0 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源資源與生產(chǎn)力發(fā)展的逆向分布問題日益凸顯。西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離達(dá)到 1000~3 000 km。為實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置，發(fā)展特高壓輸電技術(shù)、構(gòu)建特高壓電網(wǎng)成為必然選擇[1-2]。2005 年國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了特高壓輸電工程關(guān)鍵技術(shù)研究和工程可行性研究。2006 年國(guó)家發(fā)改委明確提出“在保護(hù)生態(tài)的基礎(chǔ)上有序開發(fā)水電，加快電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大西電東送規(guī)?！钡墓ぷ魉悸贰?
通過一系列關(guān)鍵技術(shù)的科研攻關(guān)，1 000 kV 交流試驗(yàn)示范工程和±800 kV 直流示范工程的可研及初步設(shè)計(jì)順利完成，中國(guó)的特高壓輸電技術(shù)研究取得了重要突破。但是要將特高壓輸電作為一項(xiàng)成熟技術(shù)進(jìn)行推廣，已完成的研究深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。一方面，示范工程之后的工程建設(shè)，需要在保證環(huán)境友好的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約；另一方面，在示范工程尤其是±800 kV 直流工程的設(shè)計(jì)中，核心技術(shù)大量采用國(guó)外技術(shù)，直流**設(shè)備完全依賴進(jìn)口，后續(xù)工程中特高壓交、直流設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化任務(wù)還很艱巨。國(guó)內(nèi)的科研單位利用 20 世紀(jì) 80 年代以前建成的超高壓等級(jí)的試驗(yàn)條件，并通過挖潛的方式，在電磁環(huán)境、外絕緣特性、過電壓與絕緣配合等方面進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，提出了特高壓工程關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案。這些試驗(yàn)條件已不能滿足交流1 000 kV 和直流±800 kV 進(jìn)一步深入研究的要求。為此國(guó)家電網(wǎng)公司立項(xiàng)建設(shè)特高壓直流試驗(yàn)基地，其中一個(gè)重要的組成部分就是特高壓試驗(yàn)大廳，為特高壓設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必備的試驗(yàn)手段。
在高電壓技術(shù)研究領(lǐng)域，國(guó)外幾個(gè)知名的科研機(jī)構(gòu)和電氣公司具有大型的高壓試驗(yàn)大廳[3-4]，均建于 20 世紀(jì) 80 年代以前，其建設(shè)規(guī)模和設(shè)備參數(shù)達(dá)到交流 1 000 kV 和直流±800 kV 的試驗(yàn)?zāi)芰Γ⑶以诔?、特高壓輸電技術(shù)研究中發(fā)揮了**作用。通過對(duì)美、加、日特高壓試驗(yàn)基地，以及俄、意、法、ABB、SIEMEMS 等國(guó)家及機(jī)構(gòu)的特高壓試驗(yàn)手段進(jìn)行**深入的調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，隨著電工裝備制造技術(shù)的發(fā)展，這些知名實(shí)驗(yàn)室的一些設(shè)備性能及測(cè)量手段已落后于當(dāng)代，一些關(guān)鍵性指標(biāo)如局放量、直流發(fā)生器的極性轉(zhuǎn)換時(shí)間等，無法滿足按當(dāng)前技術(shù)方案進(jìn)行深入研究的需求。
建設(shè)一個(gè)特高壓等級(jí)的試驗(yàn)大廳成為必然選擇。特高壓試驗(yàn)大廳是我國(guó)特高壓輸電技術(shù)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)手段，也是實(shí)現(xiàn)在該領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)甚至**水平這一遠(yuǎn)大目標(biāo)的前提條件之一。
建設(shè)我國(guó)的特高壓試驗(yàn)大廳不可能照搬 20 世紀(jì) 80 年代前國(guó)外的大廳設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原則與技術(shù)路線應(yīng)該是：在準(zhǔn)確把握我國(guó)特高壓技術(shù)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上明確試驗(yàn)功能；通過充分的論證選定合理、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)指標(biāo)，采取可行的技術(shù)方案*大程度地發(fā)揮大廳的功能及效益。
