特高压试验大厅功能设计与验证

0 引言

随着我国经济的快速发展，能源资源与生产力发展的逆向分布问题日益凸显。西部能源基地与东部负荷中心距离达到 1000~3 000 km。为实现能源资源的优化配置，发展特高压输电技术、构建特高压电网成为必然选择[1-2]。2005 年国家电网公司启动了特高压输电工程关键技术研究和工程可行性研究。2006 年国家发改委明确提出“在保护生态的基础上有序开发水电，加快电网建设，扩大西电东送规模”的工作思路。

通过一系列关键技术的科研攻关，1 000 kV 交流试验示范工程和±800 kV 直流示范工程的可研及初步设计顺利完成，中国的特高压输电技术研究取得了重要突破。但是要将特高压输电作为一项成熟技术进行推广，已完成的研究深度还远远不够。一方面，示范工程之后的工程建设，需要在保证环境友好的同时实现资源节约；另一方面，在示范工程尤其是±800 kV 直流工程的设计中，核心技术大量采用国外技术，直流**设备完全依赖进口，后续工程中特高压交、直流设备的国产化任务还很艰巨。国内的科研单位利用 20 世纪 80 年代以前建成的超高压等级的试验条件，并通过挖潜的方式，在电磁环境、外绝缘特性、过电压与绝缘配合等方面进行了初步的试验研究，提出了特高压工程关键技术问题的解决方案。这些试验条件已不能满足交流1 000 kV 和直流±800 kV 进一步深入研究的要求。为此国家电网公司立项建设特高压直流试验基地，其中一个重要的组成部分就是特高压试验大厅，为特高压设备国产化研发和工程优化设计提供必备的试验手段。

在高电压技术研究领域，国外几个知名的科研机构和电气公司具有大型的高压试验大厅[3-4]，均建于 20 世纪 80 年代以前，其建设规模和设备参数达到交流 1 000 kV 和直流±800 kV 的试验能力，并且在超、特高压输电技术研究中发挥了**作用。通过对美、加、日特高压试验基地，以及俄、意、法、ABB、SIEMEMS 等国家及机构的特高压试验手段进行**深入的调查和研究发现，随着电工装备制造技术的发展，这些知名实验室的一些设备性能及测量手段已落后于当代，一些关键性指标如局放量、直流发生器的极性转换时间等，无法满足按当前技术方案进行深入研究的需求。

建设一个特高压等级的试验大厅成为必然选择。特高压试验大厅是我国特高压输电技术发展必不可少的基础手段，也是实现在该领域达到国际先进甚至**水平这一远大目标的前提条件之一。

建设我国的特高压试验大厅不可能照搬 20 世纪 80 年代前国外的大厅设计，其设计原则与技术路线应该是：在准确把握我国特高压技术发展需求的基础上明确试验功能；通过充分的论证选定合理、经济的技术指标，采取可行的技术方案*大程度地发挥大厅的功能及效益。

1 技术要求

特高压试验大厅的功能设计定位于以满足特高压电网建设与特高压输电技术发展的需求为目标，在此目标之下，需要**、系统地梳理能够在大厅开展的特高压试验研究所需要建立的试验手段，从而明确其必备的功能与技术指标。

1.1 功能与能力

1.1.1 电压等级

为满足大容量的西南水电送出，已有多条±800 kV 直流输电工程列入规划之中。±800 kV 直流输电工程可行性研究成功之后，探索±1 000 kV 级直流输电技术可行性的需求也开始提出。

作为一个研究能力预期达到国际**水平的试验大厅，有必要在满足当前研究需要的基础上，准确分析 20~30 年内的发展形势，做好充分的技术准备。因此，特高压试验大厅的设计定位应该是在完全具备直流±800 kV 和交流 1 000 kV 试验能力的前提下，保证关键性指标满足更高电压等级(直流±1 000 kV 级)试验研究的需求。

1.1.2 试验功能

科研机构的试验大厅除开展既定标准中规定的输变电设备性能检测试验，还需要随着技术的进步开展研究性试验。因此，特高压试验大厅的功能设计必须从 3 个方面考虑：1）输变电设备国产化；2）输电工程设计；3）基础理论性研究。根据上述功能定位，需要在 1 000 kV 交流和1 000 kV 直流等级下具备下列试验能力：

