特高压串联电容器的试验研究

第 32 卷 第 6 期 2011 年 12 月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor ＆ Reactive Power Compensation Vol． 32 No． 6 Dec． 2011 收稿日期:2011-02-05 作者简介:房金兰(1939—) ，男，教授级高工，主要从事电力电容器及电容式电压互感器的技术研究工作 檶檶檶檶檶檶檶檶檶 檶檶檶檶檶檶檶檶檶 殞 殞殞 殞 。 设计与研究 特高压串联电容器的试验研究 房金兰 (西安西电电力电容器有限责任公司，陕西 西安 710082) 摘 要:介绍了我国特高压串补装置的关键设备串联电容器研制过程中进行的试验研究工作。 针对特高压串联电容器的运行特点，对有关技术问进行了初步，推荐了应当推广应用的 若干技术成果，对今后应当深入研究的技术问题提出了建议。 关键词:特高压;串联电容器;元件电压;介质结构;特殊试验 中图分类号:TM531 文献标识码:B 文章编号:1674-1757(2011)06-0047-06 Research on the Testing of UHV Series Capacitor FANG Jin-lan (Xi'an XD Power Capacitor Co．，Ltd．，Xi'an 710082，China) Abstract:In this paper，such works as research of testing on series capacitor，the key equipment of UHV series-compensation device，is introduced． Some related technical items are preliminarily ana- lyzed according to the operating characteristics of UHV series capacitors． Some technical achieve- ments are recommended for extensive application and several technical items for deep study in the future are suggested． Keywords:UHV(ultra high voltage) ;series capacitor;voltage of component;medium structure; special test 0 引言 特高压串联电容补偿装置是我国晋东南—荆 门交流特高压扩建工程中最重要的一个新建项 目，是世界上第一个特高压串补工程，它关系到送 电目标的实现和特高压系统的安全可靠运行。其 中的关键设备特高压串联电容器的研制受到了国 家电网公司领导、特高压建设部、中国电科院、国 网电科院，以及研制承担方中电普瑞科技有限公 司、串联电容器研制企业和试验检测单位的高度 重视，经过有关方面通力合作，取得了可喜的设备 研制和技术成果。 我国特高压串联电容器的研制是起步于 2010 年初，从制定技术规范、进行样机设计和试 制、试验研究，到 2011 年 5 月的设计定型、制定严 格的质量控制、投入批量生产，经历了一年多 的时间。其中主要的试验研究工作包括电容器介 质的工频击穿电压试验、内熔丝的研究试验、样机 在高于极限电压下的特殊工频极间耐压试验、外 壳耐爆能力试验、型式试验和耐久性试验等，获得 了丰硕的研究成果，为我国特高压串联电容器的 研制成功奠定了坚实的技术基础。 本人有幸作为国网特高压部串联电容器专家 组成员参与了整个的研制过程，了解一些试验研 究的情况，在此试图对串联电容器的试验研究工 作进行简要介绍，并对试验研究过程中遇到的一 些技术问题与大家共同讨论，目的是使特高压串 联电容器研制的技术成果得到推广应用，同时对 ·74· 今后更深入地开展电力电容器领域的科研工作希 望有所裨益。 1 工程概况和对串联电容器的基本要求 1． 1 工程概况 中电普瑞科技有限公司提出的晋东南—南 阳—荆门交流特高压扩建工程串补装置安装布置 如图 1 所示。 图 1 晋东南—南阳—荆门 1 000 kV 串联补偿系统示意图 Fig． 1 Schematic diagram of Jindongnan-Nanyang- Jingmen 1 000 kV series compensation system 1． 