鄧光昭，黃葵，王文寶

（嘉善賽晶電容器有限公司，浙江 嘉善 314100）

0 引言

近幾年，隨著我國柔性直流輸電系統(tǒng)、軌道交通等能源系統(tǒng)的發(fā)展，直流支撐電容器（以下簡稱“電容器”）在我國的應用愈來愈廣泛[1-8]，該類電容器的使用工況中，往往伴隨著大量的諧波電流，即電容器處在交直流疊加的運行工況下[9~12]。

電容器使用的金屬化膜在交流和直流下具有完全不同的絕緣強度，為探究電容器實際運行時，介質(zhì)薄膜的絕緣強度，就必須對電容器開展交直流疊加試驗驗證[13~17]。目前該類干式直流電容采用的標準為IEC 61071、和GB/T 17702，標準中對于耐久、破壞[18~19]等關鍵試驗的考核要求均為純直流下進行或者交、直流分步進行。但相對而言，交直流疊加同時進行試驗更符合實際工況要求[20]，更能考驗電容器的實際運行耐受水平。

以柔直用干式直流支撐電容器為例，目前其常規(guī)電壓等級為2.8 kV，電容量達到9 mF 甚至更高。若采用電力電子技術，以IGBT 整流、逆變并配合高絕緣等級的變壓器的形成交直流電源，整套電源設備的售價超過300 萬元，成本太高，對于電容器制造廠家而言經(jīng)濟壓力過大，很難實現(xiàn)。本文利用常用的試驗設備，對交直流疊加試驗回路的搭建及設備參數(shù)選取提供一些思路，在增加少量設備成本的前提下，滿足上述直流支撐電容交直流疊加試驗的輸出要求，實現(xiàn)成本可控、試驗穩(wěn)定可靠的目的。

1 獨立的交流、直流試驗回路搭建原則

1.1 交流試驗回路

干式直流電容器的電容量較大（一般為mF級），試驗中往往使用工頻試驗電源，電壓低而電流大，因此交流回路中需配備電抗器用以保證整體電路的功率因數(shù)，降低變壓器側(cè)的有功電流，避免變壓器容量過大。試驗回路見圖1。

圖1 交流試驗回路Fig.1 AC test circuit

干式直流電容器的交流試驗回路主要由主電源、調(diào)壓器、變壓器、保護電阻、電抗器、試品電容器及測量設備組成。

1.2 直流試驗回路

直流試驗回路搭建過程中，需考慮保護電阻阻值的選取，依據(jù)RC 電路的電容充電計算公式（式1），過大的電阻會降電容器的升壓速度，但保護電阻過小將無法有效限值短路電流。試驗回路見圖2。

圖2 直流試驗回路Fig.2 DC test circuit

式中：Ut為電容電壓，V；U0為電源電壓，V；RZ為保護電阻，Ω；C 為試品電容，F(xiàn)。

直流試驗回路主要由主電源、調(diào)壓器、變壓器、保護電阻、硅堆、試品電容器及測量設備組成。

2 交直流疊加試驗回路

2.1 回路搭建

交直流試驗回路是在交流試驗回路和直流試驗回路的基礎上，進行組合和優(yōu)化。

由于在干式直流電容器進行試驗時，交流分量僅占總電壓的10%左右，直流端設備電壓接近交流段的10 倍[21-22]，以直流端視角來看，交流回路中的電抗器、交流變壓器副邊電阻極小，電容與2 個等效的低值電阻并聯(lián)，極易造成直流設備短路乃至燒毀，需在交流端輸出尾端增加隔直電容用以阻隔直流電壓直接施加于交流設備上。

以交流端視角來看，試品電容器經(jīng)硅堆與直流變壓器副邊并聯(lián)，此時直流變壓器副邊兩端有兩部分電壓，一部分為源于直流變壓器原邊的感應電壓，一部分為交流端輸出電壓的負半波；為阻礙交流端負半波進入直流回路，需在直流端輸出尾端增加隔交電感。交直流疊加試驗回路見圖3。

圖3 交直流試驗回路Fig.3 AC/DC test circuit

2.2 隔直電容的選取

隔直電容器的加入可以阻隔直流電壓進入交流回路，但同時也會降低試品電容器兩端的交流電壓，交流回路中的電壓往往由各部分的阻抗所決定。容抗可以根據(jù)式（2）進行計算，由此可以推算，隔直電容器兩邊的電壓見式（3）

式中：Ct為試品電容，F(xiàn)；CG為隔直電容，F(xiàn)；ω為角頻率（2πf）。

由式（3）可知，隔直電容越大，試品兩端的電壓越大，即隔直電容器分壓越少。除此之外，應注意電抗器的匹配，在增加隔直電容器后，總電容為試品電容與隔直電容的串聯(lián)，公式為

