直流支撑电容器交直流叠加试验回路搭建及参数选取探讨

邓光昭，黄葵，王文宝

（嘉善赛晶电容器有限公司，浙江 嘉善 314100）

0 引言

近几年，随着我国柔性直流输电系统、轨道交通等能源系统的发展，直流支撑电容器（以下简称“电容器”）在我国的应用愈来愈广泛[1-8]，该类电容器的使用工况中，往往伴随着大量的谐波电流，即电容器处在交直流叠加的运行工况下[9~12]。

电容器使用的金属化膜在交流和直流下具有完全不同的绝缘强度，为探究电容器实际运行时，介质薄膜的绝缘强度，就必须对电容器开展交直流叠加试验验证[13~17]。目前该类干式直流电容采用的标准为IEC 61071、和GB/T 17702，标准中对于耐久、破坏[18~19]等关键试验的考核要求均为纯直流下进行或者交、直流分步进行。但相对而言，交直流叠加同时进行试验更符合实际工况要求[20]，更能考验电容器的实际运行耐受水平。

以柔直用干式直流支撑电容器为例，目前其常规电压等级为2.8 kV，电容量达到9 mF 甚至更高。若采用电力电子技术，以IGBT 整流、逆变并配合高绝缘等级的变压器的形成交直流电源，整套电源设备的售价超过300 万元，成本太高，对于电容器制造厂家而言经济压力过大，很难实现。本文利用常用的试验设备，对交直流叠加试验回路的搭建及设备参数选取提供一些思路，在增加少量设备成本的前提下，满足上述直流支撑电容交直流叠加试验的输出要求，实现成本可控、试验稳定可靠的目的。

1 独立的交流、直流试验回路搭建原则

1.1 交流试验回路

干式直流电容器的电容量较大（一般为mF级），试验中往往使用工频试验电源，电压低而电流大，因此交流回路中需配备电抗器用以保证整体电路的功率因数，降低变压器侧的有功电流，避免变压器容量过大。试验回路见图1。

图1 交流试验回路Fig.1 AC test circuit

干式直流电容器的交流试验回路主要由主电源、调压器、变压器、保护电阻、电抗器、试品电容器及测量设备组成。

1.2 直流试验回路

直流试验回路搭建过程中，需考虑保护电阻阻值的选取，依据RC 电路的电容充电计算公式（式1），过大的电阻会降电容器的升压速度，但保护电阻过小将无法有效限值短路电流。试验回路见图2。

图2 直流试验回路Fig.2 DC test circuit

式中：Ut为电容电压，V；U0为电源电压，V；RZ为保护电阻，Ω；C 为试品电容，F。

直流试验回路主要由主电源、调压器、变压器、保护电阻、硅堆、试品电容器及测量设备组成。

2 交直流叠加试验回路

2.1 回路搭建

交直流试验回路是在交流试验回路和直流试验回路的基础上，进行组合和优化。

由于在干式直流电容器进行试验时，交流分量仅占总电压的10%左右，直流端设备电压接近交流段的10 倍[21-22]，以直流端视角来看，交流回路中的电抗器、交流变压器副边电阻极小，电容与2 个等效的低值电阻并联，极易造成直流设备短路乃至烧毁，需在交流端输出尾端增加隔直电容用以阻隔直流电压直接施加于交流设备上。

以交流端视角来看，试品电容器经硅堆与直流变压器副边并联，此时直流变压器副边两端有两部分电压，一部分为源于直流变压器原边的感应电压，一部分为交流端输出电压的负半波；为阻碍交流端负半波进入直流回路，需在直流端输出尾端增加隔交电感。交直流叠加试验回路见图3。

图3 交直流试验回路Fig.3 AC/DC test circuit

2.2 隔直电容的选取

隔直电容器的加入可以阻隔直流电压进入交流回路，但同时也会降低试品电容器两端的交流电压，交流回路中的电压往往由各部分的阻抗所决定。容抗可以根据式（2）进行计算，由此可以推算，隔直电容器两边的电压见式（3）

式中：Ct为试品电容，F；CG为隔直电容，F；ω为角频率（2πf）。

由式（3）可知，隔直电容越大，试品两端的电压越大，即隔直电容器分压越少。除此之外，应注意电抗器的匹配，在增加隔直电容器后，总电容为试品电容与隔直电容的串联，公式为