2 对特高压串联电容器的基本要求 根据中国电科院系统所进行的系统计算和基 本参数，中电普瑞公司进行了串补装置的系统设 计，在电容器制造公司的配合下搭建了模拟平台， 进行了相关测试，提出了对串联电容器的基本要 求详见 1。 表 1 串联电容器主要参数及关键技术要求 Tab． 1 Main Parameters and key technical requirements of series capacitor 项目 长南 I线 (长治站) 长南 I线 (南阳站) 南荆 I线 (南阳站) 系统标称电压 /kV 1 000 1 000 1 000 额定相电流 /A 5 080 5 080 5 080 串补度 /% 20 20 20 × 2 电容器组接线方式 双并桥差 接线 双并桥差 接线 双并桥差 接线 过电压保护水平 /p． u． 2． 3 2． 3 2． 3 三相额定容量 /Mvar 1 500 1 500 1 144 × 2 介质平均场强 /(MV/m) ≤57 (介质厚度采用千分尺法测算， K = 1) ，要求采用进口薄膜 电容器单元重量 /kg ≤95 电容器单元 的特殊试验 (1)端子间工频暂时过电压试验: 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms; (2)端子间工频短时过电压试验: 1． 15Ulim / 10s 2 电容器试品概况 所有试品均由西安 ABB电容器有限公司(简 称西安 ABB)、桂林电力电容器有限责任公司(简 称桂容)和上海思源电力电容器有限公司(简称 思源)3 家分别制造，聚丙烯薄膜厚度一律按千分 尺法厚度计算，试品详情见表 2。 表 2 串联电容器试品主要技术参数 Tab． 2 Main technical parameters of sample of series capacitor 项目 第 1 组试品 第 2 组试品 第 3 组试品 试品规格数 3 4 2 试品台数 32 27 21 电容器单元 额定电压 /kV 6． 15 ～ 6． 25 6． 15 ～ 6． 26 4． 69 电容器单元 额定容量 /kvar 558 ～ 568 558 ～ 569 496． 5 电容器单元内 元件串联段数 4 3 3 元件额定电压 /kV 1． 54 ～ 1． 56 2． 05 ～ 2． 09 1． 56 聚丙烯薄膜来源 芬兰 芬兰 /国产 芬兰 /国产 元件中薄膜介质层数 2 3 2 额定场强 / (MV/m) 56 ～ 57 56 ～ 57 56 3 主要试验研究项目和试验结果 3． 1 电容器元件介质交流击穿电压试验 在产品样机设计之前，各电容器制造企业按 统一要求分别对正常浸渍的电容器元件进行了工 频交流击穿电压试验，在室温条件下连续升压直 至击穿，升压速度为 0． 6 ～ 1． 2 kV /s，用记忆示波 器录波。根据总数为 1 000 多只元件的试验录波 数据统计，可以归纳如下几点: 1)击穿电压数值与升压速度有一定关系，升 压速度快则击穿电压偏高。 2)试品以 2 层膜介质(千分尺法总厚为 27 ～ 28 μm)为主，同时对 3 层膜介质(千分尺法总厚 为 36 ～ 37 μm)进行了对比试验，介质击穿场强没 有明显差异。 3)试品以进口芬兰薄膜介质为主，同时对国 产膜介质进行了对比试验，试验结果没有明显差 异。浸渍剂为苄基甲苯和 SAS-70E，两者试验数 据也没有明显差异。 4)由于介质材料生产厂家、批次的不同，各电 容器厂家的试品制作工艺的差异和试验方法的不 完全统一，各家试验数据之间很难做定量比较。但 可以得到以下共同认识:介质的最低击穿场强大于 180 MV/m，这相当于产品设计允许场强的 3． 16 倍。因此，此次大量的介质击穿数据为特高压串联 电容器的额定场强选取提供了有力的依据。 3． 2 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms 特殊端子间瞬时 过电压试验 对 3 个厂家制造的 3 组、9 种共 18 台电容器 ·84· 电力电容器与无功补偿 第 32 卷 试品统一在桂容试验室进行了 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms的特殊极间工频过电压试验，在室温下对 每台试品试验 3 次，以检验电容器耐受瞬时过电 压能力的极限水平。所有试品全部通过了这项严 格的试验，试品包括不同的元件额定电压、2 膜和 3 膜介质、进口膜和国产膜。