柔性直流输电工程用直流支撑电容器的开发探讨

第３８卷第３期：００９５—００９８　２０１７年６月　电力电容器与无功补偿　

Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．３：００９５—００９８　

Ｊｕｎ．２０１７　

ＤＯｈｌＯ．１４０４４０．１６７４－１７５７．ｐｃｒｐｃ．２０１７．０３．０１７　

柔性直流输电工程用直流支撑电容器的开发探讨　

李维维，高琪，芦锋　（西安西电电力电容器有限责任公司，陕西西安７１００８２）　

摘　要：文章介绍了一种用于柔性直流输电工程中的自愈式直流支撑电容器。主要从产品的设计　与制造方面进行详细论述．包含金属化聚丙烯薄膜材料的选取、元件和心子的设计以及产品结构设　计等。重点论述了该类电容器在研制及生产制造过程中存在的关键问题以及解决过程，并分析了样　机型式试验结果，样机各项试验参数均满足有关国标要求。本文可为自愈式直流支撑电容器产品设　计及制造提供参考。　关键词：柔性直流输电；直流支撑电容器；电力电子电容器；自愈式；金属化膜　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＤＣ－ｌｉｎｋ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＬＩ　Ｗｅｉｗｅｉ，ＧＡＯ　Ｑｉ，ＬＵ　Ｆｅｎｇ　（Ｘｉ’ａｎ　ＸＤ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ　７１００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ　ＤＣ—ｌｉｎｋ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｆｒｏｍ　ｓｕｃｈ　ａｓｐｅｃｔｓ　ａｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆ－　ａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｌｍ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍ—　ｅｎｔ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｅａｃｈ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｍｅｅｔｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｑｕ－ｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ　ＤＣ－ｌｉｎｋ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ＤＣ－ｌｉｎｋ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ；ｍｅｔ－　ａｌ】ｉｚｅｄ　ｆｉｌｍ　

０引言　近几年来。国家大力发展柔性直流输电技术．该　技术具有谐波大为减弱、无功补偿容量减少、不会出　现换相失败故障等优点…。柔性直流输电是指基于　电压源换流器的高压直流输电技术（ＶＳＣ—ＨＶＤＣ），　其主要特点是采用由全控电力电子器件构成的电　压源换流器（ＶＳＣ），取代了以往直流输电中基于半　控型器件的电流源换流器（ＣＳＣ）　。　直流支撑电容器，又称ＤＣ—Ｌｉｎｋ电容器，具有　耐电压高、耐电流大、低电感、损耗小、温度性能好、　安全防爆稳定性好等优点．被广泛应用于电力电子　行业。文中提到的自愈式直流支撑电容器主要应用　于柔性直流输电中直流侧整流桥臂模块中．作为储　能元件，起到电压支撑、谐波滤波等作用。目前国内　收稿日期：２０１６—１０．１３　该类产品的中高端市场主要依靠进口，需求量在逐　年增加，其国产化进程不断加快。近２年，我公司已　成功研制出该直流支撑电容器样机（ＺＤＭＪ４．４—３６０）　并完成型式试验，各项指标优异。本文主要介绍该　电容器的相关设计以及制造过程中遇到问题及解　决办法，并通过国家检测机构进行了型式试验验证．　获取了认证报告。　

１直流支撑电容器基本参数和主要性能指标　１．１基本参数　电容器型号为ＺＤＭＪ４．４—３６０；额定电压　为　４．４　ｋＶ（ＤＣ）；纹波电压　为９６０　Ｖ（ＡＣ），１００　Ｈｚ；　额定电容为３６０　ＩｘＦ；电容值偏差为０一＋５％；最大电　流，删为１００　Ａ；损耗角正切值ｔａｎ８为≤０．０００　８；储　存能量　为３　４８５　Ｗｓ。保护装置为过压力检测　