應根據(jù)總電容選擇電抗器的電感值，避免出現(xiàn)失諧的情況。

2.3 隔交電感的選取

隔交電感的主要作用是增加直流端的阻抗，從而降低交流負半波在直流回路中產(chǎn)生的電流，因此電感的選擇取決于直流變壓器副邊的電感以及直流側(cè)的可耐受電流。直流端中由交流回路產(chǎn)生的電流為

式中：LG為隔交電感，H；Lz1為直流變壓器副邊電感，H；Rz為直流保護電阻，Ω。

由式5 可知，在變壓器副邊電感足夠大時，可以不使用隔交電感器。

3 放電回路

電容的直流試驗均需考慮試驗完成后的放電回路，干式直流電容器的電容往往為mF 級，儲存的能量達幾十甚至幾百千焦，不匹配的放電電路將影響試驗人員及設備的安全。

相比于直流耐壓試驗，交直流疊加試驗中增加了隔直電容器，隔直電容器在試驗過程中具有與試品電容器相同的電壓，且為了確保試品電容器的交流電壓值，隔直電容器往往使用相比試品電容器更大的電容，儲存的能量也就更多。

為防止電容放電過程的涌流流入電源側(cè)，在圖3的基礎上，增加S1、S4兩個回路開關，在執(zhí)行放電操作前，分斷電源側(cè)。由于隔直電容與試品電容的電壓相等，高壓端與低壓端均為等電位，因此增加開關S2，將隔直電容器與試品電容器調(diào)節(jié)為并聯(lián)狀態(tài)，使用開關S3經(jīng)電阻對電容器執(zhí)行放電，回路見圖4。

圖4 放電回路Fig.4 Discharge circuit

放電電阻應選用高功率電阻，避免電容放電過程中的瞬時電流造成電阻損壞。

4 試驗驗證

為有效驗證上述回路搭建方法與參數(shù)選取的有效性，在此以規(guī)格為2.8 kV/8 mF 的直流支撐電容作為試品，搭建交直流疊加試驗回路。

4.1 隔直電容設計

根據(jù)2.2 章節(jié)所述，隔直電容的容值應盡可能大，并且還需要考慮電抗器的匹配能力。在本次試驗回路搭建中，選取4 臺型號規(guī)格為2.8 kV/9 mF的直流支撐電容作為隔直電容使用，4 臺電容的電氣聯(lián)接為2 串2 并，由此可得隔直電容的總電容值仍為9 mF。從圖3 可知，在直流回路中，隔直電容與試品電容為并聯(lián)關系，所以每臺2.8 kV/9 mF 的電容在進行交直流疊加試驗時，其極間承擔的直流電壓僅為試品電容的一半。而在交流回路中，隔直電容與試品為串聯(lián)關系，但隔直電容本身為2 并聯(lián)接，所以每臺隔直電容通過的電流也僅為試品電容的一半。如此就可以確保在試驗過程中，每臺隔直電容的運行條件僅為試品電容的一半，可保證其安全、穩(wěn)定可靠運行。

4.2 隔交電感

利用廠內(nèi)現(xiàn)有庫存，選擇一只額定電壓為11/ 3 kV，單相配套容量為4 Mvar 的干式放電線圈作為隔交電感。根據(jù)式（5）可知，當試品要求的交流電壓U0為280 V 時，通過直流回路中的交流電流值大約為35 μA 左右，遠小于直流側(cè)的可耐受電流1.1 A。

4.3 小結

本次試驗回路利用2 串2 并共計4 臺2.8 kV/9 mF產(chǎn)品作為隔直電容，以額定電壓為11/ 3 kV，單相配套容量為4 Mvar 的干式放電線圈作為隔交電感，搭建交直流試驗平臺回路?；芈反钆? 只2 kΩ的放電電阻對隔直電容、試品電容同時放電。

該回路針對2.8 kV/8 mF 等產(chǎn)品進行交直流疊加試驗時長初略估計超過3 000 h，試驗回路運行正常、安全可靠，隔直電容為出現(xiàn)電容損失，隔交電感亦無異常。并且該回路使用的隔直電容、隔交電感去來自于廠內(nèi)庫存，有效降低了柔直用直流支撐電容研發(fā)試驗的設備成本[23]。

由此可見，該試驗回路的搭建是安全、可靠且低成本的，并且是可以有效持續(xù)、長期運行的。

5 結語

通過對直流支撐電容器交直流試驗回路的研究，得出以下結論：

1）工頻交流側(cè)必須配備電抗器；

2）交流側(cè)需配備隔直電容；

3）直流側(cè)需配備隔交電感；

4）放電回路中需配備對應的回路開關，在放電之前將交、直流電源隔離。