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任公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國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現能源的大范圍優(yōu)化配置[1-3]，特高壓直流輸電具有靈活、可控、經濟、環(huán)保等特點，在遠距離、大容量輸電以及系統(tǒng)聯(lián)網方面具有明顯優(yōu)勢[4-5]。雖然我國高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級已從500 kV 提高到800 kV 特高壓等級，輸送功率從3000 MW 提高到6400 ～8000 MW[6]，但對于西藏水電、準東火電外送和跨國輸電等項目，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]，且輸電容量僅能滿足800 ～1000 萬千瓦，為此，需研究更高電壓等級直流輸電技術，經論證采用1100 kV 電壓等級的特高壓直流輸電最為經濟[8-10]。

由于特高壓直流輸電存在整流和逆變的過程，必然會產生大量的諧波，需要裝設大量的濾波器，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注[11]。直流濾波電容器及其裝置，對某次諧波或其以上諧波形成低阻抗通道，以達到抑制高次諧波的作用，從而濾除網絡諧波，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文結合了1100 kV 昌吉-古泉工程的實際需求，依托世界上第一條電壓最高、輸送容量最大、輸送距離最遠、技術水平最先進的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（以下簡稱單元）和直流濾波電容器裝置，本文僅對單元的關鍵技術展開研究。

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、介質結構、場強、均壓電阻，保證產品運行可靠性和安全性，然后研究單元的抗老化添加劑、損耗設計，延長單元的使用壽命和質量，最后設計電阻阻值范圍和控制電容偏差，并通過第三方試驗驗證及現場工程安全運行，保障直流工程安全運行。

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 并結構，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，電容器內裝有內放電電阻，箱蓋為雙套管出線。單元心子由76 個元件組成，每個元件串有熔絲，熔絲采用隱藏式雙并結構。單元外殼由優(yōu)質不銹鋼板304 彎折焊接而成，外殼長為383 mm，寬為197 mm，高為1150 mm，外殼兩個小側面焊有吊攀，供搬運及安裝使用。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。

針對以上系統(tǒng)特點及運行要求，設計單元的技術參數見表1。

表1 直流濾波電容器單元基本參數

2 理論分析研究與試驗驗證

2.1 直流濾波電容器介質結構問題和場強的選取問題研究

直流濾波電容器由于直流電壓的分布與交流電壓不同，所以應該重新審視直流濾波電容器的介質結構問題。直流濾波電容器是由膜和油組成的復合介質結構，其等效電路如圖1 所示。

圖1 直流濾波電容器在電介質物理上的等效電路

在交流電壓下，根據圖1，不難導出：

在直流電壓下，根據圖1，不難導出：

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。

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介電常數的倒數分配，由于膜和油的相對介電常數差不多（εy/εm=1.18），而壓緊系數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a有關。由于膜的體積電阻率是油的100 倍，而壓緊系數a一般為0.8 左右，a/（1 -a）= 4，與100 相比可以忽略不計，因此在直流電壓下油層幾乎不承受任何電壓。

實際上不同的介質結構的直流擊穿電壓是不相同的。為了驗證不同介質結構的直流耐電強度，我們對多種介質結構做了交直流擊穿電壓等效的研究試驗，結果見表2。表2 中等效倍數是指直流擊穿電壓/交流擊穿電壓。

表2 交直流擊穿電壓等效關系

早期的研究認為電容器直流試驗電壓是交流試驗電壓的2 倍，但從表2 試驗結果可以看出，液體介質（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，元件的試驗結果也是1.78倍，所以，我們認為直流濾波電容器的設計場強，還是取并聯(lián)電容器設計場強的1.78 倍為好。

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

據上述研究，直流濾波電容器的設計場強除了按取并聯(lián)電容器設計場強的1.78 倍左右原則選取外，還需結合系統(tǒng)諧波容量進行溫升和損耗的計算，選取合適的設計場強。如果系統(tǒng)的諧波含量大，電容器選取的設計場強直接會影響到運行時的損耗、溫升，還包括在按標準進行的1.44 倍最大運行損耗下交流熱穩(wěn)定試驗能否通過的問題。

研究結果，直流濾波電容器元件的結構為全膜、鋁箔折邊凸出結構，極間介質采用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。元件結構如圖2 所示。鋁箔采用折邊突出結構，從根本上改善電場分布，改善局放性能，尤其是低溫局放性能，結合上述理論分析及電容器的實際運行工況，選取了直流濾波電容器的場強110.0 MV/m。

圖2 元件結構

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，而是按電阻進行電壓分配。直流濾波電容器組中的均壓問題，實際上包含兩個方面：一是外均壓問題，二是內均壓問題。

（1）外均壓問題研究

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體上的差異，所以電容器兩端之間應裝設均壓電阻，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。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IJ的大小應綜合考慮電阻的發(fā)熱等問題。

電容器內均壓電阻的發(fā)熱P可按下式計算：

式（3）中UN為電容器的額定電壓。由（3）式可知，假設IJ= 6.2 mA，UN= 15 kV，則P= 93 W，這個損耗對單臺電容器而言是相當大的，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，最高達到1732 kV，所以，研究結果，UN也不能太低，直流濾波電容器單元額定電壓取14.44 kV。