・９５　・　２０１７年第３期　电力电容器与无功补偿　第３８卷　器：薄膜材料为金属化聚丙烯薄膜；结构为无磁不　锈钢充氮气干式结构。　ｌ－２主要性能指标　１＿２．１使用条件　户内安装使用；工作环境温度为一２５　ｏＣ～＋７０　ｏＣ；　存储温度：一４０　ｏＣ～＋７０℃；环境相对湿度≤９５％。　１．２．２电气参数　端子与外壳间交流耐压为７　２４０　Ｖ（ＡＣ），１０　Ｓ；　端子间直流耐压为６　６００　Ｖ（ＤＣ），１０　Ｓ。　２设计过程　２．１　设计思路　单俞电容器电压高。由于同类产品电压一般　都在２～３　ｋＶ左右．心子一般为全并联结构。目前国　内使用的进口产品额定电压很少超过４　ｋＶ，作者　设计时选用４．４　ｋＶ．主要是考虑到型式试验报告　中高电压可以覆盖同类型的低电压产品，也可以为　企业节省一些费用。在电容值一定的条件下，单台　电容器电压高，绝缘强度要求高、质量大、体积大、　使制造过程中可操作性降低。单台电压高，且为　全并结构。相对于外串结构来说，全并结构内阻和　内电感小．喷金层与薄膜的连接处线电流密度也　小．电容器整体损耗因数低。但是，全并结构的心子　承受全电压．单体电压高，要用到元件的内串结构　设计．这时要着重考虑金属化薄膜留边的选取、方　阻值以及布局，元件电容值的大小等。对此，我们采　取了相应的解决方案．采用均衡分布的内串金属　化膜结构，中等阶梯型方阻，最大限度地提高了　元件的自愈性能，为保证串联结构分压不均的情　形．单体元件储能不超过１００　Ｊ　］。另外，为了适　应市场需求。提高比能，该电容器设计时采用金　属化聚丙烯薄膜卷绕的压扁型心子制造技术，通过　一些专用的工装设备，完成卷绕、喷金及心子的成型　工艺。　２．２金属化薄膜的选取　自愈式电容器设计的核心就是金属化薄膜材　料的设计，设计工作主要从金属化薄膜材质的选择、　金属化薄膜的宽度和厚度、内串数的选择、方阻值　和镀层的确定等几个方面进行研究：引。结合以前的　设计经验，考虑到该电容器的运行环境。我们在确　定材料的本身厚度和宽度的同时，对其方阻值和镀　层方式也进行了很大的调整．以使自愈性能进一步　提高…。另外，采用边缘加厚的梯形镀法，改善了镀　层厚度的变化对材料本身过电流能力和损耗角因　数的影响　。　・９６・　２．３元件和心子的设计　该电容器采用压扁型电容器元件制造技术。为　适应市场需求．我们引进了专用的卷绕机以及喷金　机。通过对原材料以及压扁型元件进行大量的试验　验证．并结合我公司同类产品的实际运行经验，选择　了合适的工作场强。做到了压扁型电容器心子和以　往生产的圆柱型电容器心子的电气性能一致．并能　更好地在直流下工作，这样不仅节省了空间，而且　使系统在电气性能稳定的基础上，实现小型化、轻量　化。电容器心子通过铜片相互连接，并采用真空热聚　合工艺。　２．４产品结构　根据实际需求，该直流支撑电容器设计为不锈　钢外壳，双套管结构．表面抛光处理．如图１所示。电　容器心子是由金属化聚丙烯薄膜卷制而成的压扁　型电容器元件并联而成．通过专用焊接设备焊接。压　扁型电容器元件通过专用的卷绕设备在净化问内　压制而成，如图２所示。电容器内部引线选用铜片　结构，具有足够的截面积和机械强度，引线尽可能　短的与元件可靠连接并进行同定．一方面减少了同　有电感，另一方便避免了在使用过程中产生的电动　力的作用下，内部引线发生断裂和出现大的位移。　

图１　ＺＤＭＪ　４．４—３６０外形　Ｆｉｇ．１　Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ　ｏｆ　ＺＤＭＪ　４．４——３６０　

