±800kV直流輸電用主設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的考慮

機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 郭麗平 方曉燕 果巖

中國南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心 黎小林 黃瑩

1.引言

特高壓輸電具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)我國能源資源優(yōu)化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益。發(fā)展特高壓電網(wǎng)可推動(dòng)我國電力技術(shù)創(chuàng)新和電工裝備制造業(yè)的技術(shù)升級?！笆晃濉逼陂g，我國動(dòng)工建設(shè)世界首條特高壓直流輸電工程云-廣工程，并陸續(xù)開工建設(shè)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(jì)劃重大項(xiàng)目“特高壓輸變電系統(tǒng)開發(fā)與示范”課題中國家特別安排了特高壓直流輸電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。

2.標(biāo)準(zhǔn)體系的建立原則

首先，特高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備制造企業(yè)、研發(fā)部門以及檢測等多方面具有指導(dǎo)作用。

其次，特高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)體系要充分反映我國特高壓直流輸電用設(shè)備的研究成果。目前國際上還沒有建立完整的直流輸電標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的研究工作也已經(jīng)在中國全面展開。特高壓直流工程的發(fā)展前途在中國，我們有實(shí)力建立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的特高壓直流標(biāo)準(zhǔn)體系。

第三，特高壓直流輸電用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)；對于能借鑒已制定的直流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，盡可能引用相關(guān)內(nèi)容。

第四，在國家建設(shè)±800kV輸電線路時(shí)突顯標(biāo)準(zhǔn)的作用，經(jīng)過幾年示范工程運(yùn)行驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)得到不斷完善，最后納入高壓直流標(biāo)準(zhǔn)體系中。

3.標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)

3.1 體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化理論，標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)通常有層次性結(jié)構(gòu)和程序性結(jié)構(gòu)。本文提到的標(biāo)準(zhǔn)體系是采用層次性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式，從本質(zhì)上反映了標(biāo)準(zhǔn)化對象內(nèi)在的通用與具體和共性與個(gè)性的辯證關(guān)系。層次越高的標(biāo)準(zhǔn)，反映的是通用性、共性和基礎(chǔ)性；下面層次的標(biāo)準(zhǔn)，反映對象的具體性和個(gè)性。針對研究對象，本體系分為3個(gè)層次：基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。體系構(gòu)架圖見圖1。

第一層次的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，由術(shù)語、特高壓直流輸電系統(tǒng)性能、系統(tǒng)損耗、換流站噪聲四個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。

體系的第二層次由試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)導(dǎo)則、設(shè)備成套導(dǎo)則、可靠性、環(huán)境要求以及設(shè)備交接共6個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。

體系的第三層次，全部為主設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)、直流斷路器、直流測量等十余個(gè)方面，由南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心牽頭承擔(dān)的“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“特高壓輸變電系統(tǒng)開發(fā)與示范” 課題22“±800kV直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范研究”中研究制定的主設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)研制項(xiàng)目都在這個(gè)層面中。這是本體系的重點(diǎn)，計(jì)劃由近50項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。

本文只針對主設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹，對基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等不作概述。

圖1 體系構(gòu)架圖

3.2 主設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

特高壓直流輸電主設(shè)備一般指換流變壓器、平波電抗器、濾波器、隔離開關(guān)、斷路器、避雷器、絕緣子、套管、直流測量設(shè)備、直流控制設(shè)備等?！笆濉币詠?，我國針對±500kV高壓直流輸電用主設(shè)備已經(jīng)完成了近20余項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)性技術(shù)文件的制定發(fā)布。該部分標(biāo)準(zhǔn)中，有部分標(biāo)準(zhǔn)能適用于±800kV直流輸電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，但需要結(jié)合我國的具體情況，經(jīng)過慎重分析、研究后，將其納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

本文將重點(diǎn)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(guān)鍵設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shù)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)在國際上暫時(shí)還沒有類同的標(biāo)準(zhǔn)參考。該標(biāo)準(zhǔn)與電力變壓器的GB/T 6451《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)和要求》作為并列使用的標(biāo)準(zhǔn)（其中GB/T 20836—2007適用于±500kV換流變壓器，本標(biāo)準(zhǔn)則適用于±800kV換流變壓器）。

