±800kV直流輸電用主設備技術標準體系的考慮

機械工業北京電工技術經濟研究所 郭麗平 方曉燕 果巖

中國南方電網技術研究中心 黎小林 黃瑩

1.引言

特高壓輸電具有遠距離、大容量、低損耗的優勢，是實現我國能源資源優化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會經濟綜合效益。發展特高壓電網可推動我國電力技術創新和電工裝備制造業的技術升級。“十一五”期間，我國動工建設世界首條特高壓直流輸電工程云-廣工程，并陸續開工建設了向-上工程等。為滿足我國特高壓直流輸電工程的需要，在“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“特高壓輸變電系統開發與示范”課題中國家特別安排了特高壓直流輸電相關的標準體系研究和標準制定。

2.標準體系的建立原則

首先，特高壓直流輸電標準體系不僅能滿足我國±800kV特高壓直流輸電工程的需要，并且還要對未來我國將建的多條特高壓直流線路、設備制造企業、研發部門以及檢測等多方面具有指導作用。

其次，特高壓直流輸電標準體系要充分反映我國特高壓直流輸電用設備的研究成果。目前國際上還沒有建立完整的直流輸電標準體系，且未來第一批±800kV特高壓直流工程將在中國建成，與特高壓直流輸電相關的研究工作也已經在中國全面展開。特高壓直流工程的發展前途在中國，我們有實力建立擁有自主知識產權的特高壓直流標準體系。

第三，特高壓直流輸電用設備標準體系是開放性的，在通用要求、檢測方法等方面，能與國際接軌的，都盡可能采用或者部分采用國際標準；對于能借鑒已制定的直流設備的標準，盡可能引用相關內容。

第四，在國家建設±800kV輸電線路時突顯標準的作用，經過幾年示范工程運行驗證，標準得到不斷完善，最后納入高壓直流標準體系中。

3.標準體系的結構

3.1 體系結構

根據標準化理論，標準體系結構通常有層次性結構和程序性結構。本文提到的標準體系是采用層次性結構。這種結構形式，從本質上反映了標準化對象內在的通用與具體和共性與個性的辯證關系。層次越高的標準，反映的是通用性、共性和基礎性；下面層次的標準，反映對象的具體性和個性。針對研究對象，本體系分為3個層次：基礎標準、方法標準、產品標準。體系構架圖見圖1。

第一層次的基礎標準，由術語、特高壓直流輸電系統性能、系統損耗、換流站噪聲四個方面的標準構成。

體系的第二層次由試驗標準、設計導則、設備成套導則、可靠性、環境要求以及設備交接共6個方面的標準構成。

體系的第三層次，全部為主設備標準，包括換流變、平波電抗器、換流閥、晶閘管、避雷器、套管、絕緣子、濾波器、控制與保護、直流斷路器、直流測量等十余個方面，由南方電網技術研究中心牽頭承擔的“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“特高壓輸變電系統開發與示范” 課題22“±800kV直流輸電系統設計規范研究”中研究制定的主設備國家標準研制項目都在這個層面中。這是本體系的重點，計劃由近50項國家標準、行業標準構成。

本文只針對主設備標準進行介紹，對基礎標準及試驗標準等不作概述。

圖1 體系構架圖

3.2 主設備標準

特高壓直流輸電主設備一般指換流變壓器、平波電抗器、濾波器、隔離開關、斷路器、避雷器、絕緣子、套管、直流測量設備、直流控制設備等。“十五”以來，我國針對±500kV高壓直流輸電用主設備已經完成了近20余項國家標準、指導性技術文件的制定發布。該部分標準中，有部分標準能適用于±800kV直流輸電設備標準，但需要結合我國的具體情況，經過慎重分析、研究后，將其納入技術標準體系。