应根据总电容选择电抗器的电感值，避免出现失谐的情况。

2.3 隔交电感的选取

隔交电感的主要作用是增加直流端的阻抗，从而降低交流负半波在直流回路中产生的电流，因此电感的选择取决于直流变压器副边的电感以及直流侧的可耐受电流。直流端中由交流回路产生的电流为

式中：LG为隔交电感，H；Lz1为直流变压器副边电感，H；Rz为直流保护电阻，Ω。

由式5 可知，在变压器副边电感足够大时，可以不使用隔交电感器。

3 放电回路

电容的直流试验均需考虑试验完成后的放电回路，干式直流电容器的电容往往为mF 级，储存的能量达几十甚至几百千焦，不匹配的放电电路将影响试验人员及设备的安全。

相比于直流耐压试验，交直流叠加试验中增加了隔直电容器，隔直电容器在试验过程中具有与试品电容器相同的电压，且为了确保试品电容器的交流电压值，隔直电容器往往使用相比试品电容器更大的电容，储存的能量也就更多。

为防止电容放电过程的涌流流入电源侧，在图3的基础上，增加S1、S4两个回路开关，在执行放电操作前，分断电源侧。由于隔直电容与试品电容的电压相等，高压端与低压端均为等电位，因此增加开关S2，将隔直电容器与试品电容器调节为并联状态，使用开关S3经电阻对电容器执行放电，回路见图4。

图4 放电回路Fig.4 Discharge circuit

放电电阻应选用高功率电阻，避免电容放电过程中的瞬时电流造成电阻损坏。

4 试验验证

为有效验证上述回路搭建方法与参数选取的有效性，在此以规格为2.8 kV/8 mF 的直流支撑电容作为试品，搭建交直流叠加试验回路。

4.1 隔直电容设计

根据2.2 章节所述，隔直电容的容值应尽可能大，并且还需要考虑电抗器的匹配能力。在本次试验回路搭建中，选取4 台型号规格为2.8 kV/9 mF的直流支撑电容作为隔直电容使用，4 台电容的电气联接为2 串2 并，由此可得隔直电容的总电容值仍为9 mF。从图3 可知，在直流回路中，隔直电容与试品电容为并联关系，所以每台2.8 kV/9 mF 的电容在进行交直流叠加试验时，其极间承担的直流电压仅为试品电容的一半。而在交流回路中，隔直电容与试品为串联关系，但隔直电容本身为2 并联接，所以每台隔直电容通过的电流也仅为试品电容的一半。如此就可以确保在试验过程中，每台隔直电容的运行条件仅为试品电容的一半，可保证其安全、稳定可靠运行。

4.2 隔交电感

利用厂内现有库存，选择一只额定电压为11/ 3 kV，单相配套容量为4 Mvar 的干式放电线圈作为隔交电感。根据式（5）可知，当试品要求的交流电压U0为280 V 时，通过直流回路中的交流电流值大约为35 μA 左右，远小于直流侧的可耐受电流1.1 A。

4.3 小结

本次试验回路利用2 串2 并共计4 台2.8 kV/9 mF产品作为隔直电容，以额定电压为11/ 3 kV，单相配套容量为4 Mvar 的干式放电线圈作为隔交电感，搭建交直流试验平台回路。回路搭配4 只2 kΩ的放电电阻对隔直电容、试品电容同时放电。

该回路针对2.8 kV/8 mF 等产品进行交直流叠加试验时长初略估计超过3 000 h，试验回路运行正常、安全可靠，隔直电容为出现电容损失，隔交电感亦无异常。并且该回路使用的隔直电容、隔交电感去来自于厂内库存，有效降低了柔直用直流支撑电容研发试验的设备成本[23]。

由此可见，该试验回路的搭建是安全、可靠且低成本的，并且是可以有效持续、长期运行的。

5 结语

通过对直流支撑电容器交直流试验回路的研究，得出以下结论：

1）工频交流侧必须配备电抗器；

2）交流侧需配备隔直电容；

3）直流侧需配备隔交电感；

4）放电回路中需配备对应的回路开关，在放电之前将交、直流电源隔离。