電容更換；2014年5月25日，三廣直流工程鵝城站極線故障，極Ⅰ中性線電容器破裂損毀。

沖擊電容器運行條件特殊，目前對沖擊電容器的絕緣老化機理、絕緣狀態(tài)評估方法等在國內外尚缺乏深入研究。為研究換流站中性母線側運行的沖擊電容器在實際環(huán)境中的絕緣老化情況，需要同時考慮正常運行狀態(tài)下電容器承受的直流電壓和故障時侵入電容器的沖擊過電壓。考慮與電容器并聯(lián)的避雷器對雷擊過電壓的限制作用，下面僅模擬對電容器同時施加直流電壓和操作沖擊電壓的情況。

1 試驗回路

試驗電路如圖1所示，包含：沖擊電壓發(fā)生器，400 kV/40 kJ，共8級，單極額定電壓50 kV，單極電容3.99 μF，保護電阻48 kΩ，波前電阻及放電電阻阻值見3.2節(jié)；沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容，Cg1、Cg2，取500 pF；Cm1、Cm2組成電容分壓器，采用MWF400-1200型脈沖電容器，額定沖擊電壓400 kV，電容值1188 pF；耦合電容Cc，50 μF；沖擊電容器試品Cs，額定電壓12 kV，電容值0.6 μF；保護電阻R0，3 kΩ，整流硅堆STACK；交流220 V電壓源；隔離變壓器T1；調壓變壓器T2；升壓變壓器T3。

圖1 電容器疊加電壓老化試驗回路

試驗回路工作原理如下：

1)交流電源由圖1中右側輸入電壓，通過整流硅堆使沖擊電容器試品Cs兩端加直流電壓。

2)操作沖擊電壓由圖1中左側沖擊電壓發(fā)生器產生，通過耦合電容Cc輸出至電容器試品Cs兩端。Cm1、Cm2組成電容分壓器用于測量沖擊電壓發(fā)生器輸出端電壓。

3)直流電壓產生部分與操作沖擊電壓產生部分由耦合電容Cc進行連接。耦合電容既可以避免直流電壓侵入沖擊電壓發(fā)生器，同時能夠保證操作沖擊電壓無畸變地通過耦合電容加到沖擊電容器試品兩端。

2 試驗電壓

2.1 操作沖擊電壓

以某±500 kV直流輸電工程首端換流站中性母線沖擊電容器組為對象，電容器組型式及參數見表1。

±500 kV換流站中性線電容器故障電壓最大波峰值、波谷值見表2，將明顯幅值偏大的數據置于前端。從表2可見僅約15%的故障電壓的最大波峰值及最大波谷值遠超過平均值。排除15%故障電壓偏大值，中性母線故障電壓最大波峰平均值為1.333 kV，中性母線故障電壓最大波谷平均值為-2.269 kV，均遠小于電容器單元的額定電壓13.5 kV，經過換算，分別約占電容器單元額定電壓的0.985%和1.68%。

表1 ±500 kV換流站中性線電容器

表2 ±500 kV換流站中性線電容器故障電壓

對于研究對象12 kV、0.6 μF電容器，取保守偏大值2%Un時，則沖擊電壓峰值僅為0.24 kV。GB/T 20993-2012《高壓直流輸電系統(tǒng)用直流濾波電容器及中性母線沖擊電容器》中定義了中性母線沖擊電容器組額定電壓與電容器組的操作沖擊耐受水平(峰值)的關系為[5]。

(1)

但該標準中僅對端子與外殼間雷電沖擊電壓試驗(型式試驗)進行了說明，并未對操作沖擊電壓試驗提供指導意見。

在約占15%比例的中性母線故障電壓偏大值中，最嚴重時中性母線故障電壓最大波峰值為49.731 kV，最大波谷值為-63.807 kV，分別約為電容器單元額定電壓的36.84%和47.26%，并且最大波谷值比最大波峰值更大。JB/T 8168-1999《脈沖電容器及直流電容器》中對用于沖擊電壓的直流電容器的耐久性能的定義為，在額定電壓下，按規(guī)定的波形或電路參數充放電次數達到10 000次[6]。

綜合考慮試驗的時間成本及實際故障電壓峰值、極性影響，沖擊電容器直流電壓疊加操作沖擊電壓老化試驗的沖擊電壓峰值定為-1.2Un、-1.5Un、-1.8Un、-2.2Un、-2.6Un，即-14.4 kV、-18 kV、-21.6 kV、-26.4 kV、-31.2 kV。

2.2 直流電壓

同樣以2.1節(jié)中的±500 kV直流輸電工程首端換流站中性母線沖擊電容器組為對象，中性母線直流電壓U0=I0R0，其中：I0為單極大地回線運行時接地極注入電流；R0為直流接地極線路電阻與接地極接地電阻之和。該站接地極線路參數如表3，±500 kV換流站接地極接地電阻一般小于0.1 Ω，此處計算取0.08 Ω，其誤差相對于接地極線路電阻值很小。

