摘要：1 000 kV交流滤波电容器组是昌吉－古泉±1 100 kV特高压直流输电工程主要设备之一，用于消除1000 kV侧交流系统的谐波、补偿无功功率和改善系统的电压质量。从技术角度对1000 kV交流滤波电容器组研制进行较为全面的总结，通过采用线性插值法进行电容器组绝缘配合计算分析，推导出电容器塔底部对地绝缘水平(LIWL/SIWL)的计算公式，采用有限元分析软件ANSYS建立有限元仿真模型验证电容器组的抗震性能和电场强度。对电容器单元不同的降低噪声方案进行噪声测试，对比分析得到降噪效果、经济性和安全性最优的降噪方案。结果表明：1 000 kV交流滤波电容器组设计和制造满足±1 100 kV特高压直流输电工程要求，电容器组可以安全可靠运行。
关键词：±1 100 kV特高压直流输电,1 000 kV电容器组,绝缘配合,电场强度,噪声
0引言
为实现3000 km以上远距离、大容量、低损耗、占地省的电力输送目标，需要研究更高电压等级的直流输电技术。昌吉－古泉±1 100 kV特高压直流输电工程是电压等级高、输送容量大、送电距离远、技术水平先进的直流输电工程[1-5],其中受端±1 100 kV古泉换流站采用分层接入1000 kV/500 kV方案[6],需要配置1000 kV交流滤波电容器组，主要功能是消除1000 kV侧交流系统的谐波、补偿无功功率和改善系统的电压质量。由于该工程1000 kV交流滤波电容器组是以往直流输电工程交流场中电压等级高、绝缘水平高、额定电压和安装容量大的交流滤波电容器组，其绝缘配合、抗震性能、电场强度、电容器组噪声等技术问题比较突出，在研制过程中需要着重解决。
目前国内外对500 kV及以下电压等级的交流滤波电容器组研究较多，技术相对成熟，而对±1 100 kV特高压直流输电工程1000 kV交流滤波电容器组研究较少。本文通过对1000 kV交流滤波电容器组绝缘配合进行计算分析，建立有限元仿真模型验证电容器组的抗震性能和电场强度，并对电容器单元不同的降低噪声方案进行噪声测试对比分析，从技术角度全面概述1000 kV交流滤波电容器组的研制成果。
1绝缘配合
1 000 kV交流滤波电容器组，由于电压等级和绝缘水平很高，如果采用单塔布置方案，整个电容器塔架高度将达到25 m,满足不了高压一次进线和运行检修要求。因此采用高、低压塔串联双塔布置方式，降低1000 kV交流滤波电容器组总高度，其中高压塔11层，低压塔11层，高压塔和低压塔之间通过铝合金管母串联连接。电容器组一次电气接线为88串4并，共有352台电容器单元，每层16台电容器单元分成前后排尾对尾卧放布置，如图1所示。
图1 1 000 kV 交流滤波电容器 组安装示意图
按照以往经验，1000 kV交流滤波电容器组的绝缘配合，主要是短时工频耐受电压、爬距和LIWL/SIWL等，这些都可以根据表1所示的电容器组参数，按照标准GB/T20994[7]计算出来，本文不再赘述。但标准中并没有给出高、低压电容器塔底部对地绝缘水平(LIWL/SIWL)的计算方法，若按照文献[8]的估算方法，得到的绝缘水平值过高，不利于电容器组设计和制造，经济技术性能差。
通过研究发现，1 000 kV交流滤波电容器组安装于中性点接地系统，电容器组中每台电容器单元的额定电压和电容值都相同，电容器组从低压端对地绝缘水平到高压端对地绝缘水平(LIWL/SIWL),是随着电容器单元串数而逐级递增，因此可以根据表1电容器组高压端对地和低压端对地绝缘水平，采用线性插值法计算出电容器塔底部对地的绝缘水平：
式中：UM为电容器塔对地支柱绝缘子的绝缘水平(LIWL/SIWL);K为不均匀系数；UH为电容器组高压端对地绝缘水平(LIWL/SIWL);UL为电容器组低压端对地绝缘水平(LIWL/SIWL);S为电容器组总串联数；S L为电容器塔底部至低压端的串联数；M为海拔修正系数（根据标准GB311.1[10]确定）。
