左強(qiáng)林，雷喬舒

（無錫賽晶電力電容器有限公司，江蘇 無錫 214177）

0 前言

隨著中國柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，用于柔直工程的關(guān)鍵部件之一的直流支撐電容器的問題突顯出來。目前直流支撐電容器全部依賴進(jìn)口，這在一定程度上制約了中國柔直技術(shù)的發(fā)展。

從2017 年開始，中國對(duì)柔性直流輸電用直流支撐電容器的研發(fā)提到了計(jì)劃議程。不僅國內(nèi)各大電容器廠開始布局直流支撐電容器，投入大量的人力物力用于研發(fā)該產(chǎn)品，國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)公司以及各大院校、科研機(jī)構(gòu)也相繼專題研究直流支撐電容器，直流支撐電容器及其主要原材料聚丙烯粒料也相繼列入重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，甚至列入國家重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。這些舉措有力推動(dòng)了直流支撐電容器的技術(shù)進(jìn)步。國際上，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，IEC 61071[2]標(biāo)準(zhǔn)也大幅度更新，更適合于直流支撐電容器的研發(fā)。GB/T 17702[3]的修訂，參與的廠家及人員、收集到的修訂意見及建議數(shù)量，均創(chuàng)歷史新高。

電容器的額定電壓和設(shè)計(jì)場強(qiáng)是電容器最重要的參數(shù)。GB/T 24123[4]對(duì)于目前直流支撐電容器最常用的5.8 μm 厚度的聚丙烯薄膜，要求直流擊穿電壓中值≥350 V/μm；而GB/T 13542.3[5]（修改采用IEC 60674-3-1[6]）的要求就更低，只有≥190 V/μm，都達(dá)不到目前直流支撐電容器的設(shè)計(jì)場強(qiáng)。按照文獻(xiàn)[1]的要求，直流支撐電容器用聚丙烯金屬化膜的設(shè)計(jì)場強(qiáng)應(yīng)該不低于（220~250）V/μm。金屬化膜的擊穿場強(qiáng)，是決定直流支撐電容器設(shè)計(jì)場強(qiáng)的根本。涉及直流支撐電容器技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]很多，包括自愈理論[10-13]、老化規(guī)律及失效模式[14-15]、溫升問題及損耗計(jì)算[16-21]等。本文研究的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在直流支撐電容器的等效串聯(lián)電感ESL的測試方法和改進(jìn)思路、局部放電的測試以及電流引出端子設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1 納亨級(jí)電感的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

1.1 納亨級(jí)電感的測試方法研究

為了保證IGBT 的性能需要，用戶對(duì)直流支撐電容器的ESL 提出了很高的要求，要求ESL 不大于50nH甚至30 nH，也就是納亨級(jí)，而一般電容器的ESL 都是μH 級(jí)。降低電感的首要問題就是要有準(zhǔn)確的測試方法。標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8168[22]給出了7 種測試方法，這些方法對(duì)于小電容和μH 級(jí)電感的脈沖電容器而言，測試的準(zhǔn)確度是足夠的。但對(duì)于nH 級(jí)電感，不僅準(zhǔn)確度不夠，甚至正確性都保證不了。

本文介紹一種新的測試方法—兩次放電法，用于測量柔直用直流支撐電容器的nH 級(jí)ESL。回路的核心部分見圖1。

圖1 nH級(jí)電感測試回路的核心部分示意Fig.1 Schematic diagram of key part nH-level inductance test circuit

此方法的要點(diǎn)為：1）先將被測電容器與一臺(tái)電容器串聯(lián)進(jìn)行短路放電，通過放電電流波形計(jì)算出包含試品電感的回路電感；2）將原來連接到A 點(diǎn)的線連接到A′點(diǎn)，回路的所有其他部件，包括回路的導(dǎo)線長度都保持不變。通過放電電流波形計(jì)算出僅僅把被測電容器去除的回路電感；3）將兩次放電的波形對(duì)比，計(jì)算得到兩次放電的電感差值，就是被試電容器的ESL。

此方法對(duì)回路的要求不高，簡單易行。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，此方法的重復(fù)性很好。放電電流波形見圖2-3。參照文獻(xiàn)[22]和圖2-3 的放電電流波形，可以得到電感計(jì)算方法：

圖2 2臺(tái)電容器串聯(lián)放電電流波形Fig.2 Discharge current waveform of two sets of capacitors in series connection

