黃云鍇，儲松潮，潘焱堯，邢照亮，戴熙瀛，齊青，胡杰，左蓓

（1.安徽銅峰電子股份有限公司，安徽 銅陵 244000；2.國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

0 引言

柔性直流輸電是一種基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)，該技術(shù)是以電壓源換流器、IGBT和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)。在柔性直流輸變電工程中，干式直流電容器和IGBT 是閥塔的兩大核心器件。同時也決定著柔性高壓直流輸變電工程的安全性、可靠性。因此我們需要深入地分析柔性直流輸變電用干式直流電容器性能需求和工作狀況，有的放矢地設(shè)計和驗證該電容器。

柔性直流輸電項目使用的是金屬化薄膜電容器，具有體積小、載流大、損耗低、使用溫度范圍廣、頻率范圍寬等優(yōu)點。該電容器由數(shù)十個甚至數(shù)百個電容器元件構(gòu)成，元件的性能和可靠性決定了電容器性能和可靠性，因此需要從元件研究入手，提升電容器品質(zhì)[1-5]。

1 柔性直流輸電工程對干式直流電容器的要求

柔性直流輸電隨著技術(shù)的發(fā)展，工程應(yīng)用從初期的南澳±160 kV 逐漸提升到烏東德±800 kV，輸電容量也大幅提升。柔性直流輸電使用的干式直流電容器和IGBT 采用多串級方式獲得高壓，以目前正在建設(shè)的白鶴灘工程為例，使用2 800 VDC-9 mF電容器數(shù)量高達1.6 萬多臺。

輸電工程的運行是連續(xù)的，要求電容器在長達40 年的連續(xù)使用中失效率≤30 FIT。如此多電容器安裝于閥廳中，還必須保證安全性[6-8]。

1.1 電容器的主要技術(shù)指標(biāo)

以白鶴灘項目使用電容器的技術(shù)要求為例，電容器類型為干式、自愈式，冷卻方式為自然冷卻了，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電容器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters of capacitor

1.2 電容器實現(xiàn)工程化應(yīng)用的難點

從表1 可見，電容器的電壓高、電容大、電流大，要求損耗低、電感低、發(fā)熱低。此外，為縮減閥廳占地面積和閥塔構(gòu)件承重，還希望電容器盡可能體積小、重量輕。最為關(guān)鍵的是在滿足以上條件的同時還要求在長達40 年的預(yù)期壽命內(nèi)極低的失效率，這就要電容器的設(shè)計、工藝、設(shè)備和材料等要素趨于理想值[9-12]。

1.3 柔性直流輸電用電容器元件的要求

柔性直流輸電用電容器由多個電容器元件構(gòu)成，不同電容器制造商典型的設(shè)計方案是采用幾十至數(shù)百個元件通過串并聯(lián)的方式制成。而構(gòu)成電容器的任一元件發(fā)生故障時，整臺電容器將失效。這也就意味著電容器元件必須實現(xiàn)更低的失效率，才可能保證電容器的失效率在30 FIT 以下。

如此高性能、小體積、高可靠性的要求下，除甄選優(yōu)質(zhì)材料、高性能加工設(shè)備、穩(wěn)定的工藝保障外，還需要有完善有效的檢驗手段和測試方法，篩選出優(yōu)質(zhì)可靠的元件用于電容器的組裝生產(chǎn)。

2 電容器元件試驗方案的確立

電容器的試驗是依據(jù)GB/T 17702 標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合電容器在柔性直流輸電工程的實際需求，增加了特殊試驗條款。特殊試驗主要有耐爆性試驗、特別條件的破壞性試驗、極限耐壓試驗和交直流疊加試驗等。

電容器元件的試驗也應(yīng)遵循電容器整機的測試方法和條件，剔除部分不適用條款；電容器試驗中的電流類參數(shù)根據(jù)構(gòu)成電容器元件的數(shù)量等比計算再形成合適的元件試驗參數(shù)，形成電容器元件試驗方案。

2.1 電容器元件試驗方案的設(shè)計

依據(jù)以上思路，設(shè)計試驗方案見表2。

表2 電容器元件試驗參數(shù)Table 2 The test parameters of capacitor components

從表2 可見，剔除了檢驗電容器承載電流的熱穩(wěn)定性試驗，安排了貼近柔性直流輸電工程應(yīng)用工況的交直流耐久試驗和工程故障工況時的極限耐壓試驗等，以此驗證電容器元件是否滿足工程的需求[13-15]。

