±800kV直流输电用主设备技术标准体系的考虑

机械工业北京电工技术经济研究所 郭丽平 方晓燕 果岩

中国南方电网技术研究中心 黎小林 黄莹

1.引言

特高压输电具有远距离、大容量、低损耗的优势，是实现我国能源资源优化配置的有效途径，能够取得良好的社会经济综合效益。发展特高压电网可推动我国电力技术创新和电工装备制造业的技术升级。“十一五”期间，我国动工建设世界首条特高压直流输电工程云-广工程，并陆续开工建设了向-上工程等。为满足我国特高压直流输电工程的需要，在“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范”课题中国家特别安排了特高压直流输电相关的标准体系研究和标准制定。

2.标准体系的建立原则

首先，特高压直流输电标准体系不仅能满足我国±800kV特高压直流输电工程的需要，并且还要对未来我国将建的多条特高压直流线路、设备制造企业、研发部门以及检测等多方面具有指导作用。

其次，特高压直流输电标准体系要充分反映我国特高压直流输电用设备的研究成果。目前国际上还没有建立完整的直流输电标准体系，且未来第一批±800kV特高压直流工程将在中国建成，与特高压直流输电相关的研究工作也已经在中国全面展开。特高压直流工程的发展前途在中国，我们有实力建立拥有自主知识产权的特高压直流标准体系。

第三，特高压直流输电用设备标准体系是开放性的，在通用要求、检测方法等方面，能与国际接轨的，都尽可能采用或者部分采用国际标准；对于能借鉴已制定的直流设备的标准，尽可能引用相关内容。

第四，在国家建设±800kV输电线路时突显标准的作用，经过几年示范工程运行验证，标准得到不断完善，最后纳入高压直流标准体系中。

3.标准体系的结构

3.1 体系结构

根据标准化理论，标准体系结构通常有层次性结构和程序性结构。本文提到的标准体系是采用层次性结构。这种结构形式，从本质上反映了标准化对象内在的通用与具体和共性与个性的辩证关系。层次越高的标准，反映的是通用性、共性和基础性；下面层次的标准，反映对象的具体性和个性。针对研究对象，本体系分为3个层次：基础标准、方法标准、产品标准。体系构架图见图1。

第一层次的基础标准，由术语、特高压直流输电系统性能、系统损耗、换流站噪声四个方面的标准构成。

体系的第二层次由试验标准、设计导则、设备成套导则、可靠性、环境要求以及设备交接共6个方面的标准构成。

体系的第三层次，全部为主设备标准，包括换流变、平波电抗器、换流阀、晶闸管、避雷器、套管、绝缘子、滤波器、控制与保护、直流断路器、直流测量等十余个方面，由南方电网技术研究中心牵头承担的“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范” 课题22“±800kV直流输电系统设计规范研究”中研究制定的主设备国家标准研制项目都在这个层面中。这是本体系的重点，计划由近50项国家标准、行业标准构成。

本文只针对主设备标准进行介绍，对基础标准及试验标准等不作概述。

图1 体系构架图

3.2 主设备标准

特高压直流输电主设备一般指换流变压器、平波电抗器、滤波器、隔离开关、断路器、避雷器、绝缘子、套管、直流测量设备、直流控制设备等。“十五”以来，我国针对±500kV高压直流输电用主设备已经完成了近20余项国家标准、指导性技术文件的制定发布。该部分标准中，有部分标准能适用于±800kV直流输电设备标准，但需要结合我国的具体情况，经过慎重分析、研究后，将其纳入技术标准体系。

本文将重点针对换流变压器、平波电抗器、绝缘子、套管、避雷器、直流断路器等输配电关键设备标准进行阐述分析。

3.3.1 换流变压器

——《±800kV直流输电用油浸式换流变压器技术参数和要求》

由于±800kV是目前国际上直流输电的最高电压等级，因此，该标准在国际上暂时还没有类同的标准参考。该标准与电力变压器的GB/T 6451《油浸式电力变压器技术参数和要求》，以及GB/T 20836—2007《高压直流输电用油浸式换流变压器技术参数和要求》作为并列使用的标准（其中GB/T 20836—2007适用于±500kV换流变压器，本标准则适用于±800kV换流变压器）。

该标准以GB 1094《电力变压器》系列标准及GB/T 18494.2《变流变压器 第2部分：高压直流输电用换流变压器》等标准为基础，根据±800kV直流输电用换流变压器的用途及特殊结构，在总结±800kV直流输电用换流变压器技术性能及结构特点的基础上进行编制的，用以指导国内±800kV直流输电用换流变压器设计、制造及使用。其内容主要是对GB/T 18494.2《变流变压器 第2部分：高压直流输电用换流变压器》技术内容的补充，重点是性能参数、结构要求及辅助的试验项目等。

在理论研究和试验验证工作的基础上，需要充分考虑与±500kV用换流变的技术差异，由此在标准条款上的要求，包括双12脉动串联换流系统用变压器接线、性能参数、绝缘水平、基本技术要求、安全保护设置、强油冷却系统及控制箱、油保护装置、油温测量装置及测试项目等方面做出了相关规定，图2为双12脉动串联换流系统用变压器接线原理图。