圖3 1臺(tái)電容器放電電流波形Fig.3 Discharge current waveform of one set of capacitor

式中：L1+x為串聯(lián)放電電路的固有電感，μH；L1為被測電容器被短路時(shí)放電電路的固有電感（考慮短路導(dǎo)體的電感），μH；C1+x為串聯(lián)回路的實(shí)測電容，μF；C1為被測電容器被短路時(shí)回路的實(shí)測電容，μF；f1+x為串聯(lián)回路的放電頻率，Hz；f1為被測電容器被短路時(shí)的放電頻率為串聯(lián)回路的放電對(duì)數(shù)衰減系數(shù)；為被測電容器被短路時(shí)的放電對(duì)數(shù)衰減系數(shù)；其中Itx、It分別為同側(cè)第1 個(gè)放電電流峰值；Itx+T、It+T分別為同側(cè)第2 個(gè)放電峰值。

1.2 納亨級(jí)電感估算

直流支撐電容器的元件繞制屬于無感繞制，元件本身的雜散電感可以忽略。直流支撐電容器的雜散電感主要來源于電容器中的導(dǎo)體、導(dǎo)線。其中影響最大的是電容器內(nèi)部的匯流聯(lián)接片。直流支撐電容器的接線端子布置見圖4，對(duì)應(yīng)的心子引出線布置見圖5。

圖4 直流支撐電容器接線端子布置示意Fig.4 Layout of wiring terminal of DC-link capacitor

圖5 直流支撐電容器的心子引出線布置示意Fig.5 Layout of core lead line of DC-link capacitor

從圖4 可以看出，電容器出線端子有多對(duì)，出線端子的數(shù)量與電容器外形尺寸和電流大小有關(guān)，電容器出線端子的布置方式主要有兩種：并排布置和錯(cuò)位布置。高度方向尺寸與匯流排的長度有關(guān)；從圖5 可以看出，心子的引出線布置，與電容器的接線端子對(duì)應(yīng)，也有兩種布置方式。這些參數(shù)對(duì)電容器的等效串聯(lián)電感的影響起決定性作用。電容器的等效串聯(lián)電感主要由匯流排本身的電感L0，匯流排的并聯(lián)對(duì)數(shù)N以及匯流排間的互感決定。

1.2.1 匯流排的自感

電容器內(nèi)部匯流排一般是矩形導(dǎo)體，其自感可以按下式計(jì)算[24]。

式中：L0為匯流排的電感，nH；l為匯流排的等效長度，cm；d為匯流排的厚度，cm；b為匯流排的寬度，cm。

從式（4）可以看出，匯流排的自感主要受等效長度影響。對(duì)于匯流排，寬度遠(yuǎn)大于厚度，即b?d，式（4）可以簡化為

式中，α=l/b為匯流排的長寬比。其余同上。對(duì)于多點(diǎn)均勻匯流，看成是等密度匯流，見圖6。

圖6 等密度匯流示意Fig.6 Schematic diagram of equal density confluence

從圖6 可以得到，假設(shè)匯流排的實(shí)際長度為ls，最大電流為I，則匯流電流的線密度為I/ls。利用三角形相似原理不難得到，即：

從式（6）可以看出，匯流排的等效電流為最終電流的1/2，也就是說匯流排的等效長度為其實(shí)際長度的1/2。簡單地說，等密度匯流的過程是一個(gè)三角形，其面積只有等電流矩形的一半。

1.2.2 匯流排的互感

根據(jù)文獻(xiàn)[24]，矩形導(dǎo)體的電感包括自感和互感兩部分，互感又有2 種，1）電流同向的，如圖7（a）所示；2）電流反向的，如圖7（b）所示。圖中同向互感和異向互感只是一種布置方式，實(shí)際上（a）和（b）是可以反過來的。

圖7 矩形導(dǎo)體的互感示意Fig.7 Mutual inductance schematic diagram ofrectangular conductor

根據(jù)文獻(xiàn)[24]，可以得到圖7 所示的匯流排電感的計(jì)算公式為

式（7）-（8）中，k1=b/a1，k2=b/a2，其余同前。假設(shè)電容器心子的匯流排布置如圖5 所示，既有同向互感，又有異向互感，還不止一對(duì)，等效串聯(lián)電感的計(jì)算有點(diǎn)復(fù)雜。首先導(dǎo)線電感可以認(rèn)為包括自感與互感兩部分，如果異向互感正相關(guān)，則同向互感為負(fù)相關(guān)。則有

這樣電容器靠兩側(cè)的各一對(duì)引出線的只有一個(gè)互感，等效串聯(lián)電感如式（11）所示，中間兩對(duì)引出線各有兩個(gè)互感，其電感如式（12）所示。

圖5 中電容器心子共有4 對(duì)引出線，4 對(duì)引出線是并聯(lián)關(guān)系。這樣的等效串聯(lián)電感為

如果把心子的引出線正負(fù)極的位置錯(cuò)開，可以忽略異向互感，相當(dāng)于L2=L0。這樣式（13）可以改寫為

實(shí)際上等效串聯(lián)電感的計(jì)算并不是很準(zhǔn)確，電容器內(nèi)部的帶電體很多，對(duì)等效串聯(lián)電感都有影響。本文提供了一種降低等效串聯(lián)電感的估算方法和設(shè)計(jì)思路。上述方法經(jīng)過驗(yàn)證，設(shè)計(jì)與試驗(yàn)實(shí)測值基本上是吻合的。

