摘要：换流站的绝缘配合设计是±1100ｋＶ特高压直流输电工程实施中的关键技术之一，对换流站设备设计、选型、制造和试验均具有重要的指导作用。为合理确定 ±1100ｋＶ换流 站设备的绝缘水平，降低工程的技术难度并提高经济性，基于准东－成都±1100ｋＶ特高压直流输电工程，对±1100ｋＶ特高压换流站的避雷器布置方案和避雷器选型这两个关键问题进行了研究。研究结果表明：对于1100ｋＶ特高压换流站，推荐以±800ｋＶ换流站避雷器布置方案为基础，在高端换流变压器阀侧增加Ａ２避雷器，可以将高端换流变压器阀侧套管绝缘水平从2250ｋＶ降低至2100ｋＶ，高压直流1100ｋＶ穿墙套管的绝缘水平从2250ｋＶ降低至2150ｋＶ；采用特高压交流1000ｋＶ高性能４柱并联避雷器电阻片，可进一步将高端换流变压器阀侧套管绝缘水平降至2000ｋＶ，高压直流1100ｋＶ穿墙套管的绝缘水平降低至2000ｋＶ。
关键词：±1100kV特高压；直流换流站；绝缘配合
±800ｋＶ特高压直流输电工程在我国已经得到顺利开展和实施，向家坝—上海±800ｋＶ特高压直流输电示范工程投运以来已稳定运行＞２ａ。为了满足西北火电、西藏水电等大型能源基地向中东部负荷中心输电，甚至未来的国际乃至洲际能源的超长距离、超大容量的高效送出，需要发展电压等级更高的±1100ｋＶ特高压直流输电技术。
±1100ｋＶ特高压直流系统在国内外尚属首次提出，更没有该电压等级直流输电工程的建设和运行经验可供借鉴。±800ｋＶ直流换流站的高端换流变压器、高压直流800ｋＶ穿墙套管等关键设备的绝缘水平和制造成本已经相当高，而与±800ｋＶ直流输电相比，±1100ｋＶ特高压直流输电的运行电压提高了37.5％，能否限制其关键设备的绝缘水平将直接影响整个工程的经济性甚至可能影响到技术上的可行性。因此，对±1100ｋＶ特高压工程换流站的绝缘配合关键问题进行研究，通过有效的技术手段经济合理地确定换流站关键设备的绝缘水平就显得至关重要。
1.±1100kV关键设备的经济技术特点
高端换流变压器和高压直流1100kV穿墙套管是单体承受1100kV全电压、全电流的关键设备，研发难度极大，将逼近或超出现有绝缘、机械和温升技术的极限，是制约技术可行性和工程建设经济性的关键设备。
1.1高端换流变压器及其阀侧套管
换流变压器是直流输电系统中换流、逆变两端接口的核心设备，由于其阀侧与直流相连，因此换流变压器不仅承受交流电压，而且还需要承受直流电压，这是造成换流变压器与普通变压器结构上不同的根本原因所在。
±1100kV直流输电采用550kV＋550kV的双12脉动换流器串联接线，随着电压等级的提高，位于直流系统最上层的550kV高端换流变压器及其阀侧套管的绝缘水平会进一步上升，将面临设计和制造难度增大、成本急剧上升的问题。
高端换流变压器阀侧套管作为换流变压器的外部连接装置，与换流阀桥臂直接相连，实现换流变压器与换流阀的连接，是换流变压器最主要的组成部件之一。由于其在运行过程中，不仅直接承受来自两侧交直流系统的交直流运行电压，同时还要承受来自换流器的大量特征、非特征谐波，还要受到直流偏磁的影响，运行条件相当严酷，并且不同电压性质的电场分布特性又不同，使其内外绝缘的结构复杂，设计研发难度极大。考虑到其绝缘水平很高，就需要采用更多的绝缘材料，而且绝缘材料的工艺处理程度将直接影响产品的绝缘性能，因此对制造工艺提出了极其严格的要求，制造难度很大，制造成本也非常高昂。
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1.2高压直流1100kV穿墙套管
高压直流1100kV穿墙套管是高压导体进出阀厅的关键设备，运行电压和绝缘水平的进一步上升对其电气性能、机械强度提出了极高的要求，也是特高压直流设备制造的瓶颈之一。
