2009特高压输电技术国际会议论文集 1
特高压直流输电用直流滤波电容器组的
设计问题研究
左强林、马维勇
（桂林电力电容器有限责任公司，中国广西桂林市建干路 541004）
摘要：本文对特高压直流输电用直流滤波电容器组的关键技术问题进行深入的分析研究，提出了层间1min 直流耐受电压的确定原则，得到了靠增加伞径来增加绝缘子的爬距对电容器组的均压是毫无意义的结论，认为特高压直流输电用直流滤波电容器组应采用H 型接线、桥差电流保护方式，本文还研究了特高压直流滤波电容器组采用塔架式结构的可行性，并进行了抗震计算，希望这些问题的解决，对特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计和生产有所帮助。 关键词：特高压直流输电；直流滤波电容器组；设计问题；研究
1 前言
我国西电东送的电力能源输送格局，决定了我国的直流输电技术的地位。随着经济社会的快速发展，直流输电技术也在突飞猛进。2008年，我国开始了向家坝-上海、云南-广东这两个±800kV特高压直流输电工程的建设，高压直流滤波电容器组C1成为电容器行业关注的热点。随着溪落左岸-湖南、溪落右岸-浙江、锦屏-江苏等多个±800kV的特高压直流工程的建设，人们对特高压直流滤波电容器组C1的关注也进一步升温。
直流滤波电容器技术难度相对较高，与交流电容器相比技术差异很大。本文作者一直致力于直流滤波电容器的技术研究，在2006年的特高压输电技术国际会议上参与发表文章[1]，详细分析了电容器单元内部的技术问题，本文主要分析研究特高压直流输电用直流滤波电容器组（以下简称特高压电容器组）的关键技术问题，结合特高压直流输电用直流滤波电容器组的技术规范和云南-广东±800kV特高压直流输电工程中部分电容器组的设计生产以及呼伦贝尔—辽宁、德阳—宝鸡两个直流工程C1电容器组的设计研究经验，分析的重点包括特高压电容器组的绝缘配合问题、均压问题、保护问题和抗震问题，希望有助于特高压电容器组的设计生产。
2 绝缘配合问题研究
文献[2]对交流电容器组中的绝缘配合问题进
行了较为详细的分析。直流滤波电容器组中的绝缘配合问题与交流电容器组中的绝缘配合问题有一定的类似之处，也包括短时工频耐受电压、爬距以及BIL/SIL等，不同的是短时工频耐受电压的确定对于直流滤波电容器组来说是次要的，爬距和BIL/SIL是主要的。本节主要分析特高压电容器组的绝缘配合问题。表1是±800kV特高压电容器组C1的部分数据[3-4]。
表1 ±800kV特高压电容器组C1的部分数据
参数名称 参数值
额定电容 C Nb 1.2 μF
额定直流电压 U DC 816 kV 额定电压 U Nb 1148 kV
BIL/
高低压端子间 1950/1707 kV
SIL
高压端子与地间 2100/1600 kV
高压端子与地间 750/750 kV 爬电比距 54 mm/kV
低压端子与地间的最小爬电
距离
1878 mm
根据文献[2]的分析和表1的数据不难看出，对
于特高压电容器组而言，爬距的要求是主要的。电容器组的总爬距要求达到816×54=44064mm，如果按纵向双塔布置高塔对地绝缘子的爬距至少要达到44064/2+1878=23910mm，即使用500kV 的支柱绝缘子，也难以企及这个爬距。所以电容器组不能采用纵向双塔布置方式，只能用横向双塔或单塔布置方式。实际上纵向双塔布置还会带来均压问题，不利于电容器组的安全运行。从这个意义上说，也应该避免这种布置方式。根据文献[2]的分析，单塔布置方式电容器组的层间绝缘配合问题主要包括爬距和绝缘水平两个方面。 2.1 爬距问题
对于直流滤波电容器组而言，爬距是最严格也是最重要的绝缘配合指标。所以首先要核定单台电容器和支柱绝缘子的爬电距离。对于单台电容器而