1）输变电设备研发性试验，包括原材料、组部件及成品的电气性能检测，主要是雷电及操作冲击、工频、直流电压耐受，以及介损、局放等。

2）工程设计所需的电气特性试验，包括换流站间隙与线路模拟塔头间隙的放电试验，导线、金具和绝缘子的起晕电压和无线电干扰试验等；

3）长间隙放电机理及防雷新技术试验研究等。

1.1.3 试验研究对象

上述试验功能决定了大厅的试验研究对象主要为以下 2 大类。

在特高压输变电设备研发工作中有可能进行性能检测及试验研究的输变电设备有：电抗器、避雷器、互感器、支柱绝缘子、各类套管、气体绝缘断路器(gas insulted switchgear，GIS)组部件、隔离开关、换流阀外壳等。

输电工程设计关键参数研究涉及的被试品包括：模拟杆塔、导线(跳线)、金具及绝缘子串等。

1.2 主设备技术指标

实现功能设计的关键是确定试验设备的技术指标，如何提出合理的试验设备性能参数，如何选定满足预期性能指标的设备结构型式，需要对大厅的各项试验功能进行指标分解，并对国内试验设备的制造能力进行充分的调研。

大厅内必备的试验主设备是：工频、直流和冲击三大电压发生器，发生器整套系统的技术指标必须满足考核被试品所需电气性能的要求，该指标取决于试

验研究所针对的输变电设备和输电线路的绝缘水平。

1.2.1 特高压输电系统绝缘水平

确定输变电设备的绝缘水平应以相关技术标准为依据，而 1 000 kV 交流和800 kV 直流输电技术还处于研究阶段。在前述的关键技术研究之后，尽管系统的绝缘水平及绝缘配合原则已基本确定，但还没有形成完备的标准。只能依据已有的研究成果[5-6]，同时参考现有超高压等级的标准，对 1 000 kV交流和800 kV 直流试验研究中可能出现的*大试验电压做出预测，列于表 1。

1 000 kV 级输电技术的系统性研究国际上没有先例，因此没有现成的绝缘水平数据。表 1 所列1 000 kV 级试验电压是在总结分析已有标准[7-10]

输电线路途径海拔 3 000m 以上地区，今后换流站有可能建在海拔超过 1 000 m 的地点。因此预留高海拔设备试验的可能性，表 1 中需要修正的试验电

压按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。

1.2.2 主设备额定电压

主设备的额定电压取决于被考核设备需要达到的试验电压，按照式(1)计算：

Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 为发生器额定电压，kV；Umax-test 为*高试验电压，kV，取表 1 数值；k1为串级设备电压分布不均匀系数；k2 为设备绝缘老化系数；η为发生器效率。

三大主设备的额定电压计算值如表 2 所示。

表 1 中的设备耐压值是几种典型设备比较得出的*大值，包括电抗器、穿墙套管、支柱绝缘子等。

特高压输电线路距离很长，西电东送800 kV 直流输电线路途径海拔 3 000m 以上地区，今后换流站有可能建在海拔超过 1 000 m 的地点。因此预留高

海拔设备试验的可能性，表 1 中需要修正的试验电压按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。

1.2.2 主设备额定电压

主设备的额定电压取决于被考核设备需要达到的试验电压，按照式(1)计算：

Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 为发生器额定电压，kV；Umax-test 为*高试验电压，kV，取表 1 数值；k1为串级设备电压分布不均匀系数；k2 为设备绝缘老化系数；η为发生器效率。

三大主设备的额定电压计算值如表 2 所示。

1.2.3 主设备性能指标与选型

额定电压确定后，主设备选型还需要考虑特高压试验研究的其他关键性指标，并做结构优选，尽量采用先进技术及制造工艺。

1）工频试验变压器。

额定电压 1 500 kV，额定电流 2A。关键指标：1 500 kV 下无局放。

1 500 kV 试验变压器的串级组合方式有2×750 kV 和 3×500 kV 2 种选择。2×750 kV 的短路阻抗和波形等技术性能更优，但技术难度大。结构型式可选铁壳式或绝缘筒式，绝缘筒式较铁壳式的结构更简单、移动方便，但是达到较高性能指标的制造难度较大，750 kV 绝缘筒式变压器属于国内空白。