2 局部放電問題研究

2.1 端子對(duì)殼交流局部放電問題

2.1.1 端子對(duì)殼局部放電要求

直流支撐電容器的對(duì)殼交流局放問題的引出，主要是甲方和用戶的技術(shù)規(guī)范要求，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17702[3]和IEC 61071[2]沒有對(duì)局放提出要求，包括并聯(lián)電容器的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11024[26]和IEC 60871[26]，以及自愈式高電壓電容器的標(biāo)準(zhǔn)IEC 63210[27]也都沒有對(duì)電容器提出局部放電性能的要求。目前技術(shù)規(guī)范一般要求都是在額定電壓附近，電容器的對(duì)殼交流局放不超過10 pC 左右。這個(gè)層級(jí)的局放要求，必須采用電測法而且有半屏蔽以上的局部放電試驗(yàn)室，包括必要的局放測試設(shè)備才有意義。直流支撐電容器的主要運(yùn)行環(huán)境是直流，雖然有少量交流成分的存在，不會(huì)主導(dǎo)直流支撐電容器的運(yùn)行工況。因此，直流支撐電容器對(duì)殼交流局放的要求，只是針對(duì)絕緣材料澆注質(zhì)量而言的，與運(yùn)行工況無關(guān)。

2.1.2 對(duì)殼交流局放的測試及澆注工藝改進(jìn)

根據(jù)對(duì)殼交流局放的要求，首先要選好填充膠的材料，其次要有合適的工藝方案。注膠工藝驗(yàn)證情況見表1。

表1 注膠工藝驗(yàn)證情況Table 1 Glue injection process verification

從表1 可以看出，對(duì)殼交流局放的主要作用有：1）可以檢出電容器內(nèi)部是否有懸浮電位；2）可以檢出電容器內(nèi)部的填充膠是否完全固化；3）可以檢出外殼是否有嚴(yán)重的空谷。要想徹底解決直流支撐電容器的對(duì)殼交流局放問題，需要在實(shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，積累經(jīng)驗(yàn)。產(chǎn)品的性能指標(biāo)從來都不是孤立的，某個(gè)性能指標(biāo)的提升，可能會(huì)犧牲另一個(gè)性能指標(biāo)。

2.2 極間直流局放問題

極間直流局放問題現(xiàn)在還處于摸索階段[28-36]，特別是對(duì)于直流支撐電容器，鮮有研究。由于直流支撐電容器的電容太大，交流局放完全識(shí)別不了，只能是直流局放。由于直流支撐電容器的極間電壓也主要是直流電壓，因此研究極間直流局放很有意義。由于直流電壓分配與交流電壓不同，電容器中氣泡的放電規(guī)律和起始電壓也不一樣。文獻(xiàn)[37]表明，在交流或脈沖電壓下，對(duì)于串聯(lián)介質(zhì)，電通量是一個(gè)常數(shù)，場強(qiáng)按介電常數(shù)反比分配；在直流電壓下，電導(dǎo)電流連續(xù)，j=γE不變；在串聯(lián)介質(zhì)中，場強(qiáng)按電導(dǎo)率的反比分配。于是有

從式（15）可以看出，在交流或脈沖電壓下，膜層間的氣泡中的電場強(qiáng)度是膜上場強(qiáng)的2.2 倍，而空氣的擊穿場強(qiáng)僅有聚丙烯薄膜的1% 不到，很低的電壓下就有可能放電，這也是做直流局放時(shí)，在充電過程中有局放，在電壓達(dá)到穩(wěn)定后局放消失的原因。氣隙的存在，對(duì)于干式金屬化膜電容器是致命的。對(duì)于直流支撐電容器，在紋波電壓下，元件膜層間的氣隙，存在放電的可能。

從式（16）可以看出，在直流電壓下，膜層間氣泡中的電場強(qiáng)度與膜上場強(qiáng)的關(guān)系與空氣的電阻率有關(guān)，由于空氣的電阻率與空氣濕度相關(guān)性很大，氣隙中的電場強(qiáng)度很難確定。對(duì)于正常空氣，其電阻率為3×1013，而聚丙烯薄膜的電阻率在1×1015以上，此時(shí)氣隙中的場強(qiáng)約為聚丙烯薄膜的3%，考慮到微小氣隙的放電服從巴申定律，此時(shí)氣隙中不一定會(huì)產(chǎn)生放電。這也是干式電容器更適合用于直流電壓下的原因。