图2 双12脉动串联换流系统用变压器接线原理图

换流变压器标准在“技术参数和要求”方面，±800kV标准与±500kV标准在结构形式上基本一致，但在技术参数和要求方面存在一些差异，除了绝缘水平、性能参数和接线原理图不同外，±800kV标准还在油位计的放置、箱底小车的安装、油样活门的设置、油箱真空度、绝缘油的要求、试验前试品的静放时间等方面的要求与±500kV标准都有所不同。如：±500kV标准中油箱整体承受的真空度为67Pa，±800kV标准为26Pa；±500kV标准中绝缘油的耐受电压为60kV，±800kV标准为70kV等。总体来看，±800kV标准在产品质量考核方面更趋严格。

3.3.2 平波电抗器

——《高压直流输电用干式空心平波电抗器》

目前我国还没有高压直流输电干式平波电抗器的相关国家标准，该标准主要以云广特高压直流工程所选用干式平波电抗器的设备类型作为参考进行制定的。

该标准主要是以GB/T 10229《电抗器》及IEC 60076-6《功率变压器.第6部分:电抗器》等标准为指导，根据高压直流输电用干式空心平波电抗器的用途及特殊结构，并结合国内±800kV直流输电用干式空心平波电抗器的设计、制造、试验以及实际运行等方面的经验为基础。

该标准是将通用要求及参数要求融合在一项标准中，专门针对±800kV直流输电用干式平波电抗器设备。通用内容主要包括范围、使用条件、额定值、偏差、损耗、绝缘水平、振动、声级、试验项目及方法、高频阻抗测量、超铭牌额定值负载、套管等技术要求。参数部分将以国内已研发成功的±800kV直流输电用平波电抗器产品为依据，由于这些直流输电用平波电抗器是目前国际上最新的产品，故该项标准在国际上也将是先进的。

在特高压交直流±500kV系统中，平抗采用的是油浸式绝缘结构，而±800kV平抗采用的是干式空气绝缘结构，主要由于绝缘形式不同，所以，两种标准在技术要求、试验项目及试验方法等方面是不同的。±800kV干式平抗标准在编写时，标准的结构形式参考了±500kV标准，但主要的技术内容均是根据干式平抗的特点及所开展的一些理论和试验研究成果进行制定的。

3.3.3 避雷器

——《±800kV直流系统用金属氧化物避雷器》

该标准所规定的避雷器涉及典型的±800kV直流换流站内主要的直流避雷器，包括：以防止出现在晶闸管阀过电压为目的的阀侧避雷器、保护连接在极线上设备为目的的阀避雷器、中性母线避雷器、桥中点避雷器、换流阀侧避雷器、平抗避雷器、交流滤波器避雷器、直流滤波器避雷器等。

该标准主要参照IEC、CIGRE有关标准及最新文件资料、GB11032《交流无间隙金属氧化物避雷器》、JB/T8952《交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器》等标准。考虑到电压等级从±500kV提高到±800kV带来的诸多技术差异，在制订±800kV避雷器标准时，重点研究如下5个方面：绝缘材料、压力释放、设备参数、避雷器的布置等。

3.3.4 套管

——《±800kV直流系统用穿墙套管》

直流穿墙套管是直流输电工程的一类重要产品。在我国高压、超高压直流输电系统中已经广泛采用。国外使用此类产品较少，国际标准目前仅有IEC 62199：2004《直流系统用套管》,IEC 62199是直流系统用套管通用标准，其内容及制定的试验方法未具体涉及±800kV直流穿墙套管。基于以上原因特制定 《±800kV直流系统用穿墙套管》。

该标准的制定考虑到我国的特殊环境，对不均匀淋雨的外绝缘采用硅橡胶的套管，增加了伞套耐电痕化和蚀损试验。且适用于直流系统所有电压等级的户外和户内套管，这种套管可以是电容式或气体绝缘式。用作换流变压器或平波电抗器组件，也可以用于空气对空气直流套管。这项国家标准将指导±800kV级直流套管的通用要求、试验方法等。此外，考虑到电压等级升高到±800kV，也对直流套管技术要求及试验方法提出了新的更高要求，该项标准还考虑了套管的不均匀湿闪、大雨闪络；在高海拔下硅橡胶老化问题；特高压下的电气强度和大尺寸引起的机械强度问题。

3.3.5 绝缘子

——《±800kV直流系统用支柱绝缘子 第1部分：环氧玻璃纤维棒芯复合绝缘子》

——《±800kV直流支柱复合绝缘子 第2部分：瓷质芯体复合绝缘子》

目前，为适用±800kV特高压直流系统和线路的绝缘子的需求，国家已涉及棒形悬式绝缘子、线路绝缘子以及支柱绝缘子标准。

本文着重介绍支柱绝缘子标准，共包括环氧玻璃纤维实心芯体复合绝缘子、瓷质芯体复合绝缘子等。

支柱绝缘子的两部分标准均参照GB/T 22079—2008《标称电压高于1000V使用的户内和户外聚合物绝缘子——一般定义、试验方法和接收准则》、GB/T8287.1—2008《标称电压高于1000V系统用户内和户外支柱绝缘子第1部分：瓷或玻璃支柱绝缘子的试验》、GB/T8287.2—2008《标称电压高于1000V系统用户内和户外支柱绝缘子 第2部分：尺寸与特性》等标准。

