特高压交流输变电装备最新技术发展

       特高压工程大规模建设，核心装备是关键。为促进特高压交流输电技术的进一步发展，对特高压交流变压器、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、串联补偿装置和避雷器等关键装备的最新技术发展进行了总结和展望。结果表明：特高压变压器应选择局部放电概率为1‰时的电场强度允许值作为许用场强；采用器身端部磁屏蔽、油箱电屏蔽、油箱磁屏蔽、采用不导磁钢板等漏磁控制措施可有效降低1500MVA大容量特高压变压器的漏磁和温升；特高压断路器的开断能力可达63kA，采用基于“三回路法”的合成试验回路可突破试验设备限制，完成1100kV断路器开断试验；明确了通过在“立式”隔离开关静触头侧安装阻尼电阻来限制VFTO的幅值和频率；提出了从持续运行电压的角度出发，特高压避雷器的额定电压降低到780kV是安全的。未来特高压交流输变电装备应在高可靠性、大容量、新工作原理和性能参数优化等方面进行深入研究。

　　特高压交流变压器、开关设备、串补装置和避雷器是特高压交流输电工程的主要核心装备，本次将重点对这4类设备的最新技术发展进行梳理和总结。

　　特高压气体绝缘金属封闭开关设备发展

　　我国的特高压变电站均采用特高压GIS，由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器和母线等设备构成。前期，国内制造企业和国外企业合作研发了特高压GIS，额定短路开断电流为50kA，于2009年在晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程成功投入运行。2011年后，国内开始着手特高压GIS国产化和技术提升工作，研制出短路开断能力63kA的产品，投入特高压交流试验示范工程扩建工程运行。随后，实现了特高压断路器操动机构、盆式和支撑绝缘子的国产化，在皖电东送和浙福特高压交流输电工程中大量应用，技术参数达到国际领先水平。

　　特高压GIS研制过程中，特高压断路器、隔离开关、盆式绝缘子等部件的研发，以及大短路电流开断、特快速瞬态过电压（VFTO）抑制和高绝缘设计等是关键难题，下面进行分别介绍。

　　1.特高压断路器

　　特高压断路器电压高，短路开断电流大，直流分量衰减时间常数达120ms，开断困难；需建立等效实际开断工况的试验回路，对开断试验提出了更高要求，需要开展绝缘、短路开断和试验技术研究。国内对断路器的绝缘性能、开断能力和试验技术等开展了深入研究，研制出双断口/四断口、开断能力63kA的特高压断路器。

　　1）绝缘性能

　　根据断路器内部结构，结合SF6、环氧树脂、陶瓷等材质不同介电常数，建立了电场仿真模型，对绝缘特性进行了分析计算，见图6。灭弧室断口的计算条件为一端施加2400kV雷电冲击电压，另一端施加反极性峰值为635kV的工频电压，即900kV，这是最为苛刻的条件。根据电场要求对产品结构进行优化设计，试验验证满足了绝缘要求。

　　2）开断能力

　　在开断能力50kA断路器的基础上，对灭弧室结构进行优化设计。综合考虑分闸速度、压气室容积、喷口形状及开断电流等条件的影响，对断路器开断63kA短路电流过程中的气体压力进行了仿真计算分析，气压分布见图7，压气室和喷口处获得了较高的、理想的气压。通过断路器样机进行的性能验证试验，对分闸速度、燃弧时间、燃弧区间、预击穿时间等参数进行了改进设计。型式试验结果表明，研制的特高压断路器具有优越的大短路电流开断能力。

　　3）操动机构特高压断路器采用大功率液压操动机构，对操作特性及稳定性提出了很高要求。在开断能力50kA的特高压断路器用液压机构基础上，按照模块化设计，增大机构输出功率，采用大流量快动阀、集成式多级缓冲系统及格来圈、斯特封形式的密封结构，通过优化各结构参数，获得了优异的机械特性，同时具有操作速度可调的优点。

　4）短路开断试验技术

　　我国特高压断路器的短路开断试验采用电流引入合成试验方法，试验时适当调整电压源的引入电流和频率以满足零区考核等价性的要求。当额定电压高于800kV时，电流引入法的试验设备达到极限，不能满足特高压断路器的整极试验要求。为此，提出了一种“三回路法”的合成试验回路，试验接线见图8。在大电流阶段，通过试品的电流由电流源提供，过零开断前适当时刻第1套电压回路投入，被试断路器中流过由电流源和第1套电压回路共同提供的电流；试品过零开断后，由第1套电压回路在断路器一端提供TRV起始的部分，在此TRV上升到一定阶段时，第2套电压回路投入，同时施加在断路器另一端与外壳，两套电压回路的电压叠加，共同构成施加在试品两端的恢复电压，且满足对壳体的全电压考核；回路切换中，应确保电流零区的等价性要求。“三回路法”合成试验回路等价性好、安全性高，成功完成了1100kV断路器的T100s和T100a的整机开断试验。

　　2.隔离开关

　　特高压设备绝缘可靠性要求高，操作过电压抑制更加重要，隔离开关操作引起的特快速瞬态过电压（VFTO），具有幅值高、上升时间短和连续多次脉冲等特点，对绝缘威胁较大，需采取合理措施限制。特高压GIS隔离开关主要有两种结构型式。“立式”隔离开关操作速度较快，产生的VFTO幅值较高。“立式”隔离开关在静触头侧安装VFTO阻尼电阻，如图9所示，隔离开关分合闸过程中，阻尼电阻被串入放电回路，有效抑制触头间隙重复击穿过程中的高频振荡，从而限制VFTO幅值和频率。“卧式”隔离开关操作速度较慢，产生的VFTO幅值较低，未安装阻尼电阻。

       3.盆式绝缘子

　　盆式绝缘子给高压导体提供绝缘支撑并分割气室，是特高压GIS的关键绝缘部件。近年来开展了特高压盆式绝缘子的国产化及质量提升，通过分析盆式绝缘子产生缺陷的类型和原因，对盆式绝缘子进行了结构优化设计，电场分布如图10，应力分布如图11所示。对生产工艺进行了完善、调整，使得盆式绝缘子的机械和电气综合性能达到了较高的水平。从试验检测方法（型式试验、材料试验、出厂试验）和工艺控制（嵌件处理、浇注、固化工艺等）两个方面提出了明确的质量控制技术手段。尤其是提出了采用5支试品分别顺序进行若干项试验，覆盖生产、运输、运行过程的各种工况，兼顾产品技术水平、综合性能和工艺稳定性的考核。大幅提升了特高压盆式绝缘子的制造水平和质量稳定性，产品在皖电东送和浙福特高压交流输电工程得到了应用。

　　目前我国已成功研制出短路开断能力达63kA的特高压断路器，解决了VFTO抑制问题，实现了盆式绝缘子的质量提升和特高压GIS国产化，技术性能达到国际领先水平，实现了大规模工程应用。未来电网发展对特高压GIS提出了更高要求，特高压GIS将向高性能参数、环境适用性和环保化等方向发展，如额定开断电流为80kA的特高压断路器，适应极端环境（极寒、高热和风沙等）的绝缘介质、密封件、润滑脂和液压油等材料与元件，采用SF6替代介质的新型GIS等，同时进一步提升设备的运行可靠性。