2 特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计问题研究
言，目前套管的爬距大于800mm 就很难实现了。也就是说，电容器组的层数会达到44064 /800/2=28层，平均每层1m 高，总高将达到28m 。与±500kV的高压直流电容器组相比，这就是特高压直流滤波电容器组最困难的地方。目前电容器组的设计主要有塔架式和悬吊式两种结构。 2.2 绝缘水平问题
从表1可以看出，对于一个28层的特高压电容器组而言，层间的BIL=1950/28=70kV，SIL=1707/28=61kV，对于800 mm爬距的套管而言这个绝缘水平很容易达到，关键是如何选择绝缘子的短时工频交流试验电压和直流试验电压。
先看1min 直流试验电压。标准GB/T 11024.1[5]规定，电容器的绝缘水平按端子间耐压增加15%确定，结合标准GB/T 20993[6]的规定，层间1min 直流耐受电压按下式确定：
U t =2.6×1.15×k ×U N （1）
式中：U t —1min直流试验电压；U N —电容器单元的额定电压； k —相对于外壳连接电位的串联单元数。根据表1的数据，不难得到U t 的值。在干燥状态下，这个耐受电压值不难达到，关键是在污秽条件下的耐受水平。考虑到电压分布的不均匀性，上述计算需要考虑一个合适的安全系数，户内使用时这个安全系数可以取1.0，但根据文献[7]的数据，湿度大于70%时，这个安全系数应取适当取大一点。
标准GB/T 20993[6]规定，电容器的短时工频耐受电压为1.1BIL/√2，这样层间绝缘子的短时工频耐受电压为1.1×70/√2=55kV，这个电压很容易达到。为了尽量检出绝缘子的缺陷，笔者建议层间绝缘子的短时工频耐受电压根据爬距确定一个合理的工频耐受电压值。
3 均压问题研究
均压技术是直流滤波电容器组中最为关键的
技术，尤其是特高压电容器组。均压问题的引出实际上是由直流电压和交流电压的分布原理不同造成的。文献[1]对直流电容器单元中的均压问题进行了详细的分析，本文主要分析电容器组的均压问题，也就是分析层间绝缘子对电容器组均压效果的影响。
3.1 瓷质绝缘子对电容器组均压的影响分析
由于绝缘子表面的污秽电阻可能很小，所以绝缘子表面污秽电阻对确定特高压电容器组的均压
参数极为重要。资料[8]表明，绝缘子的污秽电阻可以按式（2）计算：
l
R y =ρ∫
dl
πD (l ) =ρf （2）
式中：R y —套管或绝缘子的污秽电阻；l —泄露距离；D —相当于某l 值的直径；ρ —污秽层的平均表面电阻系数；f —形状系数，与泄露电阻成正比。
由式（2）可知，如果绝缘子的等效直径为D 0，则
f = l/πD 0 （3）
式（3）表明，形状系数与泄露距离成正比，与等效直径成反比，即与套管的长径比成正比。因此，长径比大的套管抗污秽的能力强。这就是为什么在直流系统中规定爬电比距的同时往往有等效外径要求的原因。从式（3）可以看出，靠增加伞径来增加绝缘子的爬距是毫无意义的。
结合式（2）和式（3）可以看出，对于形状已经确定的绝缘子，绝缘子的污秽电阻与其表面的电阻系数成正比。如果各层绝缘子的污秽状况不一样，或潮湿程度不一样，绝缘子表面的泄漏就不一样[7]，会对特高压电容器组的层间电压分布产生极大的影响。
从以上分析可以看出，直流绝缘子的选取应有别于交流绝缘子，应更注重绝缘子的防污性能，也就是增加绝缘子的长径比。要增加绝缘子的长径比首先要在绝缘子的伞形尺寸上下功夫。能够增加爬距又不增加外径的伞形适合于直流绝缘子。 3.2 复合绝缘子对电容器组均压的影响分析