1 技術(shù)要求
特高壓試驗(yàn)大廳的功能設(shè)計(jì)定位于以滿足特高壓電網(wǎng)建設(shè)與特高壓輸電技術(shù)發(fā)展的需求為目標(biāo)，在此目標(biāo)之下，需要**、系統(tǒng)地梳理能夠在大廳開展的特高壓試驗(yàn)研究所需要建立的試驗(yàn)手段，從而明確其必備的功能與技術(shù)指標(biāo)。
1.1 功能與能力
1.1.1 電壓等級(jí)
為滿足大容量的西南水電送出，已有多條±800 kV 直流輸電工程列入規(guī)劃之中?！?00 kV 直流輸電工程可行性研究成功之后，探索±1 000 kV 級(jí)直流輸電技術(shù)可行性的需求也開始提出。
作為一個(gè)研究能力預(yù)期達(dá)到國(guó)際**水平的試驗(yàn)大廳，有必要在滿足當(dāng)前研究需要的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析 20~30 年內(nèi)的發(fā)展形勢(shì)，做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。因此，特高壓試驗(yàn)大廳的設(shè)計(jì)定位應(yīng)該是在完全具備直流±800 kV 和交流 1 000 kV 試驗(yàn)?zāi)芰Φ那疤嵯?，保證關(guān)鍵性指標(biāo)滿足更高電壓等級(jí)(直流±1 000 kV 級(jí))試驗(yàn)研究的需求。
1.1.2 試驗(yàn)功能
科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)大廳除開展既定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輸變電設(shè)備性能檢測(cè)試驗(yàn)，還需要隨著技術(shù)的進(jìn)步開展研究性試驗(yàn)。因此，特高壓試驗(yàn)大廳的功能設(shè)計(jì)必須從 3 個(gè)方面考慮：1）輸變電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化；2）輸電工程設(shè)計(jì)；3）基礎(chǔ)理論性研究。根據(jù)上述功能定位，需要在 1 000 kV 交流和?1 000 kV 直流等級(jí)下具備下列試驗(yàn)?zāi)芰Γ?
1）輸變電設(shè)備研發(fā)性試驗(yàn)，包括原材料、組部件及成品的電氣性能檢測(cè)，主要是雷電及操作沖擊、工頻、直流電壓耐受，以及介損、局放等。
2）工程設(shè)計(jì)所需的電氣特性試驗(yàn)，包括換流站間隙與線路模擬塔頭間隙的放電試驗(yàn)，導(dǎo)線、金具和絕緣子的起暈電壓和無線電干擾試驗(yàn)等；
3）長(zhǎng)間隙放電機(jī)理及防雷新技術(shù)試驗(yàn)研究等。
1.1.3 試驗(yàn)研究對(duì)象
上述試驗(yàn)功能決定了大廳的試驗(yàn)研究對(duì)象主要為以下 2 大類。
在特高壓輸變電設(shè)備研發(fā)工作中有可能進(jìn)行性能檢測(cè)及試驗(yàn)研究的輸變電設(shè)備有：電抗器、避雷器、互感器、支柱絕緣子、各類套管、氣體絕緣斷路器(gas insulted switchgear，GIS)組部件、隔離開關(guān)、換流閥外殼等。
輸電工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)研究涉及的被試品包括：模擬桿塔、導(dǎo)線(跳線)、金具及絕緣子串等。
1.2 主設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，如何提出合理的試驗(yàn)設(shè)備性能參數(shù)，如何選定滿足預(yù)期性能指標(biāo)的設(shè)備結(jié)構(gòu)型式，需要對(duì)大廳的各項(xiàng)試驗(yàn)功能進(jìn)行指標(biāo)分解，并對(duì)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的制造能力進(jìn)行充分的調(diào)研。
大廳內(nèi)必備的試驗(yàn)主設(shè)備是：工頻、直流和沖擊三大電壓發(fā)生器，發(fā)生器整套系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)必須滿足考核被試品所需電氣性能的要求，該指標(biāo)取決于試
驗(yàn)研究所針對(duì)的輸變電設(shè)備和輸電線路的絕緣水平。
1.2.1 特高壓輸電系統(tǒng)絕緣水平