详见表 3 和图 2。 表 3 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms特殊端子 间瞬时过电压试验结果 Tab． 3 The results of special industrial frequency instantaneous over-voltage test between terminals with 1． 35Ulim /(300 ～ 500)ms 项目 第 1 组试品 第 2 组试品 第 3 组试品 电容器单元内 元件串联段数 4 3 3 元件额定电压 /kV 1． 54 ～ 1． 56 2． 05 ～ 2． 09 1． 56 薄膜介质 芬兰膜， 2 膜 芬兰膜 / 国产膜，3 膜 芬兰膜 / 国产膜，2 膜 试品台数 6 8 4 结论 通过 通过 通过 图 2 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms特殊端子间瞬 时过电压试验典型录波图 Fig． 2 Typical oscillograms of transient over-voltage test between terminals at 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms 3． 3 (1． 15 ～ 1． 2)Ulim /10s特殊端子间工频短时 耐压试验 在西安 ABB 公司试验站统一对 3 个厂家制 造的 3 组、8 种共 26 台电容器试品进行了(1． 15 ～ 1． 2)Ulim /10 s 的特殊端子间工频短时耐压试 验，对每一种产品还选择 1 台进行了延长耐压时 间直至击穿的试验，以考核电容器耐受 10 s 以上 过电压的绝缘裕度，试验的环境条件为室温。试 验结果表明:在介质场强基本相同的条件下，元件 额定较低、采用 2 层薄膜介质结构的设计方案 (第 1、3 组试品)对这种特殊耐压试验的耐受能 力较强。无论试品制造厂家是否相同，无论进口 或国产的薄膜介质，都得到了相同的结论。试验 结果详见表 4 和图 3 ～ 4。 表4 (1．15 ～1．2)Ulim /10 s特殊端子间 工频短时耐压试验结果 Tab． 4 The results of special temporary A． C． withstand voltage test between terminals with(1． 15 ～ 1． 2)Ulim /10 s 项 目 第 1 组试品 第 2 组试品 第 3 组试品 规格数 3 3 2 试品台数 9 11 6 电容器单元内元件 串联段数 4 3 3 元件额定电压 /kV 1． 54 ～ 1． 56 2． 05 ～ 2． 09 1． 56 薄膜介质 2 膜，芬兰 3 膜， 芬兰产 2 膜， 芬兰 /国产 试验电压 /Ulim 1． 2 /1． 15 1． 15 1． 2 电压耐受时间 / s 10 ～ 85 5 ～ 15 12 ～ 100 试验结果 通过 部分未通过 通过 ·94·第 6 期 ·设计与研究· 房金兰 特高压串联电容器的试验研究 3． 4 内熔丝在 0． 5 UN 下限交流电压下的隔离试验 3 个制造厂家各提供 5 台试品，共 15 台电容 器试品，试验是由电力工业无功补偿成套装置质 检中心进行的。在隔离试验前首先对逐台电容器 进行了短路放电试验。随后进行了 0． 5UN 下限 交流电压下的内熔丝隔离试验［1］。介质击穿采 用机械穿刺的方法，每台试品进行 2 次穿刺试验， 总共穿刺 30 次，逐一进行了录波。根据录波图， 每次内熔丝都能隔离，由于机械穿刺击穿时的电 压相位具有随机性，内熔丝的动作时间可分为以 下两种情况: 1)介质击穿发生在电压峰值的 ± 30°范围时， 内熔丝主要靠并联元件储能并借助于工频续流熔 断，动作时间范围为 7． 6 ～ 326 ms，如图 5 所示。 在实际运行条件下偶有此种情况发生，串联电容 器标准是允许在借助工频续流的条件下进行隔离 试验的。 2)介质击穿发生在电压的其他相位时，熔丝 熔断更多借助了工频续流，动作时间长达数秒，如 图 6 所示。 3． 5 型式试验 试品为 3 组 5 种规格的电容器，共 15 台。由 国家电力电容器质检中心按照串联电容器国标 GB /T 6115． 1—2008 和 GB /T 6115． 3—2002 的要 ·05· 电力电容器与无功补偿 第 32 卷 求进行了全部型式试验。