該標(biāo)準(zhǔn)以GB 1094《電力變壓器》系列標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，根據(jù)±800kV直流輸電用換流變壓器的用途及特殊結(jié)構(gòu)，在總結(jié)±800kV直流輸電用換流變壓器技術(shù)性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編制的，用以指導(dǎo)國內(nèi)±800kV直流輸電用換流變壓器設(shè)計(jì)、制造及使用。其內(nèi)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(shù)內(nèi)容的補(bǔ)充，重點(diǎn)是性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)要求及輔助的試驗(yàn)項(xiàng)目等。

在理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作的基礎(chǔ)上，需要充分考慮與±500kV用換流變的技術(shù)差異，由此在標(biāo)準(zhǔn)條款上的要求，包括雙12脈動(dòng)串聯(lián)換流系統(tǒng)用變壓器接線、性能參數(shù)、絕緣水平、基本技術(shù)要求、安全保護(hù)設(shè)置、強(qiáng)油冷卻系統(tǒng)及控制箱、油保護(hù)裝置、油溫測量裝置及測試項(xiàng)目等方面做出了相關(guān)規(guī)定，圖2為雙12脈動(dòng)串聯(lián)換流系統(tǒng)用變壓器接線原理圖。

圖2 雙12脈動(dòng)串聯(lián)換流系統(tǒng)用變壓器接線原理圖

換流變壓器標(biāo)準(zhǔn)在“技術(shù)參數(shù)和要求”方面，±800kV標(biāo)準(zhǔn)與±500kV標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)形式上基本一致，但在技術(shù)參數(shù)和要求方面存在一些差異，除了絕緣水平、性能參數(shù)和接線原理圖不同外，±800kV標(biāo)準(zhǔn)還在油位計(jì)的放置、箱底小車的安裝、油樣活門的設(shè)置、油箱真空度、絕緣油的要求、試驗(yàn)前試品的靜放時(shí)間等方面的要求與±500kV標(biāo)準(zhǔn)都有所不同。如：±500kV標(biāo)準(zhǔn)中油箱整體承受的真空度為67Pa，±800kV標(biāo)準(zhǔn)為26Pa；±500kV標(biāo)準(zhǔn)中絕緣油的耐受電壓為60kV，±800kV標(biāo)準(zhǔn)為70kV等?？傮w來看，±800kV標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品質(zhì)量考核方面更趨嚴(yán)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(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要以云廣特高壓直流工程所選用干式平波電抗器的設(shè)備類型作為參考進(jìn)行制定的。

該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，根據(jù)高壓直流輸電用干式空心平波電抗器的用途及特殊結(jié)構(gòu)，并結(jié)合國內(nèi)±800kV直流輸電用干式空心平波電抗器的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)以及實(shí)際運(yùn)行等方面的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。

該標(biāo)準(zhǔn)是將通用要求及參數(shù)要求融合在一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，專門針對±800kV直流輸電用干式平波電抗器設(shè)備。通用內(nèi)容主要包括范圍、使用條件、額定值、偏差、損耗、絕緣水平、振動(dòng)、聲級、試驗(yàn)項(xiàng)目及方法、高頻阻抗測量、超銘牌額定值負(fù)載、套管等技術(shù)要求。參數(shù)部分將以國內(nèi)已研發(fā)成功的±800kV直流輸電用平波電抗器產(chǎn)品為依據(jù)，由于這些直流輸電用平波電抗器是目前國際上最新的產(chǎn)品，故該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在國際上也將是先進(jìn)的。

在特高壓交直流±500kV系統(tǒng)中，平抗采用的是油浸式絕緣結(jié)構(gòu)，而±800kV平抗采用的是干式空氣絕緣結(jié)構(gòu)，主要由于絕緣形式不同，所以，兩種標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)要求、試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)方法等方面是不同的?！?00kV干式平抗標(biāo)準(zhǔn)在編寫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式參考了±500kV標(biāo)準(zhǔn)，但主要的技術(shù)內(nèi)容均是根據(jù)干式平抗的特點(diǎn)及所開展的一些理論和試驗(yàn)研究成果進(jìn)行制定的。

