专家权威解读特高压设备

韩薇凤

特高压设备的研制是特高压电网建设中关键的一环。虽然国内电力设备制造企业通过自主研发或引进技术等方式已经成功研制了交流750kV变压器、电抗器、GIS、避雷器和直流±500kV换流变压器、平波电抗器等重要电力设备，但百万伏级交流和±800kV直流特高压设备的研制在我国尚属首次，国际上可供借鉴的经验也不多，特高压设备是否能如期顺利出炉还存有悬念。
我国将通过什么方式来满足特高压电网建设需求？国内电力设备制造企业是否有能力承担特高压设备的研制工作？国外的特高压电力设备有哪些地方值得我们借鉴？针对这些问题，本刊采访了变压器、高压开关、避雷器、绝缘子、电力互感器等领域的权威专家，倾听他们对上述问题的权威解答。


变压器



专家：朱英浩（中国工程院院士、沈阳变压器研究所总工程师）


由国家电网公司组织的国内变压器制造企业特高压变压器生产制造能力调研工作已经基本结束，就调研结果来看，特变电工沈阳变压器集团有限公司、特变电工衡阳变压器有限公司、西安西电变压器有限责任公司、保定天威集团等国内变压器制造企业已基本具备研制生产特高压变压器、换流变压器及平波电抗器的能力，只需再增加和改进一些生产设备和试验设备即可，例如，直流发生器的电压要提高到1600～1800kV。
目前遇到的最大技术难题是可调式并联电抗器的问题。因为我国的特高压电网需要长距离输电，所以必须要选用可调式的并联电抗器，而国外的特高压电网使用的并联电抗器为不可调式，没有任何经验供我们借鉴。如今，国家电网公司已经与特变电工沈阳变压器集团有限公司和西安西电变压器有限责任公司签订可调式并联电抗器研究协议，这两家公司将与俄罗斯某研究机构进行合作，共同开发可调式并联电抗器，试制成功后先在500kV的试验线路上试运行，试运行成功后即可在我国特高压电网上挂网运行。此外，由于特高压变压器与换流变压器的容量大、体积大，运输也将是一个大问题。所以，各厂家在设计研制特高压变压器与换流变压器时，还要把如何方便将来运输的问题考虑进去。