试验结果说明如下: 1)试验包括例行试验项目 7 项、型式试验项 目 6 项和附加试验项目 6 项(局部放电、电容温度 系数、套管机械强度等)。 2)试验的 5 种试品中，除 3 种按合同供货产 品(元件额定电压为 1． 5 kV 左右、2 膜介质)外， 还有研究试验用 3 膜介质结构(对应于减少内部 元件串联段数、元件额定电压为 2 kV 左右)和国 产膜介质的试品，也都通过了各项试验，达到了标 准和技术规范的要求［1-2］。 3)在进行内部熔丝隔离试验时，其中 4 种试 品上、下限电压隔离都是用直流电压进行试验的， 有一种试品是上限用直流电压、下限用交流电压 试验通过的，都符合标准的要求。 3． 6 耐久性试验 3 家设计制造的 3 种供货产品样机(均为 2 膜介质，元件额定电压 1． 5 kV左右)各 3 台，分别 送国家电力电容器质检中心和电力工业电力电容 器质检中心进行了标准规定的耐久性试验中的老 化试验，试品在 1． 4UN 和介质温度 60℃的条件下 连续运行 1 000 h，经测试各项性能合格。耐久性 试验的冷工作状态试验已按标准规定在上述型式 试验中进行。权威检测机构的试验表明，经各项 严格的试验确定的特高压串联电容器产品设计和 工艺都通过了全部耐久性试验项目，符合国标、 IEC标准和技术规范的要求。 4 若干技术问题的分析 4． 1 元件额定电压和介质结构的选择 1)与并联电容器比较，串联电容器的负荷特 点是:正常运行条件下，线路电流不大，电容器端 子间电压较低，经常在额定电压的 50%左右或更 低的电压下运行;但在输电线路故障条件下，端子 间电压将瞬间升到极限电压值 Ulim(通常为 2． 3 UN) ［3-4］，更加之本项特高压串补工程的极其重要 性，故选择了 (1． 15 ～ 1． 2)Ulim /10 s 和 1． 35Ulim / (300 ～ 500)ms两项特殊电压试验。 2)从表 4 可以看出:元件额定电压在 1． 5 kV 左右的技术方案都顺利通过了 1． 2 Ulim /10 s 的耐 压试验;而介质额定场强基本相同、元件额定电压 超过 2kV左右的技术方案(第 2 组试品)部分未通 过 1． 15 Ulim /10 s的耐压试验。这是因为在该项试 验中元件的试验电压高，引起极板边缘强烈的局部 放电，在长达10 s左右的时间内对极板边缘的介质 造成了严重的损伤，导致在极板折边处介质击穿。 经改变设计方案，增加串联段数、元件额定电压由 2 kV左右降低到 1． 5 kV左右，与此相应地将 3 膜 介质改为 2膜介质后，耐压试验则顺利通过，电压 耐受时间由原来的 12 ～15 s增加到 50 ～85 s。 3)通过这次进行的试验研究工作可看出，串 联电容器要想顺利通过 1． 15 Ulim /10 s 的特殊端 子间工频短时耐压试验以确保安全可靠运行，电 容器元件的额定电压必须降低到 2 kV以下，最好 选为 1． 5 kV左右，以改善在过电压条件下电容器 极板边缘的局部放电性能。 通过以下计算来与并联电容器的耐压进行比 较:有运行经验的并联电容器的元件最高额定电 压是 12 /( 槡3 × 3)= 2． 31 kV，试验电压为 2． 31 × 2． 15 = 4． 97 kV;而串联电容器元件额定电压若取 2 kV，则试验电压达到 2 × 2． 3 × 1． 15 = 5． 29 kV， 比并联电容器试验电压提高了 6． 4%。同样可以 算出，若选元件额定电压为 1． 5 kV，则试验电压 比并联电容器降低了 20%。元件额定电压适当 降低，在过电压下极板边缘局部放电减弱，对介质 的损伤减小，运行可靠性将会提高。 4)从表 3 所列 1． 35 Ulim /(300 ～ 500)ms特殊 端子间工频瞬时过电压试验结果可以看出，在介 质设计场强基本相同的条件下，电容器元件的额 定电压、串联段数和介质层数等因素并无明显影 响，各种设计均顺利通过了该项试验。这是因为 在仅有数百毫秒的瞬间过电压作用下，局部放电 对介质的损伤很小。 5)综上所述，元件电压较高的设计在长达 10 s以上特殊端子间工频短时耐压试验中极板边 缘局部放电对介质会造成严重损伤，而在更高电 压和数百毫秒条件下表现良好。虽然在实际运行 中不会出现高达 1． 15 倍极限电压、时间又长达 10 s的情况，但为确保运行可靠起见，还是选择较 低的元件额定电压(相应为 2 膜介质)为好。 4． 