（2）內均壓問題研究

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部串聯(lián)段之間，集中放在兩個端子之間，這種方式稱為集中式均壓電阻。由于電容器內部各串聯(lián)段的直流電阻分散性很大，會造成內部電壓分布不均勻，如果極間沒有均壓電阻，則極間的絕緣電阻與對殼電阻是可比的，則第一個串聯(lián)段上的電壓會遠遠高于最后一個串聯(lián)段上的電壓。

有文獻研究，電容器內部首串與末串的電壓差可能高達3.3 倍，要解決這個問題，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每個串聯(lián)段上。

試驗表明，采用分布式均壓電阻可以有效解決內均壓問題，同時嚴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，這樣電容器內部的電壓更均勻，為此，均壓電阻值得選取很關鍵。

直流濾波電容器均壓電阻的選?。?/p>

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串聯(lián)段之間的均壓問題，可以滿足規(guī)定的放電要求，還可以釋放電容器內因熔絲動作產生的殘余電荷，同時還有助于抑制熔絲動作產生的電弧，改善電容器的運行條件。

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部的發(fā)熱量就會越大，溫升越高，會直接影響電容器的使用壽命，對電容器的運行不利。另外，每個串段的均壓電流至少應為串段泄漏電流的10 倍以上，方能達到較好的均壓效果。

研究結果，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避免電容器內局部過熱，裝于最容易散熱的心子大面處。

2.3 抗老化添加劑的研究

單元心子經過高真空脫水脫氣，注入浸漬劑再經過加壓浸漬，將聚丙烯薄膜充分浸透，彌補固體介質聚丙烯薄膜上的電弱點，提高產品的局部放電性能和耐電強度。由于浸漬劑的老化會導致對殼絕緣電阻下降，電容器極對殼絕緣電阻下降會導致內部各串聯(lián)段之間電壓分布不均，所以應在浸漬劑中加入適當的添加劑減緩油的老化。本研究直流濾波電容器的浸漬劑采用GRY611 抗老化添加劑，經老化試驗驗證，可以抑制高溫下直流濾波電容器的絕緣老化，延長電容器的壽命。

由于絕緣在直流電壓下的老化與在交流電壓下不同，直流濾波電容器設計場強也不一樣，因此添加的添加劑也有所不同，同交流電容器一樣應用了GRT10 系列添加劑，但不同的是添加的含量不一樣。經老化試驗驗證，可以抑制高溫下直流濾波電容器的絕緣老化，延長電容器的壽命。

經過足夠的試驗驗證后，我們將這種添加劑推廣應用到產品上，經過幾年的運行考驗，說明這種添加劑的作用是明顯的，特別是在運行溫度較高時。這是國內首創(chuàng)的我們的專有技術，對電容器制造技術有重大提升。

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%，對于電容偏差的控制難度較大。單臺電容偏差乃至整組電容器電容偏差對電容器的運行效果、電容器保護整定都會有直接的影響，因此，在電容的控制上采用了多種有效措施。

（1）根據實際材料的參數進行電容計算

電容器的電容可按公式C=ε0εS/d計算，電容的影響因素包括3 個方面：介電常數ε、極板面積S、極間介質厚度d。

根據統(tǒng)計的方法，將實際材料的厚度值及相關的相對介電常數進行計算，并在生產時，嚴格跟蹤控制心子的干電容，及時調整鋁箔的設計長度，嚴格控制電容偏差整組平均都在+0.1%范圍內。

（2）生產過程的有效控制措施

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

元件卷制完成后自動打耐壓，元件從卷制、壓裝、引線、裝配都在自動生產流水線上進行，減少了人為影響電容器的質量分散性的因素。

研究結果，按照原材料的進廠檢驗結果，及時調整元件的卷制參數，保證單元電容偏差要求，再依據電容計算偏差，進行元件參數的調整，最終電容器整組電容偏差平均都控制在±0.5%范圍內。另外，由于直流濾波電容器電阻阻值偏差要求較高，一個串段的阻值偏差范圍為±1%，而串段間則要求達到1.02，因此，在生產過程中還要對電阻進行配平調整。

2.5 型式試驗驗證及現場運行

電容器的試驗分為出廠試驗、型式試驗和特殊試驗，通過桂林電力電容器有限責任公司《DAM14.44-36 出廠試驗》、第三方的國家電力電容器質量監(jiān)督檢驗中心《DAM14.44-36 直流濾波電容器檢驗報告（型式試驗，報告編號：No.160183R）》的試驗驗證，試驗結果全部合格[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至今，產品運行良好，得到了現場運行的檢驗。

表3 DAM14.44-36 直流濾波電容器第三方試驗驗證結果（部分）

3 結語

±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、技術水平最先進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，是目前設計最高的額定電壓。

通過對直流濾波電容器單元的單串電壓、介質結構、場強、分布式均壓電阻、抗老化添加劑、損耗設計、電阻阻值范圍和電容偏差控制等研究，并通過第三方試驗驗證，目前該產品已成功在±1100 kV 昌吉-古泉特高壓直流輸電工程昌吉換流站中安全運行。

（1）通過研究單元的介質結構，合理選定110.0 MV/m 場強和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GRY611 抗老化添加劑，保證損耗不超過0.025%，延長了電容器壽命。

（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，串段的阻值偏差范圍為±1%，保證了產品運行的穩(wěn)定性。

（4）通過國家級的試驗驗證，直流濾波電容器產品滿足工程要求，保障±1100 kV 昌吉-古泉特高壓直流輸電工程運行安全。

±1100 kV 特高壓直流濾波電容器的成功研制，為國家的電網安全運行，奠定了國產化裝備的基礎。