3.3.3 避雷器

——《±800kV直流系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器》

該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的避雷器涉及典型的±800kV直流換流站內(nèi)主要的直流避雷器，包括：以防止出現(xiàn)在晶閘管閥過電壓為目的的閥側(cè)避雷器、保護(hù)連接在極線上設(shè)備為目的的閥避雷器、中性母線避雷器、橋中點(diǎn)避雷器、換流閥側(cè)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(biāo)準(zhǔn)主要參照IEC、CIGRE有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)用復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器》等標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到電壓等級從±500kV提高到±800kV帶來的諸多技術(shù)差異，在制訂±800kV避雷器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，重點(diǎn)研究如下5個(gè)方面：絕緣材料、壓力釋放、設(shè)備參數(shù)、避雷器的布置等。

3.3.4 套管

——《±800kV直流系統(tǒng)用穿墻套管》

直流穿墻套管是直流輸電工程的一類重要產(chǎn)品。在我國高壓、超高壓直流輸電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用。國外使用此類產(chǎn)品較少，國際標(biāo)準(zhǔn)目前僅有IEC 62199：2004《直流系統(tǒng)用套管》,IEC 62199是直流系統(tǒng)用套管通用標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容及制定的試驗(yàn)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(tǒng)用穿墻套管》。

該標(biāo)準(zhǔn)的制定考慮到我國的特殊環(huán)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(yàn)。且適用于直流系統(tǒng)所有電壓等級的戶外和戶內(nèi)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(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)將指導(dǎo)±800kV級直流套管的通用要求、試驗(yàn)方法等。此外，考慮到電壓等級升高到±800kV，也對直流套管技術(shù)要求及試驗(yàn)方法提出了新的更高要求，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還考慮了套管的不均勻濕閃、大雨閃絡(luò)；在高海拔下硅橡膠老化問題；特高壓下的電氣強(qiáng)度和大尺寸引起的機(jī)械強(qiáng)度問題。

3.3.5 絕緣子

——《±800kV直流系統(tǒng)用支柱絕緣子 第1部分：環(huán)氧玻璃纖維棒芯復(fù)合絕緣子》

——《±800kV直流支柱復(fù)合絕緣子 第2部分：瓷質(zhì)芯體復(fù)合絕緣子》

目前，為適用±800kV特高壓直流系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。

本文著重介紹支柱絕緣子標(biāo)準(zhǔn)，共包括環(huán)氧玻璃纖維實(shí)心芯體復(fù)合絕緣子、瓷質(zhì)芯體復(fù)合絕緣子等。

支柱絕緣子的兩部分標(biāo)準(zhǔn)均參照GB/T 22079—2008《標(biāo)稱電壓高于1000V使用的戶內(nèi)和戶外聚合物絕緣子——一般定義、試驗(yàn)方法和接收準(zhǔn)則》、GB/T8287.1—2008《標(biāo)稱電壓高于1000V系統(tǒng)用戶內(nèi)和戶外支柱絕緣子第1部分：瓷或玻璃支柱絕緣子的試驗(yàn)》、GB/T8287.2—2008《標(biāo)稱電壓高于1000V系統(tǒng)用戶內(nèi)和戶外支柱絕緣子 第2部分：尺寸與特性》等標(biāo)準(zhǔn)。

第1部分：環(huán)氧玻璃纖維實(shí)心芯體復(fù)合絕緣子，規(guī)定了±800 kV 直流環(huán)氧玻璃纖維實(shí)心芯體支柱復(fù)合絕緣子的電氣特性、機(jī)械特性和尺寸特性。引入了絕緣子最大設(shè)計(jì)彎曲負(fù)荷(MDCL)和最大設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)負(fù)荷(MDToL)的概念，但考慮到目前的使用習(xí)慣，絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度等級仍暫按規(guī)定彎曲破壞負(fù)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(shè)計(jì)等未做規(guī)定。此外，由于我國工程實(shí)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(jié)構(gòu)。其中，對于傘套材料的憎水性測量及其結(jié)果評定，鑒于用IEC 62073:2003 中所規(guī)定的噴霧法和測量后接觸角法進(jìn)行濕潤性分級的對應(yīng)性對于污穢表面國內(nèi)尚無驗(yàn)證數(shù)據(jù)，國內(nèi)一直沿用的測量靜態(tài)接觸角法和其對應(yīng)關(guān)系國內(nèi)也未做過驗(yàn)證。對此，國家絕緣子避雷器檢測中心、清華大學(xué)、國家電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院和南通神馬科技有限公司針對環(huán)氧玻璃纖維實(shí)心芯體復(fù)合絕緣子進(jìn)行驗(yàn)證。但驗(yàn)證后對于前或后接觸角測量操作較為復(fù)雜，暫時(shí)難以掌握，用以作為測量和判定仍然缺乏實(shí)際操作支撐；各試驗(yàn)室的結(jié)論也不盡一致。對于這一點(diǎn)還有待于進(jìn)一步研究。

