舟山柔直直流斷路器用電容器運行評價

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

VSC-HVDC（柔性直流）輸電系統(tǒng)無法實現(xiàn)直流故障的快速清除，一旦局部發(fā)生故障，系統(tǒng)中所有換流站必須停止運行，多端柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用因此受到了制約。

為了更好地掌握直流斷路器器運行狀態(tài)與電氣特性，同時解決工程運行過程中存在的問題，國家電網(wǎng)公司決定開展直流斷路器在舟山柔直工程中的商業(yè)化應(yīng)用。2016年12月29日首套直流斷路器在舟山工程正式投入工程運行，不僅能實現(xiàn)故障后健全直流子系統(tǒng)穩(wěn)定運行和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、大幅降低故障電流對換流站設(shè)備和交流系統(tǒng)的沖擊、保障系統(tǒng)設(shè)備安全，還能實現(xiàn)換流站和線路的快速帶電投退，并在系統(tǒng)故障清楚后實現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動。舟山柔直高壓直流斷路器采用機械開關(guān)和電力電子器件相結(jié)合的混合式拓?fù)洌~定電壓200 kV，額定電流2 kA，短路電流分?jǐn)嗄芰?5 kA，分?jǐn)鄷r間3 ms，暫態(tài)電壓300 kV，實現(xiàn)雙向故障電流的快速無弧分?jǐn)唷１疚膶ν哆\近3年的2臺斷路器主支路的直流支撐及轉(zhuǎn)移支路吸收電容器進(jìn)行了應(yīng)力分析和抽檢試驗，歸納總結(jié)了設(shè)備運行評價流程，可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)運行。

1 直流斷路器

基于快速機械開關(guān)和全橋（H橋）模塊級聯(lián)的混合式直流斷路器，主要由3條并聯(lián)支路構(gòu)成，分別為主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路（見圖1），主支路用于導(dǎo)通系統(tǒng)負(fù)荷電流，由快速機械開關(guān)和少量全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，通態(tài)損耗低；轉(zhuǎn)移支路用于分?jǐn)嘞到y(tǒng)短路故障電流，由多級全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成；耗能支路由避雷器組構(gòu)成，用于吸收系統(tǒng)短路電流并抑制分?jǐn)噙^電壓（1.5 p.u.）[10-12]。

圖1 直流斷路器的構(gòu)成框圖

直流斷路器運行原理為：穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)負(fù)荷電流經(jīng)主支路導(dǎo)通；當(dāng)發(fā)生直流短路故障時，主支路全橋模塊中IGBT關(guān)斷，電流向轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移；主支路電流迅速下降直至0（約150μs），分?jǐn)嘀髦返目焖贆C械開關(guān)，2 ms后快速開關(guān)打開足夠開距，能夠耐受直流斷路器1.5 p.u.的暫態(tài)分?jǐn)嚯妷?，此時閉鎖轉(zhuǎn)移支路，使得短路電流向轉(zhuǎn)移支路全橋模塊電容充電，直流斷路器兩端電壓迅速升高；當(dāng)直流斷路器兩端電壓達(dá)到避雷器保護(hù)水平時，短路電流全部轉(zhuǎn)移至耗能支路，避雷器吸收故障系統(tǒng)電感儲存能量直至電流過零，完成故障電流分?jǐn)嗪凸收宵c隔離，如圖2所示。

圖2 直流斷路器工作原理

2 直流斷路器用電容器

2.1 供貨參數(shù)

主支路的直流支撐及轉(zhuǎn)移支路吸收電容器均采用自愈式金屬化聚丙烯薄膜材料，其中聚丙烯薄膜作為絕緣介質(zhì)，金屬化鍍層作為極板。主支路和轉(zhuǎn)移支路電容器的技術(shù)要求如表1所示。

表1 主支路和轉(zhuǎn)移支路電容器的技術(shù)參數(shù)

在舟定換流站安裝的2組直流斷路器的主支路的直流支撐電容器及轉(zhuǎn)移支路吸收電容器分別由A和B供應(yīng)商提供。主支路支撐電容參數(shù)2個產(chǎn)品略有不同，轉(zhuǎn)移支路電容參數(shù)相同，外形尺寸基本相同。通過調(diào)研可知，2家制造商的工藝基本相同，均采用真空固體介質(zhì)灌封。主要區(qū)別為A電容填充樹脂，B電容填充聚氨酯。在缺少備品備件的情況下，存在應(yīng)急互換的可行性。

2.2 電容器容量衰減與電壓應(yīng)力

舟山直流斷路器電容器導(dǎo)通電流運行工況下，電容電壓和電流為0。直流斷路器正常分?jǐn)喙r下，電容承受暫態(tài)電壓（峰值3.6 kV）和電流（峰值15 kA）沖擊示意圖如圖3所示。

圖3 電容器工作電流和電壓示意

直流斷路器斷態(tài)下，電容經(jīng)兩端并聯(lián)電阻泄放至0，時間常數(shù)為14 s。

電容器從0充電峰值至4 kV DC后，降至3.6 kV DC至機械開關(guān)動作，電容器電壓降至0，整個過程小于90 s，整個壽命周期動作6 000次，折合連續(xù)通電時間為150 h，其他不可重復(fù)過電壓為5 kV 15 s?，F(xiàn)產(chǎn)品已完成通電70℃，5 040 V DC，300 h的耐久性試驗（最大容量損失1.96%，已經(jīng)可以完全覆蓋全壽命周期中電容器通電時電介質(zhì)老化過程的要求根據(jù)實際數(shù)據(jù)記錄結(jié)果，150 h時容量衰減為0.85%）。根據(jù)產(chǎn)品過電壓耐久性試驗結(jié)果推算，基于過電壓壽命的公式為：