本文將重點針對換流變壓器、平波電抗器、絕緣子、套管、避雷器、直流斷路器等輸配電關鍵設備標準進行闡述分析。

3.3.1 換流變壓器

——《±800kV直流輸電用油浸式換流變壓器技術參數和要求》

由于±800kV是目前國際上直流輸電的最高電壓等級，因此，該標準在國際上暫時還沒有類同的標準參考。該標準與電力變壓器的GB/T 6451《油浸式電力變壓器技術參數和要求》，以及GB/T 20836—2007《高壓直流輸電用油浸式換流變壓器技術參數和要求》作為并列使用的標準（其中GB/T 20836—2007適用于±500kV換流變壓器，本標準則適用于±800kV換流變壓器）。

該標準以GB 1094《電力變壓器》系列標準及GB/T 18494.2《變流變壓器 第2部分：高壓直流輸電用換流變壓器》等標準為基礎，根據±800kV直流輸電用換流變壓器的用途及特殊結構，在總結±800kV直流輸電用換流變壓器技術性能及結構特點的基礎上進行編制的，用以指導國內±800kV直流輸電用換流變壓器設計、制造及使用。其內容主要是對GB/T 18494.2《變流變壓器 第2部分：高壓直流輸電用換流變壓器》技術內容的補充，重點是性能參數、結構要求及輔助的試驗項目等。

在理論研究和試驗驗證工作的基礎上，需要充分考慮與±500kV用換流變的技術差異，由此在標準條款上的要求，包括雙12脈動串聯換流系統用變壓器接線、性能參數、絕緣水平、基本技術要求、安全保護設置、強油冷卻系統及控制箱、油保護裝置、油溫測量裝置及測試項目等方面做出了相關規定，圖2為雙12脈動串聯換流系統用變壓器接線原理圖。

圖2 雙12脈動串聯換流系統用變壓器接線原理圖

換流變壓器標準在“技術參數和要求”方面，±800kV標準與±500kV標準在結構形式上基本一致，但在技術參數和要求方面存在一些差異，除了絕緣水平、性能參數和接線原理圖不同外，±800kV標準還在油位計的放置、箱底小車的安裝、油樣活門的設置、油箱真空度、絕緣油的要求、試驗前試品的靜放時間等方面的要求與±500kV標準都有所不同。如：±500kV標準中油箱整體承受的真空度為67Pa，±800kV標準為26Pa；±500kV標準中絕緣油的耐受電壓為60kV，±800kV標準為70kV等。總體來看，±800kV標準在產品質量考核方面更趨嚴格。

3.3.2 平波電抗器

——《高壓直流輸電用干式空心平波電抗器》

目前我國還沒有高壓直流輸電干式平波電抗器的相關國家標準，該標準主要以云廣特高壓直流工程所選用干式平波電抗器的設備類型作為參考進行制定的。

該標準主要是以GB/T 10229《電抗器》及IEC 60076-6《功率變壓器.第6部分:電抗器》等標準為指導，根據高壓直流輸電用干式空心平波電抗器的用途及特殊結構，并結合國內±800kV直流輸電用干式空心平波電抗器的設計、制造、試驗以及實際運行等方面的經驗為基礎。

該標準是將通用要求及參數要求融合在一項標準中，專門針對±800kV直流輸電用干式平波電抗器設備。通用內容主要包括范圍、使用條件、額定值、偏差、損耗、絕緣水平、振動、聲級、試驗項目及方法、高頻阻抗測量、超銘牌額定值負載、套管等技術要求。參數部分將以國內已研發成功的±800kV直流輸電用平波電抗器產品為依據，由于這些直流輸電用平波電抗器是目前國際上最新的產品，故該項標準在國際上也將是先進的。

在特高壓交直流±500kV系統中，平抗采用的是油浸式絕緣結構，而±800kV平抗采用的是干式空氣絕緣結構，主要由于絕緣形式不同，所以，兩種標準在技術要求、試驗項目及試驗方法等方面是不同的。±800kV干式平抗標準在編寫時，標準的結構形式參考了±500kV標準，但主要的技術內容均是根據干式平抗的特點及所開展的一些理論和試驗研究成果進行制定的。

3.3.3 避雷器

——《±800kV直流系統用金屬氧化物避雷器》

該標準所規定的避雷器涉及典型的±800kV直流換流站內主要的直流避雷器，包括：以防止出現在晶閘管閥過電壓為目的的閥側避雷器、保護連接在極線上設備為目的的閥避雷器、中性母線避雷器、橋中點避雷器、換流閥側避雷器、平抗避雷器、交流濾波器避雷器、直流濾波器避雷器等。