1996年后，复合绝缘子在电力系统中的应用已经很广泛[9]~[10]，特别是在交流系统中。我国对其制造技术、表面的积污特性也做了很多研究[11]~[14]。近年来，复合绝缘子在直流系统中的使用也很普遍，包括不平衡电流保护用的光电CT 的外套和悬式绝缘子等。由于硅橡胶表面具有憎水性，雨水难以在其表面形成连续的线或面，其表面的污秽电阻相对较大，对电容器组的电压分配的影响较小，所以较适合于用在直流滤波电容器组中。如果采用复合绝缘子，则爬电比距可以适当减小。目前复合绝缘子有瓷心和玻璃钢心两种。如果电容器组采用塔架式结构，应采用瓷心复合绝缘子，利用瓷质材料良好的抗压能力，提高电容器塔架的抗震能力。如果电容器组采用悬吊式结构，则应采用玻璃钢复合
2009特高压输电技术国际会议论文集 3
绝缘子，利用玻璃钢材料良好的抗拉能力，提高电容器整体结构的安全稳定性。但这种情况下应该注意，由于顶部的绝缘子需要承受800kV 的直流电压，需要采取一定的电场均匀措施[15]~[18]，延长硅橡胶的使用寿命。
4 保护问题研究
目前，高压直流滤波电容器组C1的内部故障不平衡保护方案主要有两种：一种是H 型接线，采用桥式差动电流保护；另一种是II 型接线，采用“横差”不平衡电流保护，如图2~3所示。下面我们来分析一下它们在特高压电容器组上应用的可行性。
图2 H 型接线示意
图3 II 型接线示意
要分析这两种接线方式的优劣，首先要确定直流滤波电容器组的保护整定原则。从文献[1]的分析可以知道，特高压直流滤波电容器单元的内部熔丝可以动作的根数很少，作为保护整定的依据显然有问题。考虑到均压电阻的存在，单元中的直流电压分布基本不受电容变化的影响，保护整定原则可以按单元中短路的元件串段数来确定。如果每个臂的单元只有1并，不难得到：
I 0/I =A
H
N 2(Nn −A )
（4） λ=
A
H Nn /2−A （5）
β=1+A
H Nn /2−A
=1+λH （6）
I A
0II /I N =2Nn −A （7）
λA
II =Nn −A （8）
βA
II =1+Nn −A
=1+λII （9）
式（4）~（9）中，N 为电容器组中单元的总
串联数；n 为电容器单元中元件的串联数；A 为击穿元件的串联数；λ为支路间的不平衡度；β为元件的过电压倍数；I 0为不平衡电流；I N 为额定电流。其中下标为“H”的为H 型接线的参数，下标为“II”的为II 型接线的参数。
从式（4）~（9）和表1的数据可以看出，由于特高压直流滤波电容器组的额定电压达到
1148kV ，以单元中元件电压为3.5kV 计算，电容器的串联元件数达到328串。虽然两种接线的不平衡电流与额定电流的比值差不多，但II 型接线对支路
间的不平衡度要求很高，按保护整定值与初始不平衡值的比达到4倍计算，这个值可能高到0.05%左右，相当于1K 左右的温度变化，这在工程上很难实现。所以特高压电容器组C1采用II 型接线的保护方式基本不可行，需要采用H 型接线，桥差不平衡电流保护。需要注意的是，由于直流滤波电容器组中的电流都是谐波电流，而常规的CT 只能测量基波电流，不能准确测量谐波电流，至少在谐波条件下对电流的测量精度是不够的。如果要采用谐波电流比值的整定原则，还需要采用光电式CT 或能
精确测量3/6/12次等谐波电流的电磁式CT ，常规
CT 难以满足这个精度要求。
此外，如果采用H 型接线，要特别注意CT 的表面污秽电阻对电容器组中直流电压分布的影响，以免恶化电容器组的运行条件。如果采用II 型接线，根据标准GB/T 20993[6]的原理图可以知道，由于CT 在低压端，通过电感接地，电感上没有直流电压，所以CT 本身基本没有直流电压的作用，不会对电容器组的电压分布产生影响。