第1部分：环氧玻璃纤维实心芯体复合绝缘子，规定了±800 kV 直流环氧玻璃纤维实心芯体支柱复合绝缘子的电气特性、机械特性和尺寸特性。引入了绝缘子最大设计弯曲负荷(MDCL)和最大设计扭转负荷(MDToL)的概念，但考虑到目前的使用习惯，绝缘子的机械强度等级仍暂按规定弯曲破坏负荷（SCL）来表征。该部分所列直流支柱绝缘子的特性值综合考虑了我国在建的多条典型工程值，但对于绝缘子的伞形设计等未做规定。此外，由于我国工程实际使用的绝缘子的高度已超出了GB/T 8287.2－2008包容的范围，还列出了绝缘子的安装结构。其中，对于伞套材料的憎水性测量及其结果评定，鉴于用IEC 62073:2003 中所规定的喷雾法和测量后接触角法进行湿润性分级的对应性对于污秽表面国内尚无验证数据，国内一直沿用的测量静态接触角法和其对应关系国内也未做过验证。对此，国家绝缘子避雷器检测中心、清华大学、国家电网公司电力科学研究院和南通神马科技有限公司针对环氧玻璃纤维实心芯体复合绝缘子进行验证。但验证后对于前或后接触角测量操作较为复杂，暂时难以掌握，用以作为测量和判定仍然缺乏实际操作支撑；各试验室的结论也不尽一致。对于这一点还有待于进一步研究。

第2部分：瓷质芯体复合绝缘子标准中着重考虑了材料特性、弹性模量、伞型硅橡胶耐污秽的要求、淋雨试验以及大雨闪络试验。

3.3.6 直流用断路器等

——《高压直流输电系统直流转换开关设备》

目前，国内外尚无高压直流开关标准。在±800kV特高压直流输电用直流断路器等标准中，重点针对直流隔离开关及直流转换开关的动静触头支柱动态负荷、带电开合直流滤波器谐波电流的产品触头结构及试验、直流旁路断路器动态性能、金属回线转换断路器、技术参数等方面进行编制。

本体系列入了三项标准：

第一项是隔离开关，直流隔离开关由高压交流隔离开关的单相单元构成，并根据直流应用情况进行适当的改进。主要性能包括：电流值、额定电压、额定最大电压、基本电压（与爬电比距相应）、合闸状态下电流应力、雷电冲击耐受水平、干试条件下对地雷电冲击耐受水平、操作冲击耐受水平、湿试条件下对地操作冲击耐受水平、最小直流电压耐受能力以及正常关断时间等。该项标准适用于高压直流隔离开关和接地开关，包括安装在换流阀组的旁路高压端、极母线、直流滤波器高压端、金属转换回路的开关；也适用于低压直流隔离开关和接地开关，安装位置包括：换流阀组旁路低压端、中性母线、直流滤波器低压端、接地极引线等。

第二项是旁路开关，在±800kV直流系统中为提高系统可用率，每个12脉动换流单元并联一个高速旁路开关。当一个12脉动换流单元因为故障或检修而退出运行时，在其它有关的隔离开关的配合下，高速旁路开关将故障或者需要检修的12脉动换流单元与串联的另外一个12P脉动换流单元隔离，不影响完好的12脉动换流单元继续运行，系统可以进入双极电压不对称运行模式。为使系统尽快重新运行，减少输送功率损失，要采用高速开关。主要技术参数包括开关类型、断口数量、额定电压、最高电压、额定电流、额定峰值耐受电流、额定合闸电流、直流转换电流、瞬态恢复电压（TRV）、瞬态恢复电压上升率、燃弧时间、额定直流耐压(湿试)、雷电冲击耐受水平、操作冲击耐受水平、操动机构类型、主触头接触电阻、绝缘介质、单次储能的操作次数、动作时间、复合支柱绝缘子参数等。

第三项是直流转换开关，产品包括金属回路转换开关( MRTB)、大地回路转换开关(ERTB)、中性母线开关(NBGS)、高速接地开关等。该标准提出了直流开关的功能设计、结构、性能、安装和试验等方面的技术要求，适用于±800kV直流输电用直流开关等。

4.结论

（1）正在建设中的特高压直流输电工程是世界首条最高电压等级的线路，国内外均无适用的主设备技术标准体系。本项目搭建的技术标准体系是力图以满足我国在建和规划中的特高压直流输电工程的需要、兼顾通用性与适用性、并考虑与国际标准接轨的体系。

（2）特高压直流输电系统用主设备标准体系考虑了与现行的±500kV直流输电设备技术标准的关系，对于适用±800kV情况的标准不再另行制定。

（3）通过工程带动和攻关形成的±800kV特高压直流输电系统用主设备的技术标准体系是国际上最高电压等级的标准，在适当的时候，可考虑提交到国际TC，形成以我国技术为主的国际标准提案。