2.2 電容器元件試驗品的制備

柔性直流輸電用電容器由若干元件通過焊接、組裝、灌封等環(huán)節(jié)形成一個整體，由于制成電容器元件的金屬化薄膜很容易氧化，為保證試驗的有效性，需要將電容器元件封裝起來。電容器元件的引出電極和對外絕緣等設(shè)計滿足試驗的電壓、電流需求。

為甄選優(yōu)質(zhì)材料，我們選取4 個國內(nèi)廠家和1 個國外廠家的薄膜材料，按電容器元件試驗品的設(shè)計方案，采用相同工藝制成電容器元件。制備的5 種電容器，分別以A、B、C、D、E 標(biāo)記；每種電容器元件22 只，分別按A1~A22、B1~B22、C1~C22、D1~D22、E1~E22編號。

3 電容器元件的試驗情況

按電容器元件的試驗條件進行了試驗，先完成例行試驗，再進行型式試驗?，F(xiàn)將部分型式試驗情況分別介紹。

3.1 端子間耐壓試驗

試驗要求：每種電容器元件各取3 個，加熱70℃并保持6 h 以上，兩極間施加1.5UNDC的直流電壓，歷時1 min，試驗前后進行電容和損耗的測試。合格判據(jù)：在試驗中，既不得發(fā)生擊穿也不得發(fā)生閃絡(luò)，ΔC/C≤±0.5%，tanδ≤1.1 tanδ0+1×10-4。端子間耐壓試驗結(jié)果見圖1。

圖1 端子間耐壓試驗前后電容變化Fig.1 The comparison of capacitance before and after voltage test between terminals

從圖1 可見5 種電容器元件試驗后變化均很小，損耗數(shù)據(jù)無變化。

3.2 損耗測量

試驗要求：每種元件抽取3 只，使用高精度電橋室溫下測量損耗（@283 V 50 Hz）。合格判據(jù)：tanδ≤6×10-4。損耗測量結(jié)果見圖2。

從圖2 可見，電容器元件均損耗符合要求，B 薄膜制成的元件損耗最小。

圖2 電容器元件損耗測量Fig.2 The loose measurement of capacitor components

3.3 沖擊放電試驗

元件的最大沖擊電流由電容器單元最大沖擊電流除以元件個數(shù)得到（800 KA/150=5.3 KA）。試驗要求：每種元件抽取2 只，試驗電壓為1.1UN，放電電流達到最大沖擊電流的1.1 倍。試驗后5 min之內(nèi)，進行端子間電壓試驗，電容測量在放電試驗之前和放電試驗之后進行。合格判據(jù)：ΔC/C≤±1%，tanδ≤1.2 tanδ0+1×10-4。試驗結(jié)果見表3。

表3 電容器元件沖擊試驗Table 3 The shock test of capacitor components

從表3 可見，試驗前后電容器元件電容變化很小，損耗無變化，符合要求。

3.4 耐久性試驗

試驗要求：每種電容器元件抽取3 只進行試驗。步驟1：電容器元件放置在30±2 ℃的環(huán)境下至少12 h 后，進行端子間耐電壓，5 min 后測試電容損耗。步驟2：電容器元件放置在50℃的環(huán)境下至少12 h。步驟3：在50 ℃，對電容器元件施加3.6 kVDC保持1 000 h。步驟4、步驟3 進行到一半時，電容器元件應(yīng)停止通電，并在環(huán)境溫度下的靜止空氣中冷卻，對樣品進行1 000 次放電，其電流為1.4 倍的最大峰值電流除以元件個數(shù)得到（1.4×100/150=0.93 kA）。步驟5：在耐久性實驗結(jié)束后的兩天內(nèi)按步驟1 測試電容、損耗。合格判據(jù)：△C/C≤±2%，未出現(xiàn)擊穿或電容損壞，試驗結(jié)果見圖3。從圖3可見，電容器元件電容變化很小，全部通過耐久性試驗。

圖3 元件耐久性試驗電容變化圖Fig.3 The capacitance change diagram of components edurance test

3.5 極限耐壓試驗

為模擬工程中發(fā)生故障的狀態(tài)，試驗要求：每種電容器元件抽取3 個，先在80℃烘箱內(nèi)烘烤6 h 以上，施加不低于適配子模塊IGBT 額定電壓（4.5 kV）的直流電壓，歷時10 min。在試驗中不得出現(xiàn)擊穿和閃絡(luò)，允許有自愈性擊穿。合格判據(jù)：電容不得有損失，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 元件極限耐壓試驗電容變化圖Fig.4 The capacitance change diagram of components extreme voltage test