5 抗震问题研究
直流滤波电容器组中电容器的数量比交流滤波器组中电容器的数量要少得多，按理不应该存在
4 特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计问题研究
机械强度方面的问题，至少不会很突出。但从前面的分析可知，直流滤波电容器组的爬距要求很高，电容器组的层数很多，塔架的高度很高，所以塔架的稳定性问题，特别是在受风条件下的稳定性问题会比较突出，需要做深入的研究。为了解决稳定性问题，电容器组可以采用悬吊式结构。悬吊式结构的机械强度问题主要集中在顶部的悬式绝缘子上和横梁上。悬式绝缘子的选取既要考虑地震的影响，也要考虑风荷及摆动的影响，横梁应该针对具体的工程和设计要具体计算，必要时可以进行试验验证。
悬吊式结构虽然解决了电容器塔的稳定性问题，但检修问题将更为突出。由于电容器塔很高，又是悬吊式结构，给检修带来极大的困难，所以应根据实际情况确定是否采用。
随着等静压法（干法成型）绝缘子技术的成熟，电容器组采用塔架式结构成为可能。我们根据表1参数设计了一个特高压电容器组的塔架式设计方案，并对设计方案进行抗震计算，计算采用有限元梁模型进行。在抗震计算中分析了电容器组的地震荷载效应，地震荷载采用的是电力设施抗震设计规范[19]给出的反应谱法。抗震计算采用的水平加速度0.20g ，垂直加速度0.13g 。荷载组合包括了静力的自重、风荷载和地震荷载。抗震计算结果如表2所示。
表2 中软场地构件应力校核表（MPa ）
计算应力构件名称 容许应
安全力 风向X 风向Y
方向 方向
系数
落地绝缘子 51.51 9.91 8.95 5.20 层间绝缘子 39.79 12.93 9.57 3.08
台架 295.00 108.45 82.73 2.72 绝缘子底板及
螺栓
295.00 86.86 71.02 3.40
连接板 295.00 181.87 150.17 1.94 台架支撑 295.00 81.95 110.05 2.68
从表2可以看出，设计方案的最小安全系数是中软场地时底部连接板的1.94，完全可以满足抗震要求满足规范的大于1.67的要求。因此电容器组的设计可以满足抗8度地震的要求。此外，为了提高电容器组的抗震可靠性，还可以进行整个塔架的动力特性试验，以进一步验证。
6 结论及建议
6.1 由于爬距方面和均压方面的要求，电容器
组不能采用纵向双塔布置方式，只能用横向双塔或单塔布置方式。
6.2 层间的BIL/SIL很容易达到，层间的绝缘配合的关键是污秽和爬距；层间1min 直流耐受电压按式2.6×1.15×k ×U N 确定，层间绝缘子的短时工频耐受电压可以根据爬距确定一个合理的耐受值。
6.3 靠增加伞径来增加绝缘子的爬距是毫无意义的。在伞径和高度一样的情况下，能够增加爬距的扇形结构较适合于直流绝缘子。
6.4 复合绝缘子表面的污秽电阻相对较大，适合于用在直流滤波电容器组中。瓷心复合绝缘子适合在塔架式结构的电容器组中使用，玻璃钢复合绝缘子适合在悬吊式结构的电容器组中。
6.5 II型接线对支路间的不平衡度要求很高，所以采用II 型接线的保护方式基本不可行，需要采用H 型接线，桥差不平衡电流保护。但采用H 型接线，要特别注意CT 的表面污秽电阻对电容器组中直流电压分布的影响。
6.6 随着等静压法绝缘子技术的成熟，使特高压直流滤波电容器组采用塔架式结构成为可能。抗震计算表明，塔架式结构完全满足抗震要求。为了提高电容器组的抗震可靠性，还可以进行整个塔架的动力特性试验，以进一步验证。
参考文献
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究[C]. 2006特高压输电技术国际会议论文.