確定輸變電設(shè)備的絕緣水平應(yīng)以相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，而 1 000 kV 交流和?800 kV 直流輸電技術(shù)還處于研究階段。在前述的關(guān)鍵技術(shù)研究之后，盡管系統(tǒng)的絕緣水平及絕緣配合原則已基本確定，但還沒有形成完備的標(biāo)準(zhǔn)。只能依據(jù)已有的研究成果[5-6]，同時(shí)參考現(xiàn)有超高壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 1 000 kV交流和?800 kV 直流試驗(yàn)研究中可能出現(xiàn)的*大試驗(yàn)電壓做出預(yù)測(cè)，列于表 1。
?1 000 kV 級(jí)輸電技術(shù)的系統(tǒng)性研究國(guó)際上沒有先例，因此沒有現(xiàn)成的絕緣水平數(shù)據(jù)。表 1 所列?1 000 kV 級(jí)試驗(yàn)電壓是在總結(jié)分析已有標(biāo)準(zhǔn)[7-10]
輸電線路途徑海拔 3 000m 以上地區(qū)，今后換流站有可能建在海拔超過 1 000 m 的地點(diǎn)。因此預(yù)留高海拔設(shè)備試驗(yàn)的可能性，表 1 中需要修正的試驗(yàn)電
壓按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。
1.2.2 主設(shè)備額定電壓
主設(shè)備的額定電壓取決于被考核設(shè)備需要達(dá)到的試驗(yàn)電壓，按照式(1)計(jì)算：
Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 為發(fā)生器額定電壓，kV；Umax-test 為*高試驗(yàn)電壓，kV，取表 1 數(shù)值；k1為串級(jí)設(shè)備電壓分布不均勻系數(shù)；k2 為設(shè)備絕緣老化系數(shù)；η為發(fā)生器效率。
三大主設(shè)備的額定電壓計(jì)算值如表 2 所示。
及?800 kV 初步研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上做出預(yù)測(cè)。
表 1 中的設(shè)備耐壓值是幾種典型設(shè)備比較得出的*大值，包括電抗器、穿墻套管、支柱絕緣子等。
特高壓輸電線路距離很長(zhǎng)，西電東送?800 kV 直流輸電線路途徑海拔 3 000m 以上地區(qū)，今后換流站有可能建在海拔超過 1 000 m 的地點(diǎn)。因此預(yù)留高
海拔設(shè)備試驗(yàn)的可能性，表 1 中需要修正的試驗(yàn)電壓按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。
1.2.2 主設(shè)備額定電壓
主設(shè)備的額定電壓取決于被考核設(shè)備需要達(dá)到的試驗(yàn)電壓，按照式(1)計(jì)算：
Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 為發(fā)生器額定電壓，kV；Umax-test 為*高試驗(yàn)電壓，kV，取表 1 數(shù)值；k1為串級(jí)設(shè)備電壓分布不均勻系數(shù)；k2 為設(shè)備絕緣老化系數(shù)；η為發(fā)生器效率。
三大主設(shè)備的額定電壓計(jì)算值如表 2 所示。
1.2.3 主設(shè)備性能指標(biāo)與選型
額定電壓確定后，主設(shè)備選型還需要考慮特高壓試驗(yàn)研究的其他關(guān)鍵性指標(biāo)，并做結(jié)構(gòu)優(yōu)選，盡量采用先進(jìn)技術(shù)及制造工藝。
1）工頻試驗(yàn)變壓器。
額定電壓 1 500 kV，額定電流 2A。關(guān)鍵指標(biāo)：1 500 kV 下無局放。
1 500 kV 試驗(yàn)變壓器的串級(jí)組合方式有2×750 kV 和 3×500 kV 2 種選擇。2×750 kV 的短路阻抗和波形等技術(shù)性能更優(yōu)，但技術(shù)難度大。結(jié)構(gòu)型式可選鐵殼式或絕緣筒式，絕緣筒式較鐵殼式的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便，但是達(dá)到較高性能指標(biāo)的制造難度較大，750 kV 絕緣筒式變壓器屬于國(guó)內(nèi)空白。
經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)變壓器制造廠研發(fā)能力的調(diào)研，以及研發(fā)技術(shù)方案的研討，*終選型為 3 000 kVA/2×750 kV 串級(jí)絕緣筒式。
2）直流電壓發(fā)生器。
額定電壓?2 400 kV，額定電流 200 mA。關(guān)鍵指標(biāo)：?2 100 kV 下耐受 120 min，?1 800 kV 下無局放，?1 500 kV 電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 120s。發(fā)生器采用 4 級(jí)雙邊并聯(lián)串級(jí)回路。為便于移動(dòng)，本體的硅堆柱、交流和直流電容柱安裝在一個(gè)底座上，耦合電容、分壓器和接地開關(guān)固定在另一個(gè)底座上，2 個(gè)部分通過保護(hù)電阻連接成套。
3）沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)型式。