在套管的电气绝缘结构中，既有外绝缘又有内绝缘，在高直流电压的作用下，容易发生电场分布不均的现象，如果结构设计不合理，就可能发生局部放电或沿面闪络，破坏设备的绝缘可靠性。除了合理的结构外，如此高的设备绝缘水平也对绝缘材料皱纹纸的纤维粗细、分布均为性提出了很高的要求。此外，对于长度已经＞２０ｍ的1100kV穿墙套管，其制造工艺相当苛刻，需要严格控制内部芯体绕制等工艺、以保证纸层的紧密均匀、浸渍均匀，无残留气泡等。因此，不论从结构设计、材料选择还是从制造工艺的角度来看，高压直流1100kV穿墙套管的研发和制造成本都将十分巨大。
1.3简要经济性分析
从以往工程经验及±800kV特高压直流工程的实施情况来看，当电压等级达到目前设计中最高的±1100kV后，设备体积和质量进一步增大，如1100kV穿墙套管长度将达到约25ｍ，质量接近18t。因此，设备结构需要进行进一步的优化设计，各类绝缘材料的电气机械特性，如耐高压、耐污秽、耐腐蚀性都需要重新试验验证，此外设备制造工艺也将变得更加困难。
因此，设备成本与绝缘水平之间将呈现出很强烈的非线性特性，±1100kV特高压设备绝缘水平的微小降低，就可以使设备体积、制造成本、试验成本、运输难度等降低很多，从而取得良好的经济技术效益。
2.设备绝缘裕度的选取
电气设备的绝缘耐受电压需高于避雷器的保护水平，这样才能保证换流站内设备在遭受过电压应力时的安全性。设备要求的绝缘耐受电压与避雷 器保护水平的比值即为设备的绝缘裕度。绝缘裕度选取是否合理对整个工程的造价影响很大，在特高压直流输电系统中绝缘水平的略微提高可导致绝缘尺寸的急剧增大。相对于常规电压等级的直流输电系统，特高压直流输电系统的过电压计算更为详尽，在进行绝缘配合设计时，各个设备的绝缘水平应针对某些特定的过电压应力，因此对绝缘裕度的选择与以往常规直流输电工程会有所不同。
换流阀是直流输电系统的核心设备，现代直流输电系统换流阀大多采用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式多重阀结构。换流阀造价昂贵，其绝缘裕度选取得合理与否对整个工程的造价有较大影响。换流阀的绝缘具有以下特点：1）换流阀安装在阀厅内，室内环境条件较好，运行中基本不受外界环境因素(如温度、湿度、灰尘等)的影响，这也是换流阀绝缘区别于其他设备绝缘的最重要原因。2）换流阀单元有严密的监控装置，易于发现出现故障的晶闸管阀和其他阀组件，在每一次检修后，可以认为阀的绝缘耐受能力恢复到初始值。3）随着技术的进步，氧化锌避雷器在运行几年之后仍能够保持良好的伏安特性，保护换流阀的避雷器在过电压应力下仍能起到充分的保护作用。4）降低阀的绝缘水平能降低阀和阀厅的高度，即能降低相应成本。综合考虑上述因素和特高压直流工程的特点，经研究认为在特高压直流系统中适当降低阀的绝缘裕度是可行的，并能带来显著的经济效益。
结语：
值得注意的是，在直流输电系统中避雷器需要耐受直流分量、基波分量和谐波分量，甚至换相过冲等不规则的复杂波形，这些波形将会影响到避雷器的热稳定性、绝缘外套的耐污秽性等。因此，需要对交流1000kV高性能避雷器电阻片在不同的电压波形下进行相关的电位分布试验、加速老化试验、外套绝缘耐受试验等，以充分验证该类型电阻片在特高压直流系统中应用的可行性。
参考文献：
[1]孙昕，刘泽洪，高理迎，等．±800kV 特高压直流工程创新实践[J]．中国电机工程学报，2009,29(22):35-45．
[2]梁旭明，张平，常勇．高压直流输电技术现状及发展前景[J]．电网技术，2012，36(4)：1-9．
论文作者:白龙生
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
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