該標準主要參照IEC、CIGRE有關標準及最新文件資料、GB11032《交流無間隙金屬氧化物避雷器》、JB/T8952《交流系統用復合外套無間隙金屬氧化物避雷器》等標準。考慮到電壓等級從±500kV提高到±800kV帶來的諸多技術差異，在制訂±800kV避雷器標準時，重點研究如下5個方面：絕緣材料、壓力釋放、設備參數、避雷器的布置等。

3.3.4 套管

——《±800kV直流系統用穿墻套管》

直流穿墻套管是直流輸電工程的一類重要產品。在我國高壓、超高壓直流輸電系統中已經廣泛采用。國外使用此類產品較少，國際標準目前僅有IEC 62199：2004《直流系統用套管》,IEC 62199是直流系統用套管通用標準，其內容及制定的試驗方法未具體涉及±800kV直流穿墻套管。基于以上原因特制定 《±800kV直流系統用穿墻套管》。

該標準的制定考慮到我國的特殊環境，對不均勻淋雨的外絕緣采用硅橡膠的套管，增加了傘套耐電痕化和蝕損試驗。且適用于直流系統所有電壓等級的戶外和戶內套管，這種套管可以是電容式或氣體絕緣式。用作換流變壓器或平波電抗器組件，也可以用于空氣對空氣直流套管。這項國家標準將指導±800kV級直流套管的通用要求、試驗方法等。此外，考慮到電壓等級升高到±800kV，也對直流套管技術要求及試驗方法提出了新的更高要求，該項標準還考慮了套管的不均勻濕閃、大雨閃絡；在高海拔下硅橡膠老化問題；特高壓下的電氣強度和大尺寸引起的機械強度問題。

3.3.5 絕緣子

——《±800kV直流系統用支柱絕緣子 第1部分：環氧玻璃纖維棒芯復合絕緣子》

——《±800kV直流支柱復合絕緣子 第2部分：瓷質芯體復合絕緣子》

目前，為適用±800kV特高壓直流系統和線路的絕緣子的需求，國家已涉及棒形懸式絕緣子、線路絕緣子以及支柱絕緣子標準。

本文著重介紹支柱絕緣子標準，共包括環氧玻璃纖維實心芯體復合絕緣子、瓷質芯體復合絕緣子等。

支柱絕緣子的兩部分標準均參照GB/T 22079—2008《標稱電壓高于1000V使用的戶內和戶外聚合物絕緣子——一般定義、試驗方法和接收準則》、GB/T8287.1—2008《標稱電壓高于1000V系統用戶內和戶外支柱絕緣子第1部分：瓷或玻璃支柱絕緣子的試驗》、GB/T8287.2—2008《標稱電壓高于1000V系統用戶內和戶外支柱絕緣子 第2部分：尺寸與特性》等標準。

第1部分：環氧玻璃纖維實心芯體復合絕緣子，規定了±800 kV 直流環氧玻璃纖維實心芯體支柱復合絕緣子的電氣特性、機械特性和尺寸特性。引入了絕緣子最大設計彎曲負荷(MDCL)和最大設計扭轉負荷(MDToL)的概念，但考慮到目前的使用習慣，絕緣子的機械強度等級仍暫按規定彎曲破壞負荷（SCL）來表征。該部分所列直流支柱絕緣子的特性值綜合考慮了我國在建的多條典型工程值，但對于絕緣子的傘形設計等未做規定。此外，由于我國工程實際使用的絕緣子的高度已超出了GB/T 8287.2－2008包容的范圍，還列出了絕緣子的安裝結構。其中，對于傘套材料的憎水性測量及其結果評定，鑒于用IEC 62073:2003 中所規定的噴霧法和測量后接觸角法進行濕潤性分級的對應性對于污穢表面國內尚無驗證數據，國內一直沿用的測量靜態接觸角法和其對應關系國內也未做過驗證。對此，國家絕緣子避雷器檢測中心、清華大學、國家電網公司電力科學研究院和南通神馬科技有限公司針對環氧玻璃纖維實心芯體復合絕緣子進行驗證。但驗證后對于前或后接觸角測量操作較為復雜，暫時難以掌握，用以作為測量和判定仍然缺乏實際操作支撐；各試驗室的結論也不盡一致。對于這一點還有待于進一步研究。