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2009特高压输电技术国际会议论文集 5
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收稿日期：
2008-12-23。 作者简介：
左强林(1967—) ，男，广西贺州人，1990年7月毕业于西安交通大学，获工学学士学位，2004年12月获华中科技大学工程硕士学位。现为高级工程师，主要从事电力电容器技术研究工作；
左强林
马维勇(1971—) ，男，广西桂林人，1993年7月毕业于重庆大学，获工学学士学位。现为工程师，主要从事电力电容器技术研究工作。
马维勇
2009特高压输电技术国际会议论文集 1
特高压直流输电用直流滤波电容器组的
设计问题研究
左强林、马维勇
（桂林电力电容器有限责任公司，中国广西桂林市建干路 541004）
摘要：本文对特高压直流输电用直流滤波电容器组的关键技术问题进行深入的分析研究，提出了层间1min 直流耐受电压的确定原则，得到了靠增加伞径来增加绝缘子的爬距对电容器组的均压是毫无意义的结论，认为特高压直流输电用直流滤波电容器组应采用H 型接线、桥差电流保护方式，本文还研究了特高压直流滤波电容器组采用塔架式结构的可行性，并进行了抗震计算，希望这些问题的解决，对特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计和生产有所帮助。 关键词：特高压直流输电；直流滤波电容器组；设计问题；研究
1 前言
我国西电东送的电力能源输送格局，决定了我国的直流输电技术的地位。随着经济社会的快速发展，直流输电技术也在突飞猛进。2008年，我国开始了向家坝-上海、云南-广东这两个±800kV特高压直流输电工程的建设，高压直流滤波电容器组C1成为电容器行业关注的热点。随着溪落左岸-湖南、溪落右岸-浙江、锦屏-江苏等多个±800kV的特高压直流工程的建设，人们对特高压直流滤波电容器组C1的关注也进一步升温。
直流滤波电容器技术难度相对较高，与交流电容器相比技术差异很大。本文作者一直致力于直流滤波电容器的技术研究，在2006年的特高压输电技术国际会议上参与发表文章[1]，详细分析了电容器单元内部的技术问题，本文主要分析研究特高压直流输电用直流滤波电容器组（以下简称特高压电容器组）的关键技术问题，结合特高压直流输电用直流滤波电容器组的技术规范和云南-广东±800kV特高压直流输电工程中部分电容器组的设计生产以及呼伦贝尔—辽宁、德阳—宝鸡两个直流工程C1电容器组的设计研究经验，分析的重点包括特高压电容器组的绝缘配合问题、均压问题、保护问题和抗震问题，希望有助于特高压电容器组的设计生产。
2 绝缘配合问题研究
文献[2]对交流电容器组中的绝缘配合问题进
行了较为详细的分析。直流滤波电容器组中的绝缘配合问题与交流电容器组中的绝缘配合问题有一定的类似之处，也包括短时工频耐受电压、爬距以及BIL/SIL等，不同的是短时工频耐受电压的确定对于直流滤波电容器组来说是次要的，爬距和BIL/SIL是主要的。本节主要分析特高压电容器组的绝缘配合问题。表1是±800kV特高压电容器组C1的部分数据[3-4]。
表1 ±800kV特高压电容器组C1的部分数据
参数名称 参数值
额定电容 C Nb 1.2 μF
额定直流电压 U DC 816 kV 额定电压 U Nb 1148 kV
BIL/
高低压端子间 1950/1707 kV
SIL
高压端子与地间 2100/1600 kV
高压端子与地间 750/750 kV 爬电比距 54 mm/kV
低压端子与地间的最小爬电
距离
1878 mm
根据文献[2]的分析和表1的数据不难看出，对