高压开关



专家：吴怀权（西安高压电器研究所专家办公室主任）



国内特高压开关设备研制水平现状
我国超高压开关设备的技术发展大致可分为3个阶段：20世纪70年代之前，以引用前苏联550kV及以下电压等级的空气、少油开关为主的仿制阶段；20世纪80-90年代，以吸收西欧、日本等国家550kV SF6断路器（GIS）为主的技术引进与自行开发相结合的技术发展阶段；21世纪以来，进入800~1100kV特高压开关设备的前期预研阶段。
通过多年的技术引进、自行开发和企业的重大技术改造，国内超高压开关设备的技术开发、设计水平和生产能力有了很大提高，并取得了多项重大技术突破和自主创新成果。国内三大开关制造企业——西安西开高压电气股份有限公司、新东北电气（沈阳）高压开关有限公司和平顶山天鹰集团有限责任公司目前正在进行交流800kV高压开关的研制，同时也在积极开展百万伏级特高压开关设备的前期论证和预研工作。西安西开高压电气股份有限公司已率先通过了550kV单断口SF6罐式断路器的样机试验，为开发百万伏级双断口SF6断路器（GIS）打下了基础。
国外特高压电网及开关设备可供借鉴之处
前苏联1985年建成了全长900km的“埃基巴斯图兹-科克切塔夫-库斯坦奈特”1150kV输电线路，设计输电容量为600万kW，采用敞开式变电站、10断口空气断路器。日本于1995年用550kV单断口灭弧室串联组装成1000kV双断口T·GCB用于百万伏级输电线路，随后发展为GIS，断路器采用液压机构、设计阻值为700Ω的分合闸共用电阻和单独的操动机构等。相比之下，日本的特高压电网及开关设备设计较合理、技术较先进，值得我国借鉴。
自主研发与技术合作相结合，逐步实现特高压开关设备的国产化
从整体而言，目前国内高压开关制造企业还不完全具备研制、生产特高压开关设备的能力，而且在短期（2~3年）内也不能完全满足国家特高压电网建设对开关设备的需求。一是由于开发百万伏级产品的技术难度和复杂程度远远大于500kV级产品；二是由于百万伏级开关设备为国内首次开发，国内企业缺少特高压设备的制造经验，国外也无长时间商业运行的成熟经验可供借鉴。
基于我国高压开关行业目前的技术水平和制造能力，可采取以下途径实现百万伏级开关设备国产化。其一，采用技贸结合的方式，引进国外先进技术，进行合作生产，逐步实现国产化，这是最为经济、快速满足特高压工程需求的有效而较现实的途径；其二，鉴于目前国内已具有550kV、50kA单断口SF6罐式断路器和特大功率液压机构的研发基础，再借助于国内相关研究院所和企业的技术力量，采取以自主研发为主、积极进行国际合作的方式，从而实现百万伏级开关设备国产化，这不仅能使研制的产品具有自主知识产权，提高国内企业和产品的核心竞争力，还可造就一支更高水平的技术队伍，但要在短期内解决百万伏级开关设备的设计、制造技术难题，高水平、高可靠地快速满足特高压电网建设要求，有较大难度。因此，采取国内企业自主开发与引进国外先进技术、合作研制相结合，加快国产化进程的方式较为合适。
国内具备特高压开关设备试验的技术能力，但仍需进行重大试验条件的提升改造
西安高压电器研究所（以下简称西高所）是我国高压电器产品开发、研制及试验检测中心，20世纪80年代后期已开展过特高压设备外绝缘特性、绝缘配合等试验技术研究，前几年又参与了我国750kV电网建设的可行性论证。在特高压电网建设中，西安高压电器研究所侧重于特高压开关设备技术标准制定和产品试验。
随着已开展的800kV断路器大容量试验系统技术改造、800kV电气设备绝缘特性及试验研究、800kV高压开关设备大容量试验技术开发和550kV罐式断路器试验技术开发项目等科技攻关以及西高所高压电器试验室三期工程项目建设的即将完成，高压电器试验室的试验检测能力可满足交流500kV整极和800kV1/2极63kA开关设备的试验技术要求，为特高压设备试验条件的建立奠定了基础。
为了满足交、直流百万伏级特高压开关设备的试验要求，西高所还将进行特高压系统技术研究、特高压设备容量试验研究、特高压绝缘试验研究和特高压直流换流阀试验研究工作。此外，西高所现有高压试验大厅最高只能满足750kV级产品绝缘试验，要进行百万伏级特高压设备绝缘试验必须重建高压绝缘试验厅。
鉴于特高压电网工程技术复杂，产生的经济和社会作用与影响巨大，投运后的特高压电网应确保安全、可靠，在开关设备挂网运行前应进行严格检测和较长时间的试运行考核。到目前为止，世界上仅有的3项百万伏级输电示范工程都经过了不同程度的试运行考核。如前苏联1985年建成的1150kV输变电线路采用空气断路器投运1年，意大利1988年建成的1100kV试验线路和户外试验场采用GIS组合电器，日本于1995年建成的1000kV输电线路采用GIS设备。尽管这些百万伏级输电线路后因各自原因未正式投运或降至500kV运行，但在百万伏级试验线路中获得了一些宝贵的研究成果。西高所的户内超高压长期带电试验室曾对550kV GIS设备（西安西开高压电气股份有限公司试品）进行了同时加电压和加电流的长达1年的长期带电试验，达到了预期效果。因此，我国发展特高压电网及其开关设备也应从建设示范工程开始，取得经验，逐步发展。
特高压开关设备研制需有关方面的支持和配合
近期，高压开关行业为配合国家特高压电网建设，进行了积极而有效的前期准备。但鉴于特高压开关设备的研制属系统工程，涉及面广，技术难度大，除了最大限度地发挥开关制造企业自身的技术与制造能力外，还需要相关行业、企业的通力合作，以及上级有关方面的支持。
（1）国家应对特高压开关设备开发、研制所需的巨额资金，给予大力资助。
（2）政府主管部门和有关方面应组织、鼓励国内企业与国外知名公司进行技术交流与贸易合作，以加速百万伏级产品的技术开发研制，促进国产特高压开关设备技术水平的提升。
（3）上级主管部门和有关方面应组织、协调配套件厂，联合开展百万伏级 GIS配套元件（设备）和高性能氧化锌避雷器、电压（流）互感器、高压绝缘套管（特别是有机套管）等相关配套件的技术开发，以确保开关设备的研制进度。
（4）有关方面应积极配合百万伏级特高压开关产品及其试验技术标准的制定，为特高压开关设备设计制造与试验提供技术依据（目前国内尚无百万
伏级相关标准）。
（5）建立和完善百万伏级产品试验装备与系统及试验厂房的技改建设（尤其是特高压绝缘试验场），为国内百万伏级开关设备试验创造条件。