沖擊電壓發(fā)生器參數(shù) 6 MV/450 kJ，級(jí)電壓選300 kV 以增強(qiáng)同步性能。由于發(fā)生器高度較高，為使設(shè)備移動(dòng)時(shí)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用 H 型四柱方形結(jié)構(gòu)，4 只法蘭構(gòu)成剛體支架外掛電容器，20 級(jí)逐級(jí)疊接成塔式。
2 大廳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)
實(shí)現(xiàn)前述試驗(yàn)功能的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是大廳的建設(shè)規(guī)模即凈空尺寸與建筑工藝結(jié)構(gòu)，如何選取*優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要從幾方面進(jìn)行綜合分析，包括設(shè)備尺寸、安全距離、空間利用率以及試驗(yàn)功能的特殊要求等。
2.1 大廳凈空尺寸
大廳的凈空尺寸由試驗(yàn)設(shè)備的*小安全距離和外形尺寸以及試品外形尺寸確定。對(duì)于?1 000 kV級(jí)大廳的建設(shè)規(guī)模而言，凈空尺寸與建筑造價(jià)的相關(guān)性更高，設(shè)備外形尺寸的確定以及*小安全距離的合理選取至關(guān)重要。
2.1.1 設(shè)備*小安全距離
控制大廳凈空尺寸的主要因素是試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的*小安全距離，其中影響*大的是沖擊電壓下的*小安全距離。為提高空間利用率，大廳整體布局還需考慮工頻及直流電壓下的*小安全距離。確定設(shè)備的*小安全距離，可以利用已有的各種間隙放電特性曲線[11-13]，根據(jù)已知試驗(yàn)電壓換算成 U50 查曲線獲得，U50換算公式如下：
U50 = Umax-test/(1?3σ) (2)式中：U50 為空氣間隙 50%放電電壓(峰值)，kV；Umax-test 為*高試驗(yàn)電壓(峰值)， kV，取表 2 中數(shù)據(jù)；σ為間隙放電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，操作波取 8%，工頻取 3%，直流取 1%。
沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)，安全距離的決定因素是標(biāo)準(zhǔn)操作波。確定操作沖擊電壓下設(shè)備安全距離的方法，除查曲線之外，有幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可用[14]。*小安全距離的計(jì)算分析結(jié)果列于表 3。
現(xiàn)有長(zhǎng)間隙操作沖擊放電特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，電壓波形也不全是標(biāo)準(zhǔn)波，只有棒-板間隙曲線達(dá)到需要的電壓值，且已出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果也有較大差別。
通過對(duì)表 3 數(shù)據(jù)的綜合分析，主設(shè)備*小安全距離取值：沖擊電壓發(fā)生器 22 m，工頻電壓發(fā)生器9 m，直流電壓發(fā)生器 5 m。
2.1.2 主設(shè)備外形尺寸
特高壓等級(jí)試驗(yàn)主設(shè)備的外形尺寸計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)是頂部均壓罩設(shè)計(jì)。按照均壓罩限定的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，計(jì)算出均壓罩的曲率半徑與對(duì)地距離。參照已有成型產(chǎn)品的部件結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì) 3 臺(tái)需要研發(fā)的主設(shè)備外形尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì)估算。
1）試驗(yàn)變壓器總高 14 m，頂部均壓罩Φ6 m；分壓器高 12 m，頂部均壓罩Φ3 m。
2）直流發(fā)生器本體總高 20 m，頂部均壓罩Φ11 m；分壓器高 20 m，頂部均壓罩Φ6 m。
3）沖擊發(fā)生器本體高 25 m，頂部均壓罩5.6 m×5.6 m；分壓器高 20 m，頂部均壓罩Φ5.5 m。
2.1.3 被試品外形尺寸
在前述主要被試品中外形尺寸*大的是平波電抗器和穿墻套管，平波電抗器直徑和高度尺寸大，穿墻套管長(zhǎng)度尺寸大。
大廳空間的高度與寬度由沖擊電壓發(fā)生器決定，長(zhǎng)度方向的尺寸主要由試驗(yàn)回路的布置決定，選取穿墻套管作為典型被試品。根據(jù)已有各類成型產(chǎn)品的套管尺寸，按照產(chǎn)品的*新設(shè)計(jì)技術(shù)原則，推算出特高壓套管總長(zhǎng)。預(yù)估為：?800 kV 級(jí)17~18m，?1 000 kV 級(jí) 22~25m。