于特高压电容器组而言，爬距的要求是主要的。电容器组的总爬距要求达到816×54=44064mm，如果按纵向双塔布置高塔对地绝缘子的爬距至少要达到44064/2+1878=23910mm，即使用500kV 的支柱绝缘子，也难以企及这个爬距。所以电容器组不能采用纵向双塔布置方式，只能用横向双塔或单塔布置方式。实际上纵向双塔布置还会带来均压问题，不利于电容器组的安全运行。从这个意义上说，也应该避免这种布置方式。根据文献[2]的分析，单塔布置方式电容器组的层间绝缘配合问题主要包括爬距和绝缘水平两个方面。 2.1 爬距问题
对于直流滤波电容器组而言，爬距是最严格也是最重要的绝缘配合指标。所以首先要核定单台电容器和支柱绝缘子的爬电距离。对于单台电容器而
2 特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计问题研究
言，目前套管的爬距大于800mm 就很难实现了。也就是说，电容器组的层数会达到44064 /800/2=28层，平均每层1m 高，总高将达到28m 。与±500kV的高压直流电容器组相比，这就是特高压直流滤波电容器组最困难的地方。目前电容器组的设计主要有塔架式和悬吊式两种结构。 2.2 绝缘水平问题
从表1可以看出，对于一个28层的特高压电容器组而言，层间的BIL=1950/28=70kV，SIL=1707/28=61kV，对于800 mm爬距的套管而言这个绝缘水平很容易达到，关键是如何选择绝缘子的短时工频交流试验电压和直流试验电压。
先看1min 直流试验电压。标准GB/T 11024.1[5]规定，电容器的绝缘水平按端子间耐压增加15%确定，结合标准GB/T 20993[6]的规定，层间1min 直流耐受电压按下式确定：
U t =2.6×1.15×k ×U N （1）
式中：U t —1min直流试验电压；U N —电容器单元的额定电压； k —相对于外壳连接电位的串联单元数。根据表1的数据，不难得到U t 的值。在干燥状态下，这个耐受电压值不难达到，关键是在污秽条件下的耐受水平。考虑到电压分布的不均匀性，上述计算需要考虑一个合适的安全系数，户内使用时这个安全系数可以取1.0，但根据文献[7]的数据，湿度大于70%时，这个安全系数应取适当取大一点。
标准GB/T 20993[6]规定，电容器的短时工频耐受电压为1.1BIL/√2，这样层间绝缘子的短时工频耐受电压为1.1×70/√2=55kV，这个电压很容易达到。为了尽量检出绝缘子的缺陷，笔者建议层间绝缘子的短时工频耐受电压根据爬距确定一个合理的工频耐受电压值。
3 均压问题研究
均压技术是直流滤波电容器组中最为关键的
技术，尤其是特高压电容器组。均压问题的引出实际上是由直流电压和交流电压的分布原理不同造成的。文献[1]对直流电容器单元中的均压问题进行了详细的分析，本文主要分析电容器组的均压问题，也就是分析层间绝缘子对电容器组均压效果的影响。
3.1 瓷质绝缘子对电容器组均压的影响分析
由于绝缘子表面的污秽电阻可能很小，所以绝缘子表面污秽电阻对确定特高压电容器组的均压
参数极为重要。资料[8]表明，绝缘子的污秽电阻可以按式（2）计算：
l
R y =ρ∫
dl
πD (l ) =ρf （2）
式中：R y —套管或绝缘子的污秽电阻；l —泄露距离；D —相当于某l 值的直径；ρ —污秽层的平均表面电阻系数；f —形状系数，与泄露电阻成正比。
由式（2）可知，如果绝缘子的等效直径为D 0，则
f = l/πD 0 （3）
式（3）表明，形状系数与泄露距离成正比，与等效直径成反比，即与套管的长径比成正比。因此，长径比大的套管抗污秽的能力强。这就是为什么在直流系统中规定爬电比距的同时往往有等效外径要求的原因。从式（3）可以看出，靠增加伞径来增加绝缘子的爬距是毫无意义的。
结合式（2）和式（3）可以看出，对于形状已经确定的绝缘子，绝缘子的污秽电阻与其表面的电阻系数成正比。如果各层绝缘子的污秽状况不一样，或潮湿程度不一样，绝缘子表面的泄漏就不一样[7]，会对特高压电容器组的层间电压分布产生极大的影响。