绝缘子、避雷器



专家：贾东旭（西安电瓷研究所总工程师）


我国研制特高压绝缘子、避雷器的基础
对于500kV及以下电压等级的交流电网，我国绝缘子与避雷器行业已为我国电力系统提供了大量的性能可与国外同类产品相媲美的产品，为我国电力系统的安全稳定运行做出了积极的贡献。
随着西北交流750kV电网的建设，国内骨干企业与行业归口研究所相继开发成功了750kV电站瓷套避雷器、750kV线路复合外套避雷器、750kV电站用支柱瓷绝缘子、750kV电气设备用空心瓷绝缘子、300kN/420kN/530kN线路盘形悬式瓷绝缘子和160kN/210kN/300kN/420kN线路棒形悬式复合绝缘子等一系列产品，满足了我国交流750kV电网建设的需要。
近年来，我国高压直流输电（HVDC）工程的建设也取得了长足的发展。国内企业为舟山±100kV直流工程、嵊泗±50kV直流工程、灵宝±120kV背靠背直流工程提供了全套适用的绝缘子和避雷器产品。在500kV HVDC工程的建设中，国内企业开发成功并投运了线路棒型悬式复合绝缘子、直流瓷绝缘子、直流母线避雷器、中型母线避雷器、直流滤波器避雷器和交流滤波器避雷器等产品，同时还研制成功了换流阀避雷器。
可以看出，我国绝缘子与避雷器行业的技术进步基本满足了我国电网建设的需要，两者相互协调、相互促进、共同发展。我国绝缘子与避雷器行业已经取得的成绩为开发特高压产品奠定了坚实的基础。相信国内企业完全有能力为特高压电网的建设提供合格的、技术先进的绝缘子和避雷器产品。
国外特高压绝缘子、避雷器的可供借鉴之处
俄罗斯在其远东地区建设了一条1150kV线路，日本在其东京地区建有一条1000kV线路，因而他们也分别积累了特高压绝缘子与避雷器的制造与运行经验。这些经验对我们今天所要从事的特高压电网建设是有借鉴价值的。俄罗斯研究了线路避雷器限制远距离线路操作过电压的作用，认为沿线路均匀架设无间隙避雷器可以将线路操作过电压限制在很低的水平，这对减小输电走廊与铁塔高度及其质量显然是有益的。日本对绝缘子的污秽特性的研究及GIS避雷器的开发为我们开发同类产品提供了参考。
有待解决的技术课题以及今后努力的方向
特高压设备的国产化是政府、用户、制造商的共同愿望，大家都希望中国的特高压电网是中国人自己的特高压电网，是向全世界展示中国企业实力与水平的特高压电网。因而，相信具有自主知识产权的避雷器与绝缘子一定能在我国的特高压电网上挂网运行。当然，这并不排除部分产品采取中外合作或技术引进的方式，尤其是套管产品。
西安电瓷研究所已组织了精锐力量开始对特高压避雷器与绝缘子进行研究与开发，已明确了技术路线、产品品种及时间进度。今后，我们将按既定的目标开展设计、计算、试验等工作，争取在2007年完成1000kV交流产品的研发。
目前，交流750kV及以上与直流±500kV及以上的套管还主要依赖进口，对300kN/420kN/530kN耐污型玻璃绝缘子，国内企业可提供300kN普通型玻璃绝缘子，高强度耐污型产品还不得不依赖进口，这些都是我国绝缘子和避雷器行业应认真解决的技术课题。
此外，行业相关部门还应尽快作好下面的工作。
（1） 电力部门应在绝缘配合研究的基础上尽快制定设备技术规范书，使制造企业明确技术要求。
（2） 应出台有关的技术标准来统一规范产品的开发、生产、试验及使用。