研究发现1000 kV交流滤波电容器组高、低压塔底部对地绝缘水平(LIWL/SIWL),按照式(1)计算，但实际选取电容器塔底部支柱绝缘子的绝缘水平时，同时还要考虑以下3点：一是由于电容器组各串联段的电容之比最大为1.05,因此要考虑1.05的不均匀系数，再结合高压端对地爬电距离计算出的高、低压塔对地支柱绝缘子爬电距离，选取合适的支柱绝缘子；二是要考虑电容器台架电位与电容器塔出线端的电位差别，S L增加2串电容器单元的绝缘水平；三是技术规范给出的低压端对地绝缘水平并不是低压塔底部对地的绝缘水平，低压塔底部对地绝缘水平也应按式(1)计算。
2抗震性能
影响1000 kV交流滤波电容器组抗震性能最大的两个参数是电容器塔架高度和质量，根据±1 100 kV工程的要求，采用以上串联双塔结构设计，1 000 kV交流滤波电容器组塔架高度16.5 m,总质量76 t,电容器组塔架采用格构式抗震结构[11],在满足现场尺寸限值的前提下，增大支柱绝缘子根开，并选用棒芯直径更大的高强瓷支柱绝缘子和高标号型钢，提高电容器组整体抗震性能。
根据±1 100 kV特高压直流工程及国标的要求，抗震校验条件按8度烈度，水平加速度0.2g,垂直加速度为0.16g;最大风速35 m/s;覆冰厚度20 mm;接线端子拉力水平纵向分量5000 N、垂直分量3000 N、水平横向分量3000 N。采用大型有限元分析软件ANSYS验算分析1000 kV交流滤波电容器组塔架抗震性能问题，首先建立仿真实体模型，然后应用有限元分析法，对电容器组的地震荷载效应进行计算分析，地震载荷采用Q/GDW11132计算规程[12]给出的反应谱法进行计算，荷载组合包括自重、风荷载、冰荷载、端子拉力和地震荷载。
有限元仿真计算结果表明：1 000 kV交流滤波电容器组塔架前5阶固有频率分别为1.00、1.00、1.70、1.70、2.28 Hz;抗震校验条件下电容器组塔架顶部最大位移0.055 m;电容器组中应力最大是电容器组底部与地面固定的地脚螺栓，最大应力246.35 MPa,小于其容许应力500 MPa;支柱绝缘子最大应力为37.96 MPa,应力最小安全系数2.37,大于标准GB50260[13]要求1.67;以上仿真计算结果均在安全范围内，满足±1 100 kV特高压直流工程0.2g水平加速度抗震强度要求。
3电场强度
±1 100 kV特高压直流输电工程运行工况复杂，需要降低1000 kV电容器组表面电场强度[14-16],将管母和均压环设计成环形封闭结构，增大管母和均压环的直径，提高各部件表面光滑平整度。为保证1000 kV电容器组在投运时没有电晕，电容器组电场强度须满足3个条件：
一是电容器组各部件都不超过其电晕起始电场强度，电晕起始电场强度可以根据比克(F W Peek)提出的不同电极结构的Ec经验公式来计算[17];二是满足文献[18]和文献[19]规定：在海拔不超过1000 m地区的导体表面电场强度最大值应控制在20 kV/cm（峰值）的范围内，即有效值15 kV/cm;三是不超过±1 100 kV特高压直流工程限值12 kV/cm（有效值）。鉴于3个条件中最严格的是12 kV/cm（有效值），因此电容器组电场强度仿真校验按限值12 kV/cm（有效值）。
由于1000 kV交流滤波电容器组，在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，在ANSYS仿真模型中，可以按静电场模型进行分析。1 000 kV交流滤波电容器组中高压塔和低压塔布置结构基本相同，由于高压塔的对地电位高，其表面最大电场强度必然高于低压塔，因此，只要计算出高压塔表面电场强度满足要求，低压塔表面电场强度也必然能满足要求。以高压塔作为电容器组电场强度仿真计算对象，进行三维建模。考虑到高压塔布置结构较为对称，为减小运算量，采用建立1/4模型的方法以计算电场强度分布情况。
对1000 kV交流滤波电容器组中的高压塔建立有限元模型，采用渐近边界条件处理开域问题，这样不仅较好地解决有限元计算中遇到的开域问题，而且保持了有限元方法的优点和程序的通用性。计算交流电压作用下的电场使用Solid122单元，为20节点的六面体结构，采用静电场计算电场分布情况，仅需要定义材料的介电常数。