从以上分析可以看出，直流绝缘子的选取应有别于交流绝缘子，应更注重绝缘子的防污性能，也就是增加绝缘子的长径比。要增加绝缘子的长径比首先要在绝缘子的伞形尺寸上下功夫。能够增加爬距又不增加外径的伞形适合于直流绝缘子。 3.2 复合绝缘子对电容器组均压的影响分析
1996年后，复合绝缘子在电力系统中的应用已经很广泛[9]~[10]，特别是在交流系统中。我国对其制造技术、表面的积污特性也做了很多研究[11]~[14]。近年来，复合绝缘子在直流系统中的使用也很普遍，包括不平衡电流保护用的光电CT 的外套和悬式绝缘子等。由于硅橡胶表面具有憎水性，雨水难以在其表面形成连续的线或面，其表面的污秽电阻相对较大，对电容器组的电压分配的影响较小，所以较适合于用在直流滤波电容器组中。如果采用复合绝缘子，则爬电比距可以适当减小。目前复合绝缘子有瓷心和玻璃钢心两种。如果电容器组采用塔架式结构，应采用瓷心复合绝缘子，利用瓷质材料良好的抗压能力，提高电容器塔架的抗震能力。如果电容器组采用悬吊式结构，则应采用玻璃钢复合
2009特高压输电技术国际会议论文集 3
绝缘子，利用玻璃钢材料良好的抗拉能力，提高电容器整体结构的安全稳定性。但这种情况下应该注意，由于顶部的绝缘子需要承受800kV 的直流电压，需要采取一定的电场均匀措施[15]~[18]，延长硅橡胶的使用寿命。
4 保护问题研究
目前，高压直流滤波电容器组C1的内部故障不平衡保护方案主要有两种：一种是H 型接线，采用桥式差动电流保护；另一种是II 型接线，采用“横差”不平衡电流保护，如图2~3所示。下面我们来分析一下它们在特高压电容器组上应用的可行性。
图2 H 型接线示意
图3 II 型接线示意
要分析这两种接线方式的优劣，首先要确定直流滤波电容器组的保护整定原则。从文献[1]的分析可以知道，特高压直流滤波电容器单元的内部熔丝可以动作的根数很少，作为保护整定的依据显然有问题。考虑到均压电阻的存在，单元中的直流电压分布基本不受电容变化的影响，保护整定原则可以按单元中短路的元件串段数来确定。如果每个臂的单元只有1并，不难得到：
I 0/I =A
H
N 2(Nn −A )
（4） λ=
A
H Nn /2−A （5）
β=1+A
H Nn /2−A
=1+λH （6）
I A
0II /I N =2Nn −A （7）
λA
II =Nn −A （8）
βA
II =1+Nn −A
=1+λII （9）
式（4）~（9）中，N 为电容器组中单元的总
串联数；n 为电容器单元中元件的串联数；A 为击穿元件的串联数；λ为支路间的不平衡度；β为元件的过电压倍数；I 0为不平衡电流；I N 为额定电流。其中下标为“H”的为H 型接线的参数，下标为“II”的为II 型接线的参数。
从式（4）~（9）和表1的数据可以看出，由于特高压直流滤波电容器组的额定电压达到
1148kV ，以单元中元件电压为3.5kV 计算，电容器的串联元件数达到328串。虽然两种接线的不平衡电流与额定电流的比值差不多，但II 型接线对支路
间的不平衡度要求很高，按保护整定值与初始不平衡值的比达到4倍计算，这个值可能高到0.05%左右，相当于1K 左右的温度变化，这在工程上很难实现。所以特高压电容器组C1采用II 型接线的保护方式基本不可行，需要采用H 型接线，桥差不平衡电流保护。需要注意的是，由于直流滤波电容器组中的电流都是谐波电流，而常规的CT 只能测量基波电流，不能准确测量谐波电流，至少在谐波条件下对电流的测量精度是不够的。如果要采用谐波电流比值的整定原则，还需要采用光电式CT 或能
精确测量3/6/12次等谐波电流的电磁式CT ，常规
CT 难以满足这个精度要求。
此外，如果采用H 型接线，要特别注意CT 的表面污秽电阻对电容器组中直流电压分布的影响，以免恶化电容器组的运行条件。如果采用II 型接线，根据标准GB/T 20993[6]的原理图可以知道，由于CT 在低压端，通过电感接地，电感上没有直流电压，所以CT 本身基本没有直流电压的作用，不会对电容器组的电压分布产生影响。
5 抗震问题研究