电力互感器


专家：王晓琪（武汉高压研究所计量管理室主任、电力工业电气设备质量检测中心互感器专业质检站站长）
目前国内互感器的研制情况
针对特高压输电技术，我国的科研院所、学校及电力系统各单位投入了大量的资金和人力，在相关领域做了大量的研究工作，对于特高压交流输电工程中不可缺少的设备——电力互感器也不例外。在特高压输变电设备里，相对断路器、变压器和逆变设备，电力互感器遇到的技术难题要小一些。
近几年，国外电力互感器的知名企业（如Trench－MWB、雷兹、日新等）以合资、独资等各种形式将其资本和技术引入我国，大大提高了我国电力互感器的设计制造水平。从我国500kV交流电力互感器的制造水平和产品质量来看，与国外先进水平的差距并不大，在某些领域甚至在国际上都是领先的，如具有自主知识产权的干式电流互感器，目前已经试制出500kV样机，引起了国外企业的关注。
在±800kV直流输电工程使用的直流电流互感器和电压互感器（直流传感器）的设计制造方面，国内还很欠缺。主要是由于工程需求量少，企业没有积极性，科研院所及高校自然也很难获得这方面的研究经费。
国外特高压线路上的电力互感器
电力互感器有多种类型，不同结构的变电站采用不同类型的电力互感器。对于交流输电工程，独立（敞开）式变电站中的电压互感器可采用电容式电压互感器（CVT）；电流互感器可借用罐式断路器套管作为绝缘，在套管外侧套上电流互感器线圈构成套管式电流互感器。前苏联特高压线路采用的就是上述结构。对于SF6气体绝缘全封闭式变电站（GIS），电压互感器可借用套管式管道一次导体对箱体的分布电容构成电子式电压互感器的电容分压器高压臂，低压臂为集中参数元件。日本特高压线路采用的就是GIS，电压互感器采用的是电子式电压互感器，电流互感器采用的是套管式结构。对于电流互感器的而言，采用GIS结构更方便，可直接将电流互感器线圈套在管道外侧。对于一种特殊形式的电压互感器——电磁式电压互感器而言，随着电压等级的提高，成本指数增加、体积大、质量大，绝缘不好处理，这种互感器在一些国家（如南非、美国、加拿大等）仅应用于800kV电压等级线路。
目前正在开展的研究论证工作
武汉高压研究所在特高压输电技术方面做了许多研究论证工作，有关互感器方面的研究工作主要有如下两方面。
（1） 特高压的量值溯源及量值传递。
特高压的量值溯源及量值传递遇到的难题比高压和超高压要大得多，所需的投入也很大。近年来，武汉高压研究所在交流500~765kV和直流600kV的量值溯源及量值传递方面做了大量工作，研制出测量不确定度为0.01％、交流电压为765kV的电磁式标准电压互感器和0.1级、直流电压为1200kV的双屏蔽标准直流分压器，探索出许多特高压输电工程可以借鉴的成果，交流上限电压的量值溯源及量值传递已经达1100kV的85%。预计适用于1100kV交流电压量值溯源及量值传递的方法研究及设备研制约在2年内可以完成。
（2） 特高压电力互感器的现场校验。
特高压线路的投运除了要解决电气绝缘这一个难题外，另一个就是要解决其现场校验。由于电力互感器承担着电网电量监测、继电保护和电能计量任务，现场使用条件与试验室不同，两种条件下的性能参数可能发生变化，现场校验其误差特性（包括准确性和稳定性）必不可少。
武汉高压研究所已经研究了多种用于特高压电力互感器现场校验的技术和方法，目前正在设计适用于现场的轻便式升压装置和传递标准器。已经研制出的400kV、2A现场轻便式升压装置样机，较传统的同类油浸式串联谐振变压器质量减少60%以上，特别是用直线传动机构替代滚轴方式，使设备抗颠振能力明显增强。交流电压传递标准器采用均衡屏蔽标准电容器，不仅质量小，还具有很强的抗电磁干扰能力。（《电力系统装备》杂志：发布时间：2005-6-17）