由于有限元模型中较多部件为不规整单元，因此对整体结构采用“Free”的自由剖分形式，这样可以方便有效地实现对不规整空气的剖分。最终的1 000 kV交流滤波电容器组高压塔有限元仿真模型整体电场强度分布结果如图2所示，电容器组及各部件最大电场强度如表2所示。
图2 1 000 kV 交流滤波电容器组整体电场强度分布
根据仿真计算结果可以看出：1 000 kV交流滤波电容器组各部件电场强度都小于其电晕起始电场强度；电容器组最大电场强度位于高压塔顶层（第22层）的均压环；电容器组最大电场强度为9.45 kV/cm（有效值），小于 ±1 100 kV特高压直流工程12 kV/cm（有效值）限值，且有足够的设计安全裕度，可以确保1000 kV交流滤波电容器组投运时不会产生电晕。
4噪声
1 000 kV交流滤波电容器组噪声，主要来源于单个电容器单元，而电容器单元噪声源自电容器元件的极板在谐波电流的作用下，产生有规律的机械振动，再通过电容器单元内部绝缘介质苄基甲苯和心子绝缘支架传递到不锈钢外壳，不锈钢外壳振动产生噪声。电容器组中所有电容器单元噪声，叠加在一起向外辐射声功率，从而对周围环境产生噪声污染，因此降低电容器组噪声，主要是降低电容器单元噪声。
根据1000 kV交流滤波电容器组技术参数和运行工况，可以采取的降噪措施有：一是从引起电容器元件振动的谐波源入手，优化1000 kV交流滤波电容器组设计参数，增加电容器并联数，减小电容器单元谐波电流的流入，从而减小噪声；二是根据电容器噪声传播特性，在电容器单元内部增加密封的隔声空腔（图3);三是在电容器单元外壳顶部和底部增加隔声罩（图4);四是在电容器单元外面增加隔声挡板（图5),阻隔声音的传播。
为了兼顾电容器组内部故障保护高可靠性，1 000 kV交流滤波电容器组已按最大4并设计，1 000 kV交流滤波电容器组主要谐波电流为1次、23次和5次，这是电容器单元噪声较敏感的谐波频率，如果不采取其他降噪措施，电容器单元实测噪声声压级达到68 dB,超过技术要求值的55 dB。对分别采用以上3种降噪措施的电容器单元根据标准GB/
T32524.1[20]加载谐波电流进行噪声测试，测试结果表明电容器单元外壳顶部和底部增加隔声罩降噪措施，其降噪效果、经济性和安全性最优，电容器单元实测噪声平均声压级为53.7~54.0 dB,满足不超过55 dB的要求。
图5 电容器单元外壳隔声挡板
通过对1000 kV交流滤波电容器组降低噪声的研制发现：(1)隔声罩会影响电容器单元散热，设计隔声罩需验证在环境温度55℃试验条件下电容器单元心子最热点温度小于78℃;(2)隔声罩需要根据谐波电流选取合适的高度，高度差1.5 mm会导致噪声测试结果有3~4 dB差异；(3)隔声罩的密封性能对噪声影响较大，可以采用模具一次冲压成型，并在隔声罩内壁粘贴橡塑板，隔声罩与外壳缝隙用密封垫圈和硅胶进行密封，防止缝隙进入雨水，影响降噪效果；(4)需要保证隔声罩机械性能良好，安装和运输过程中不会变形和松动。
5结束语
(1)电容器塔对地绝缘水平是关键技术之一，其按式(1)的线性插值法，计算电容器塔对地绝缘更准确，满足±1 100 kV特高压直流工程要求。
(2)1 000 kV交流滤波电容器组采用格构式结构，满足0.2g水平加速度抗震强度要求。
(3)研究1000 kV交流滤波电容器组的管母和均压环发现，采用环形封闭结构，电容器组最大电场强度为9.4 kV/cm（有效值），小于±1 100 kV特高压直流工程12 kV/cm（有效值）限值，可以确保电容器组投运时不会产生电晕。
(4)通过对电容器单元不同的降噪措施进行噪声测试，采用电容器单元外壳顶部和底部增加隔声罩降噪措施，实测噪声平均声压级为53.7~54.0 dB,满足不超过55 dB的要求。
以上研究为±1 100 kV特高压直流工程的建设提供了理论依据，1 000 kV交流滤波电容器组从2019年9月投运至今运行情况良好，也进一步证明了研制技术是正确的。
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