2 国产薄膜与进口薄膜的比较 在特高压串联电容器的研制过程中，为今后 逐步实现主要原材料的国产化，在主要对进口薄 ·15·第 6 期 ·设计与研究· 房金兰 特高压串联电容器的试验研究 膜介质制成的电容器元件和电容器进行试验的同 时，也对部分国产薄膜介质制品进行了试验，所得 数据表明，国产膜与进口膜没有明显差异。 1)经过电容器元件交流击穿电压试验，对比试 验结果表明，国产膜的耐电强度并不比进口膜低。 2)用进口膜和国产膜分别制造了同样尺寸的 电容器，同样通过了 1． 35 Ulim /(300 ～500)ms特殊 端子间工频瞬时过电压试验，见表 3。用两种膜制 造的电容器(第 3 组试品)分别通过了 1． 2 Ulim / 10 s的特殊端子间工频短时耐压试验和型式试验。 3)今后还应继续进行国产膜与进口膜的对 比试验，进一步促进国产膜质量的稳定提高，以达 到在确保电容器质量可靠的前提下通过实现主要 材料的国产化来降低制造成本。 4． 3 关于串联电容器用内熔丝的试验研究 标准对串联电容器内熔丝的要求是:在上限 电压 1． 1Ulim和下限电压 0． 5UN 下内熔丝都应满 足隔离故障元件的要求，电压范围(1． 1 × 2． 3UN － 0． 5 UN = 2． 03UN)是并联电容器电压范围(2． 2 UN － 0． 9UN = 1． 3UN)的 1． 56 倍。内熔丝同时还 要满足充电电压为槡2Ulim 槡= 2 × 2． 3UN = 3． 25UN 的短路放电和 1． 6 × 2． 3 = 3． 68UN 下阻尼放电的 要求，所以串联电容器内熔丝选择设计的难度比 并联电容器大得多。本次电容器的研制过程中分 别采用了单熔丝和双熔丝两种结构，精心选择设 计内熔丝的直径和长度参数，经型式试验验证均 能满足标准的要求。 5 结语 1)在有关单位和广大技术人员的共同努力 下，对特高压串联电容器进行了介质击穿试验、 1． 35Ulim /(300 ～ 500)ms 特殊端子间瞬时过电压 试验、(1． 15 ～ 1． 2)Ulim /10 s 特殊端子间工频短 时耐压试验、内熔丝在下限交流电压下的隔离试 验、型式试验、耐久性试验和外壳耐爆能力试验等 大量试验研究工作，其中包括许多对比性试验研 究内容。这些试验研究数据为最终选择合理的设 计方案提供了可靠的基础。 2)通过试验研究工作，获得了许多重要的技 术成果，例如:串联电容器元件电压的合理选择以 及相关的串联段数、介质层数的确定，国内外电容 器介质薄膜耐电强度的对比，内熔丝的选择设计， 以及串联电容器内熔丝隔离试验的方法等。当 然，这些技术收获的推广应用还需要具体研究，不 能盲目照搬。 3)同时也发现了不少需要进一步的深入研 究的技术问题，例如:电容器介质在低温和高温下 的击穿特性，内熔丝的动作特性以及对电容器运 行的影响等。 参考文献: ［1］GB /T 6115． 3—2002．电力系统用串联电容器 第 3 部 分:内部熔丝［S］． GB /T 6115． 3—2002． Series capacitors for power sys- tems-Part 3:Internal fuse［S］． ［2］GB /T 6115． 1—2008．电力系统用串联电容器 第 1 部 分:总则［S］． GB /T 6115． 1—2008． Series capacitors for power sys- tems-Part 1:Genera［S］． ［3］机械工程手册电机工程手册编辑委员会． 电机工程 手册(第二版)输变电、配电设备卷［M］． 北京:机械 工业出版社，1997． ［4］中国电气工程大典编委会． 中国电气工程大典第 10 卷，输变程［M］． 北京:中国电力出版社， 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 2009． 特高压交流扩建工程成功通过 450 万千瓦大负荷试验 2011年 11 月 25 日 18 时，1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程扩建工程成功完成第一阶段大负 荷试验，在 450 万千瓦功率下累计运行 8 h，最大输送功率 503 万千瓦，系统、设备稳定可靠，现场工作已全面纳入运行管 理。 当天，南阳、长治、荆门、国调中心四个启动调试现场指挥部联合召开第五次电视电话会议。会上，中国电科院、交流 建设分公司、运行分公司、国调中心分别汇报了工程系统调试情况，国调中心、国家电网公司生产部、交流建设部分别对 下一阶段相关工作进行部署。 ·25· 电力电容器与无功补偿 第 32 卷