图２电容器元件　Ｆｉｇ．２　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　

３关键问题及解决过程　本产品为不锈钢充氮气干式结构，元件采用金　属化膜卷绕并压扁．产品带有过压力检测器保护装　２０１７年第３期　李维维，等柔性直流输电工程用直流支撑电容器的开发探讨　（总第１７１期）　置。元件为全并联结构，采用紫铜板连接。在专有的　压扁型产品设计生产线上完成整个加工过程，关键　问题有以下几点。　３．１　压扁型元件的卷绕参数及喷金　元件的卷绕．采购能生产压扁元件的专用卷绕　机，通过调整不同的卷绕参数和压紧系数，对元件　进行了一系列的耐压试验、自愈性试验以及耐久性　试验等。并结合试验数据进行对比分析，掌握了卷　绕参数和压紧系数不同对元件电气性能产生的影　响。元件摆放、运输均在专用工装上，采用自行设计　的容量动态纠正软件，实时监测卷绕情况。使容量　控制偏差小，紧度、平整度均达到设计要求。因为是　压扁元件。为此专门引进了专用喷金机，并根据实　际操作情况改进了喷金工装Ｅ６］，实现了通过不同工　位的喷枪移动来完成元件的喷金工艺。　３．２心子的加工及热聚合工艺　压扁型元件叠放在一起并联连接组成电容器　心子，进行真空热聚合工艺。采用真空热聚合工艺，　使电容器心子施加一定的压力［　，在烘箱中抽真空　后，用氮气破空再进行加热，使心子热聚合　。电容　器心子通过专用的带弹簧结构的压紧工装设备进　行相应的压紧系数调整，确保电容值偏差的一致性。　还采用由电脑控制的阶段式升温烘箱进行温度控　制，使电容器元件实现了从常温加热到高温再降到　常温的过程，保证了每批产品有完全一致的曲线．避　免差异，使心子性能更加稳定。　３．３工装相互配合问题　压扁型心子制造技术，加工过程相对比较复杂，　大部分参数都是靠专用的工装来实现的。如何保证　这些工装相互配合问题也是一个难点。针对这一问　题，引用了专门的三维绘图软件，可以直观地看到　各工装配件的配合问题，并模拟实际的工作过程，　为设计提供依据。　另外，我们还专门进行了有限元分析法的计算，　对薄膜和心子的损耗进行分析，实时掌握。　３．４产品的质量控制　公司有完整的质量管理体系，从原材料进来，到　产品出厂，都有一套完整的记录。单个元件都有标　识，工序之间均有自检、互检等手段，实现了产品的　可靠性及可追溯性。为进一步提高产品可靠性．我们　在加工过程中进行工序检测，对单个心子进行耐压　试验。通过自愈声、目测以及电气测试等手段剔除　有不良因素的元件，确保产品品质。另外，我们设计　了单件流作业装配平台，以实现单元轻型化制造，模　块化装配等，提高了产品质量，缩短了加工周期。　４试验结果　本项目于２０１４年８月试制８台样机．按照ＧＢ厂Ｉ＇　１７７０２－－２０１３《电力电子电容器》和ＧＢ／ｒ　２５１２１－－２０１０　《轨道交通机车车辆设备电力电子电容器》国家标　准，并委托西高院进行型式试验，目前已通过各项　试验［９＿１０］。作者试验时，以ＧＢ／Ｔ　１７７０２－－２０１３标准　为主。以ＧＢ／Ｔ　２５１２１－－２０１０标准为参考．但是ＧＢ／Ｔ　２５１２１－－２０１０标准中耐久性试验要求和涌流放电试　验要求均高于ＧＢ／Ｔ　１７７０２－－２０１３。故这２个试验项　目按照高标准执行，现将关键试验项目加以说明。　４．１耐久性试验　试品共３台，分为３个阶段，第１阶段和第３阶　段各为１－３倍的额定电压连续运行５００　ｈ．电容器放　置于７０℃密闭恒温箱中。（ＧＢ／Ｔ　１７７０２中没对电　容器试验温度作要求，而ＧＢ／Ｔ　２５１２１标准对电容器　试验温度有要求，作者在这里按照ＧＢ／Ｔ　２５１２１标准　进行，结合试验自身情况，将试验温度定为７０℃）。　第２阶段为充放电阶段，试验电压１．１　，放电电　流为１６　ｋＡ，反压７５％，充放电波形如图３所示。耐　久性试验前后，电容值变化及损耗角正切值见表１。