從圖4 可見，電容器元件經(jīng)歷極限耐壓試驗后沒有出現(xiàn)電容衰減。

3.6 交直流疊加耐久性試驗

試驗要求：為模擬電容器實際運行工況，每種電容器元件抽取2 只樣品。預(yù)處理：元件應(yīng)在溫度不低于+10℃的靜止空氣中耐受1.1UNDC的電壓，歷時16~24 h。元件在不通電狀態(tài)下，放置在一個溫度為30±2℃的通風(fēng)箱中歷時至少12 h。施加電壓5 min 后，在相同環(huán)境溫度下進行測量初始電容及tanδ0。

將元件放入加熱箱中并通電，調(diào)節(jié)冷卻/加熱條件以確保電容器元件在試驗過程中維持溫度達85℃。通電施加的電壓及時間為3.64 kVDC+280VACRMS/250 h，通電持續(xù)時間完成后，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下恢復(fù)12~48 h，之后測試對應(yīng)頻率電容及tanδ。

在室溫下按照沖擊放電試驗要求進行1 000 次充放電，充放電電流為（1.4?/電容器單元中元件個數(shù)），結(jié)束后測試對應(yīng)頻率電容及tanδ。

重復(fù)沖擊放電試驗前的步驟，維持元件溫度達85 ℃時施加持續(xù)電壓3.64 kVDC+280 VACRMS/250 h，通電持續(xù)時間完成后，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下恢復(fù)12~48 h，之后測試對應(yīng)頻率電容及tanδ。合格判據(jù)：電容衰減≤-3%以內(nèi)，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 電容器元件交直流疊加耐久性試驗Fig.5 The capacitance change diagram of component DC&AC superposition edurance test

從圖5 可見，A 薄膜制成的2 個元件交直流疊加試驗不合格，C 和E 薄膜制成的元件各有1 只交直流疊加試驗不合格，B 和D 薄膜制成的元件交直流疊加試驗符合要求。

3.7 絕緣電阻測試

試驗要求：每種元件隨機抽取3 只，在常溫下對電容器元件施加1 000 VDC測量絕緣電阻。合格判據(jù)：絕緣電阻值≥1 GΩ，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 電容器元件絕緣電阻測試Fig.6 The insulation resistance test of capacitor components

從圖6 可見，所有元件均符合要求，A 和B 薄膜制成的元件絕緣電阻較大。

4 結(jié)果與討論

4.1 電容器元件試驗情況和分析

從上述的電容器元件型式試驗來看，不同的薄膜制成的元件交直流疊加耐久性試驗除A、C、E 元件的電容超出標(biāo)準(zhǔn)以外，其余試驗均符合試驗要求，簡要分析見表4。

表4 電容器元件主要型式試驗分析Table 4 The analysis of main type tests of capacitor components

從表4 可見，B 和D 薄膜制成元件綜合性能較為突出，總體表現(xiàn)符合柔性直流輸電工程需求。A、C、E 薄膜制成元件除交直流疊加耐久試驗外，其余試驗性能優(yōu)良。

4.2 下一步工作

綜上所述，目前完成了柔性直流輸電用電容器元件的測試。此外，電容器的熱穩(wěn)定性試驗是考核電容器的熱設(shè)計和電容器元件的發(fā)熱情況，需要整臺電容器才能測試；電容器的端子與外殼間電壓試驗是考核電容器的絕緣設(shè)計，需要整臺電容器才能測試等。后續(xù)將制成整臺電容器進一步考核電容器的全部性能，并再次驗證薄膜材料的性能。

5 結(jié)語

從柔性直流輸電用電容器元件的試驗來看，甄選后的薄膜材料制成的電容器元件可以滿足柔性直流輸電工程應(yīng)用的需求。柔性直流輸電用電容器的樣機和小批量產(chǎn)品在柔性直流輸電示范工程中的多年使用也未見任何異常。同時，本次試驗采用的雙盲測試，其中A、B、C 是國產(chǎn)薄膜，D、E 是進口薄膜，進口膜制成的元件也未見比國產(chǎn)膜有突出表現(xiàn)。

隨著對干式直流電容器研究的深入、測試的完備，國產(chǎn)化薄膜電容器已經(jīng)具有和進口電容器同臺競技的水平，期望早日實現(xiàn)柔性直流輸電用高端電容器的國產(chǎn)化替代工作。