表3 ±500 kV首端換流站接地極線路參數

所以R0為0.162 225 Ω，I0取3 kA[7]時，得中性母線直流電壓為0.486 675 kV，考慮一定的裕度取1 kV。

3 試驗回路仿真

3.1 電容器疊加電壓老化電路

沖擊電容器直流電壓疊加沖擊電壓老化試驗回路經過簡化，得到電路原理圖如圖2所示。

圖2 電容器疊加電壓老化電路

圖中：Cim為充電電容，取沖擊電壓發(fā)生器1級電容，電容值為3.99 μF；Rf為波前電阻，Ω；Rt為放電電阻，Ω；Cr為不計入試品電容的負荷電容，1688 pF；Cc為耦合電容，50 μF；Cs為電容器試品，0.6 μF；R0為保護電阻，3 kΩ。

3.2 波前電阻及放電電阻

先不考慮直流電壓側影響，假定沖擊發(fā)生器簡化回路為高效率回路(忽略內部阻尼電阻)，不考慮回路電感影響，采用簡化回路的非近似計算方法，如式(2)。

(2)

而總負荷電容Cr1由式(3)得到。

Cr1=Cr+CcCs/(Cc+Cs)

(3)

對0.6 μF的沖擊電容器試品Cs而言，串聯(lián)一個電容值約為其10倍的耦合電容Cc，其電容值由0.6 μF變?yōu)?.593 μF，變化率僅約1%，對總負荷電容大小的影響很小。而不計入試品電容的負荷電容Cr為1688 pF，僅為沖擊電容器試品Cs的0.28%。綜合以上分析，忽略不計入試品電容的負荷電容和耦合電容，得到T0=3 217.472 s，波前電阻Rf=120.157 1 Ω，放電電阻Rt=683.777 8 Ω。

為研究直流電壓對沖擊電壓發(fā)生器輸出波形的影響以及連接操作沖擊電壓側與直流電壓側的耦合電容對試品電壓波形的影響，基于電磁暫態(tài)仿真軟件pscad，使用常用器件搭建了使用時控開關控制的電容器直流疊加操作沖擊電壓的仿真模型，如圖3所示。時控開關BRK和BRK1的斷開電阻為1 GΩ，閉合電阻為0 Ω。仿真時長為1.6 s，仿真步長1 μs，以U1=-2.6Un=-31.2 kV交流電源降低至波谷的時刻1.425 s為動作時刻，在1.425 s前開關BRK1閉合，開關BRK打開，在1.425 s時刻打開開關BRK1，閉合開關BRK，得到沖擊電壓發(fā)生器輸出端電壓波形，這同時也是電容器試品承受的電壓波形(見圖4)。為便于觀察，沖擊電壓發(fā)生器輸出波形及試品兩端電壓波形均為反極性波形。

圖4的無耦合電容沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓波形為419 μs/3909 μs，峰值為30.925 kV。IEC 60060-1:1989及國家標準GB/T 16927.1-2011規(guī)定的標準操作沖擊電壓的波前時間Tf為250±20%μs，即200～300 μs，半峰值時間Tt為2500±60 %μs，即1000～4000 μs。此時操作沖擊電壓波頭時間超過了規(guī)定范圍。

圖3 無耦合電容疊加電壓老化電路

圖4 無耦合電容沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓波形

修正電路將波前電阻Rr降低至70 Ω后，得到操作沖擊電壓波形為280 μs/3645 μs，峰值為31.08 kV。

3.3 直流電源

在老化試驗電路中考慮直流電源及保護電阻3 kΩ后，調整直流電源電壓至5 kV，沖擊前電容器試品兩端直流電壓約1 kV。操作沖擊電壓波形276 μs/3542 μs，幅值30.49 kV，如圖5所示?？梢?，直流電源對混合沖擊電壓波形影響極小，但在無耦合電容連接沖擊電壓發(fā)生側和直流電壓側時，需要大幅提高直流側電壓至5 kV來使電容器試品兩端直流電壓達到試驗要求。

圖5 無耦合電容修正電路電容器試品疊加沖擊電壓波形

3.4 耦合電容

耦合電容Cc電容值為50 μF。仿真時長調整為2.6 s，時控開關動作時間調整為2.425 s，直流電源電壓調整為1 kV，此時沖擊電壓發(fā)生器輸出端電壓波形如圖6，沖擊波形為274 μs/3477 μs，峰值30.4 kV，而沖擊發(fā)生前電壓基本為0，與無耦合電容下沖擊電壓波形及幅值基本一致。因此，可以認為直流電源對沖擊電壓發(fā)生器的沖擊電壓并無影響。電容器試品上的疊加沖擊波形為263 μs/3467 μs，峰值31 kV，如圖7所示?？梢妿я詈想娙莺?，電容器試品端電壓峰值由30.49 kV增大至31 kV，變化幅度約1.67%。

圖6 有耦合電容修正電路沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓波形

圖7 有耦合電容修正電路電容器試品電壓波形

4 結 論

1)在無耦合電容的條件下，直流電源電壓需大幅提高才能達到電容器試品未沖擊前直流電壓的試驗要求。

2)在有耦合電容的條件下，耦合電容能有效限制直流側電壓對沖擊電壓發(fā)生器未動作時的影響。

3)本試驗條件下，有、無耦合電容對試品疊加電壓波形的影響很小，耦合電容對沖擊電壓發(fā)生器效率的影響可以忽略。