文獻(xiàn)表明[29]，在直流電壓下，很難出現(xiàn)穩(wěn)定的局放起始和熄滅的現(xiàn)象。由于直流電壓沒有電壓極性變化，一旦氣隙擊穿，就是短路，由于空間電荷產(chǎn)生的反向電場存在[29]，氣隙放電截止。所以在直流電壓下，局放一般以脈沖的形式出現(xiàn)。氣隙的空間電荷積累能力與電介質(zhì)的特性τ=ερ有關(guān)。由于聚丙烯薄膜和填充膠的特性不一樣，放電脈沖的寬度和高度也不一樣，通過單位時(shí)間發(fā)生幅值不小于某個(gè)值的脈沖數(shù)，可以用來判斷元件質(zhì)量的好壞。當(dāng)然，目前的數(shù)據(jù)積累不夠，還拿不出具體的放電次數(shù)判定指標(biāo)，也需要數(shù)據(jù)來識(shí)別哪些是自愈放電、哪些是元件外部的局放、哪些是填充膠體內(nèi)部的放電。但是用極間直流局放脈沖次數(shù)來評(píng)估元件質(zhì)量的方法，值得深入研究。

3 接線端子的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 接線端子的設(shè)計(jì)

由于直流支撐電容器的最大電流Imax較大，靠一對(duì)端子把電流引出是不可能的，接線端子一般都有3-4 對(duì)。直流支撐電容器的典型接線端子結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 直流支撐電容器接線端子的典型結(jié)構(gòu)Fig.8 Typical structure of wiring terminal of DC-link capacitor

圖9 接線端子經(jīng)過300 kA浪涌試驗(yàn)后的狀態(tài)Fig.9 State of wiring terminal after 300 kA inrush current test

從圖8 可以看出，外部母排的電流有兩個(gè)途徑傳遞到電容器導(dǎo)桿。路徑1：外部母排-圓螺母壓接-圓螺母螺紋-電容器導(dǎo)桿；路徑2：外部母排-外部螺栓壓接-外部螺栓螺紋-電容器導(dǎo)桿。由于外部螺栓尺寸較小，而且還不能直接與外部母排接觸，需要通過平墊與母排接觸，電阻較大，分流小。如果外部螺栓不是銅材質(zhì)或者需要彈墊防松，路徑2 的分流作用可以忽略。

3.2 接線端子的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)研發(fā)需要，設(shè)計(jì)了3 種有代表性的結(jié)構(gòu)，分別命名為1 系、2 系和3 系，并進(jìn)行接觸電阻測試，結(jié)果見表2。

表2 樣品結(jié)構(gòu)概況及接觸電阻測試Table 2 Structure overview of sample and contact resistance test

3.2.1 工頻溫升試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上述樣品在環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)施加1.1 倍額定最大電流（Imax），試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 樣品的工頻溫升試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of power frequency temperature rise test of sample

從表3 可以看出，樣品的溫升平均值：1 系>2系>3 系，但不同結(jié)構(gòu)的樣品溫升都不超過10 K，分辨不出優(yōu)劣。

3.2.2 浪涌電流試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上述樣品安裝在產(chǎn)品上，在不同的電壓下進(jìn)行浪涌電流試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 浪涌電流試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of inrush current test

從表4 可以看出，在100 kA 左右的浪涌電流下，所有接線端子都沒問題，但是在300 kA 左右的浪涌電流下，只有加厚細(xì)螺紋的結(jié)構(gòu)才能通過試驗(yàn)。因此如何判斷接線端子是否符合要求，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)購買方的要求考慮。

4 結(jié)語

1）兩次放電法可以解決直流支撐電容器納亨級(jí)ESL的測量問題。根據(jù)放電電流波形，可以準(zhǔn)確計(jì)算出試驗(yàn)回路的電感，從而得到直流支撐電容器的等效串聯(lián)電感。

2）根據(jù)直流支撐電容器電流引出線的尺寸和布置，可以估算出引出線的自感和互感，從而得到電容器的等效串聯(lián)電感。

3）研發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，直流支撐電容器的對(duì)殼交流局放試驗(yàn)，可以檢測出電容器內(nèi)部是否有懸浮電位存在、填充膠的固化是否良好以及電容器內(nèi)部是否有空谷等，但是局放的指標(biāo)要合理化，綜合考慮其它性能指標(biāo)。通過極間直流局部放電的脈沖數(shù)，對(duì)于判定直流支撐電容器的自愈和性能很有意義，建議加強(qiáng)研究。

4）試驗(yàn)驗(yàn)證情況表明，接線端子在接觸電阻、Imax甚至在100 kA 左右的浪涌電流下，典型的接線端子都沒問題，但是在300 kA 左右的浪涌電流下，只有加厚細(xì)螺紋的結(jié)構(gòu)才能通過試驗(yàn)。因此如何判斷接線端子是否符合要求，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)購買方的要求考慮。