经过对国内试验变压器制造厂研发能力的调研，以及研发技术方案的研讨，*终选型为 3 000 kVA/2×750 kV 串级绝缘筒式。

2）直流电压发生器。

额定电压2 400 kV，额定电流 200 mA。关键指标：2 100 kV 下耐受 120 min，1 800 kV 下无局放，1 500 kV 电压转换时间小于 120s。发生器采用 4 级双边并联串级回路。为便于移动，本体的硅堆柱、交流和直流电容柱安装在一个底座上，耦合电容、分压器和接地开关固定在另一个底座上，2 个部分通过保护电阻连接成套。

3）冲击电压发生器结构型式。

冲击电压发生器参数 6 MV/450 kJ，级电压选300 kV 以增强同步性能。由于发生器高度较高，为使设备移动时整体结构稳定，采用 H 型四柱方形结构，4 只法兰构成刚体支架外挂电容器，20 级逐级叠接成塔式。

2 大厅设计的关键参数

实现前述试验功能的另一个关键技术指标是大厅的建设规模即净空尺寸与建筑工艺结构，如何选取*优的技术经济指标，需要从几方面进行综合分析，包括设备尺寸、安全距离、空间利用率以及试验功能的特殊要求等。

2.1 大厅净空尺寸

大厅的净空尺寸由试验设备的*小安全距离和外形尺寸以及试品外形尺寸确定。对于1 000 kV级大厅的建设规模而言，净空尺寸与建筑造价的相关性更高，设备外形尺寸的确定以及*小安全距离的合理选取至关重要。

2.1.1 设备*小安全距离

控制大厅净空尺寸的主要因素是试验时设备的*小安全距离，其中影响*大的是冲击电压下的*小安全距离。为提高空间利用率，大厅整体布局还需考虑工频及直流电压下的*小安全距离。确定设备的*小安全距离，可以利用已有的各种间隙放电特性曲线[11-13]，根据已知试验电压换算成 U50 查曲线获得，U50换算公式如下：

U50 = Umax-test/(13σ) (2)式中：U50 为空气间隙 50%放电电压(峰值)，kV；Umax-test 为*高试验电压(峰值)， kV，取表 2 中数据；σ为间隙放电试验标准偏差，操作波取 8%，工频取 3%，直流取 1%。

冲击电压试验时，安全距离的决定因素是标准操作波。确定操作冲击电压下设备安全距离的方法，除查曲线之外，有几个经验公式可用[14]。*小安全距离的计算分析结果列于表 3。

现有长间隙操作冲击放电特性的试验数据很少，电压波形也不全是标准波，只有棒-板间隙曲线达到需要的电压值，且已出现饱和趋势。几个经验公式的计算结果也有较大差别。

通过对表 3 数据的综合分析，主设备*小安全距离取值：冲击电压发生器 22 m，工频电压发生器9 m，直流电压发生器 5 m。

2.1.2 主设备外形尺寸

特高压等级试验主设备的外形尺寸计算的关键点是顶部均压罩设计。按照均压罩限定的电晕起始场强，计算出均压罩的曲率半径与对地距离。参照已有成型产品的部件结构尺寸，对 3 台需要研发的主设备外形尺寸进行初步设计估算。

1）试验变压器总高 14 m，顶部均压罩Φ6 m；分压器高 12 m，顶部均压罩Φ3 m。

2）直流发生器本体总高 20 m，顶部均压罩Φ11 m；分压器高 20 m，顶部均压罩Φ6 m。

3）冲击发生器本体高 25 m，顶部均压罩5.6 m×5.6 m；分压器高 20 m，顶部均压罩Φ5.5 m。

2.1.3 被试品外形尺寸

在前述主要被试品中外形尺寸*大的是平波电抗器和穿墙套管，平波电抗器直径和高度尺寸大，穿墙套管长度尺寸大。

大厅空间的高度与宽度由冲击电压发生器决定，长度方向的尺寸主要由试验回路的布置决定，选取穿墙套管作为典型被试品。根据已有各类成型产品的套管尺寸，按照产品的*新设计技术原则，推算出特高压套管总长。预估为：800 kV 级17~18m，1 000 kV 级 22~25m。