式中：tv為v電壓下壽命；tV為V電壓下壽命。

根據(jù)現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)，1.4倍過電壓條件下，容量衰減2%的時間為300 h，計算壽命為65 300 h。按照40年6 000次每次90 s計算，每10年容量衰減應(yīng)小于0.1%。

電容器在承受沖擊電流時可能會出現(xiàn)介質(zhì)極化過程中的絕緣擊穿及電極噴金連接腐蝕現(xiàn)象，為此產(chǎn)品也完成了5次在非可重復(fù)電壓5 kV條件下的短路放電及4 kV，15 kA放電11 000次，均已完全覆蓋電容器在整個壽命周期條件下沖擊電流使用工況（根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，5次短路放電容量衰減0.07%，11 000次放電后容量衰減1.48%，按照后6 000次計算容量衰減0.95%，即理論全負(fù)載條件下每10年容量衰減應(yīng)小于0.15%）。

2.3 實際運行工況

舟山直流斷路器自投運以來主支路的直流支撐及轉(zhuǎn)移支路吸收電容器實際考驗次數(shù)、特別是轉(zhuǎn)移支路吸收電容器的有效使用次數(shù)（考慮分?jǐn)喙收想娏鳎?次。

2018年11月23日，定岱線分別發(fā)生正負(fù)極海纜單極接地故障，在10 ms內(nèi)識別故障，阻尼恢復(fù)系統(tǒng)和直流斷路器正確隔離故障，健全系統(tǒng)在509 ms內(nèi)快速恢復(fù)。2019年3月29日，舟山工程發(fā)生雙極短路故障，在2.7 ms內(nèi)分?jǐn)?.58 kA故障電流。如圖4、圖5所示。

2019年5月開展了直流斷路器短路試驗，進(jìn)行了正極接地、負(fù)極接地、雙極短路共3次試驗，結(jié)果顯示，單極接地情況下，直流斷路器開斷故障電流峰值為1.007 kA，開斷時間為2.7 ms，對地電壓峰值達(dá)到380 kV，雙極短路情況下，開斷短路電流峰值為5.724 kA，開斷時間為2.7 ms，暫態(tài)開斷電壓峰值為300 kV，經(jīng)受最大電壓變化率為190 kV/μs、最大電流變化率為1.1 kA/μs。

圖4 單極接地故障波形

圖5 雙極短路故障波形

通過實際工況分析，判斷支撐電容和轉(zhuǎn)移支路吸收電容器的電壓、電流峰值水平均未超過設(shè)備訂貨技術(shù)規(guī)范要求。

3 電容器試驗

按照GB/T 17702—2013《電力電子電容器》，檢測電容器經(jīng)一段時間運行后的性能是否發(fā)生了變化，對投運近3年的2臺斷路器主支路的直流支撐及轉(zhuǎn)移支路吸收電容器進(jìn)行抽檢試驗。通過試驗抽測部分電容器的性能參數(shù)，核實是否發(fā)生自愈繼而造成容量衰減、固體介質(zhì)的劣化情況。試驗數(shù)據(jù)詳見表2、表3。

表2 轉(zhuǎn)移支路電容器試驗數(shù)據(jù)

表3 主支路電容器試驗數(shù)據(jù)

電容器出現(xiàn)介質(zhì)擊穿首先與填充材料長期在直流電場作用下的老化相關(guān)，隨著填充材料老化加劇，介質(zhì)耐電強度降低，出現(xiàn)介質(zhì)擊穿，發(fā)生自愈繼而造成容量衰減。本次試驗只能比對各臺電容器的例行試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場抽測值，反映的是設(shè)備運行工況對電容器發(fā)生自愈造成的容量衰減考核結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對舟山柔直工程直流斷路器用電容器進(jìn)行運行評價，歸納總結(jié)了設(shè)備應(yīng)用評價流程如下：

（1）設(shè)備資料完整性評價。依據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范對設(shè)備的性能指標(biāo)、備品備件、資料移交等進(jìn)行的檢查與確認(rèn)。

（2）運行工況評價。根據(jù)每次直流斷路器開斷動作時的錄波圖，判斷支撐電容和轉(zhuǎn)移支路吸收電容器的電壓、電流峰值水平是否超過設(shè)備訂貨技術(shù)規(guī)范要求，如有越限情況，應(yīng)立即對設(shè)備進(jìn)行試驗評價；如沒有越限，應(yīng)待整個運行檢修周期結(jié)束進(jìn)行試驗評價。根據(jù)電容器實際考驗次數(shù)，特別是轉(zhuǎn)移支路吸收電容器的有效使用次數(shù)（考慮分?jǐn)喙收想娏鳎?，評價運行期間是否存在超過設(shè)計要求的電氣應(yīng)力水平。

（3）進(jìn)行試驗評價。電容量測試的準(zhǔn)確度要求為優(yōu)于0.2%；介損測試的準(zhǔn)確度要求為優(yōu)于10%；端子間的耐壓試驗，按自愈式直流電容器的要求施加1.5直流額定電壓，歷時10 s。

（4）出具評價結(jié)果。