第2部分：瓷質芯體復合絕緣子標準中著重考慮了材料特性、彈性模量、傘型硅橡膠耐污穢的要求、淋雨試驗以及大雨閃絡試驗。

3.3.6 直流用斷路器等

——《高壓直流輸電系統直流轉換開關設備》

目前，國內外尚無高壓直流開關標準。在±800kV特高壓直流輸電用直流斷路器等標準中，重點針對直流隔離開關及直流轉換開關的動靜觸頭支柱動態負荷、帶電開合直流濾波器諧波電流的產品觸頭結構及試驗、直流旁路斷路器動態性能、金屬回線轉換斷路器、技術參數等方面進行編制。

本體系列入了三項標準：

第一項是隔離開關，直流隔離開關由高壓交流隔離開關的單相單元構成，并根據直流應用情況進行適當的改進。主要性能包括：電流值、額定電壓、額定最大電壓、基本電壓（與爬電比距相應）、合閘狀態下電流應力、雷電沖擊耐受水平、干試條件下對地雷電沖擊耐受水平、操作沖擊耐受水平、濕試條件下對地操作沖擊耐受水平、最小直流電壓耐受能力以及正常關斷時間等。該項標準適用于高壓直流隔離開關和接地開關，包括安裝在換流閥組的旁路高壓端、極母線、直流濾波器高壓端、金屬轉換回路的開關；也適用于低壓直流隔離開關和接地開關，安裝位置包括：換流閥組旁路低壓端、中性母線、直流濾波器低壓端、接地極引線等。

第二項是旁路開關，在±800kV直流系統中為提高系統可用率，每個12脈動換流單元并聯一個高速旁路開關。當一個12脈動換流單元因為故障或檢修而退出運行時，在其它有關的隔離開關的配合下，高速旁路開關將故障或者需要檢修的12脈動換流單元與串聯的另外一個12P脈動換流單元隔離，不影響完好的12脈動換流單元繼續運行，系統可以進入雙極電壓不對稱運行模式。為使系統盡快重新運行，減少輸送功率損失，要采用高速開關。主要技術參數包括開關類型、斷口數量、額定電壓、最高電壓、額定電流、額定峰值耐受電流、額定合閘電流、直流轉換電流、瞬態恢復電壓（TRV）、瞬態恢復電壓上升率、燃弧時間、額定直流耐壓(濕試)、雷電沖擊耐受水平、操作沖擊耐受水平、操動機構類型、主觸頭接觸電阻、絕緣介質、單次儲能的操作次數、動作時間、復合支柱絕緣子參數等。

第三項是直流轉換開關，產品包括金屬回路轉換開關( MRTB)、大地回路轉換開關(ERTB)、中性母線開關(NBGS)、高速接地開關等。該標準提出了直流開關的功能設計、結構、性能、安裝和試驗等方面的技術要求，適用于±800kV直流輸電用直流開關等。

4.結論

（1）正在建設中的特高壓直流輸電工程是世界首條最高電壓等級的線路，國內外均無適用的主設備技術標準體系。本項目搭建的技術標準體系是力圖以滿足我國在建和規劃中的特高壓直流輸電工程的需要、兼顧通用性與適用性、并考慮與國際標準接軌的體系。

（2）特高壓直流輸電系統用主設備標準體系考慮了與現行的±500kV直流輸電設備技術標準的關系，對于適用±800kV情況的標準不再另行制定。

（3）通過工程帶動和攻關形成的±800kV特高壓直流輸電系統用主設備的技術標準體系是國際上最高電壓等級的標準，在適當的時候，可考慮提交到國際TC，形成以我國技術為主的國際標準提案。