第2部分：瓷質(zhì)芯體復(fù)合絕緣子標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)以及大雨閃絡(luò)試驗(yàn)。

3.3.6 直流用斷路器等

——《高壓直流輸電系統(tǒng)直流轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備》

目前，國內(nèi)外尚無高壓直流開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在±800kV特高壓直流輸電用直流斷路器等標(biāo)準(zhǔn)中，重點(diǎn)針對直流隔離開關(guān)及直流轉(zhuǎn)換開關(guān)的動(dòng)靜觸頭支柱動(dòng)態(tài)負(fù)荷、帶電開合直流濾波器諧波電流的產(chǎn)品觸頭結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)、直流旁路斷路器動(dòng)態(tài)性能、金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器、技術(shù)參數(shù)等方面進(jìn)行編制。

本體系列入了三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：

第一項(xiàng)是隔離開關(guān)，直流隔離開關(guān)由高壓交流隔離開關(guān)的單相單元構(gòu)成，并根據(jù)直流應(yīng)用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。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(yīng)）、合閘狀態(tài)下電流應(yīng)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(guān)斷時(shí)間等。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)適用于高壓直流隔離開關(guān)和接地開關(guān)，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(zhuǎn)換回路的開關(guān)；也適用于低壓直流隔離開關(guān)和接地開關(guān)，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(xiàng)是旁路開關(guān)，在±800kV直流系統(tǒng)中為提高系統(tǒng)可用率，每個(gè)12脈動(dòng)換流單元并聯(lián)一個(gè)高速旁路開關(guān)。當(dāng)一個(gè)12脈動(dòng)換流單元因?yàn)楣收匣驒z修而退出運(yùn)行時(shí)，在其它有關(guān)的隔離開關(guān)的配合下，高速旁路開關(guān)將故障或者需要檢修的12脈動(dòng)換流單元與串聯(lián)的另外一個(gè)12P脈動(dòng)換流單元隔離，不影響完好的12脈動(dòng)換流單元繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)可以進(jìn)入雙極電壓不對稱運(yùn)行模式。為使系統(tǒng)盡快重新運(yùn)行，減少輸送功率損失，要采用高速開關(guān)。主要技術(shù)參數(shù)包括開關(guān)類型、斷口數(shù)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(zhuǎn)換電流、瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）、瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率、燃弧時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)類型、主觸頭接觸電阻、絕緣介質(zhì)、單次儲(chǔ)能的操作次數(shù)、動(dòng)作時(shí)間、復(fù)合支柱絕緣子參數(shù)等。

第三項(xiàng)是直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，產(chǎn)品包括金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)( MRTB)、大地回路轉(zhuǎn)換開關(guān)(ERTB)、中性母線開關(guān)(NBGS)、高速接地開關(guān)等。該標(biāo)準(zhǔn)提出了直流開關(guān)的功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、性能、安裝和試驗(yàn)等方面的技術(shù)要求，適用于±800kV直流輸電用直流開關(guān)等。

4.結(jié)論

（1）正在建設(shè)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(nèi)外均無適用的主設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。本項(xiàng)目搭建的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系是力圖以滿足我國在建和規(guī)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(biāo)準(zhǔn)接軌的體系。

（2）特高壓直流輸電系統(tǒng)用主設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系考慮了與現(xiàn)行的±500kV直流輸電設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，對于適用±800kV情況的標(biāo)準(zhǔn)不再另行制定。

（3）通過工程帶動(dòng)和攻關(guān)形成的±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)用主設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系是國際上最高電壓等級的標(biāo)準(zhǔn)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，可考慮提交到國際TC，形成以我國技術(shù)為主的國際標(biāo)準(zhǔn)提案。