直流滤波电容器组中电容器的数量比交流滤波器组中电容器的数量要少得多，按理不应该存在
4 特高压直流输电用直流滤波电容器组的设计问题研究
机械强度方面的问题，至少不会很突出。但从前面的分析可知，直流滤波电容器组的爬距要求很高，电容器组的层数很多，塔架的高度很高，所以塔架的稳定性问题，特别是在受风条件下的稳定性问题会比较突出，需要做深入的研究。为了解决稳定性问题，电容器组可以采用悬吊式结构。悬吊式结构的机械强度问题主要集中在顶部的悬式绝缘子上和横梁上。悬式绝缘子的选取既要考虑地震的影响，也要考虑风荷及摆动的影响，横梁应该针对具体的工程和设计要具体计算，必要时可以进行试验验证。
悬吊式结构虽然解决了电容器塔的稳定性问题，但检修问题将更为突出。由于电容器塔很高，又是悬吊式结构，给检修带来极大的困难，所以应根据实际情况确定是否采用。
随着等静压法（干法成型）绝缘子技术的成熟，电容器组采用塔架式结构成为可能。我们根据表1参数设计了一个特高压电容器组的塔架式设计方案，并对设计方案进行抗震计算，计算采用有限元梁模型进行。在抗震计算中分析了电容器组的地震荷载效应，地震荷载采用的是电力设施抗震设计规范[19]给出的反应谱法。抗震计算采用的水平加速度0.20g ，垂直加速度0.13g 。荷载组合包括了静力的自重、风荷载和地震荷载。抗震计算结果如表2所示。
表2 中软场地构件应力校核表（MPa ）
计算应力构件名称 容许应
安全力 风向X 风向Y
方向 方向
系数
落地绝缘子 51.51 9.91 8.95 5.20 层间绝缘子 39.79 12.93 9.57 3.08
台架 295.00 108.45 82.73 2.72 绝缘子底板及
螺栓
295.00 86.86 71.02 3.40
连接板 295.00 181.87 150.17 1.94 台架支撑 295.00 81.95 110.05 2.68
从表2可以看出，设计方案的最小安全系数是中软场地时底部连接板的1.94，完全可以满足抗震要求满足规范的大于1.67的要求。因此电容器组的设计可以满足抗8度地震的要求。此外，为了提高电容器组的抗震可靠性，还可以进行整个塔架的动力特性试验，以进一步验证。
6 结论及建议
6.1 由于爬距方面和均压方面的要求，电容器
组不能采用纵向双塔布置方式，只能用横向双塔或单塔布置方式。
6.2 层间的BIL/SIL很容易达到，层间的绝缘配合的关键是污秽和爬距；层间1min 直流耐受电压按式2.6×1.15×k ×U N 确定，层间绝缘子的短时工频耐受电压可以根据爬距确定一个合理的耐受值。
6.3 靠增加伞径来增加绝缘子的爬距是毫无意义的。在伞径和高度一样的情况下，能够增加爬距的扇形结构较适合于直流绝缘子。
6.4 复合绝缘子表面的污秽电阻相对较大，适合于用在直流滤波电容器组中。瓷心复合绝缘子适合在塔架式结构的电容器组中使用，玻璃钢复合绝缘子适合在悬吊式结构的电容器组中。
6.5 II型接线对支路间的不平衡度要求很高，所以采用II 型接线的保护方式基本不可行，需要采用H 型接线，桥差不平衡电流保护。但采用H 型接线，要特别注意CT 的表面污秽电阻对电容器组中直流电压分布的影响。
6.6 随着等静压法绝缘子技术的成熟，使特高压直流滤波电容器组采用塔架式结构成为可能。抗震计算表明，塔架式结构完全满足抗震要求。为了提高电容器组的抗震可靠性，还可以进行整个塔架的动力特性试验，以进一步验证。
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收稿日期：
2008-12-23。 作者简介：
左强林(1967—) ，男，广西贺州人，1990年7月毕业于西安交通大学，获工学学士学位，2004年12月获华中科技大学工程硕士学位。现为高级工程师，主要从事电力电容器技术研究工作；
左强林
马维勇(1971—) ，男，广西桂林人，1993年7月毕业于重庆大学，获工学学士学位。现为工程师，主要从事电力电容器技术研究工作。
马维勇