特高壓工程大規(guī)模建設(shè)，核心裝備是關(guān)鍵。為促進(jìn)特高壓交流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)特高壓交流變壓器、氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)、串聯(lián)補(bǔ)償裝置和避雷器等關(guān)鍵裝備的最新技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

　　結(jié)果表明：特高壓變壓器應(yīng)選擇局部放電概率為1‰時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度允許值作為許用場(chǎng)強(qiáng)；采用器身端部磁屏蔽、油箱電屏蔽、油箱磁屏蔽、采用不導(dǎo)磁鋼板等漏磁控制措施可有效降低1500MVA大容量特高壓變壓器的漏磁和溫升；特高壓斷路器的開(kāi)斷能力可達(dá)63kA，采用基于“三回路法”的合成試驗(yàn)回路可突破試驗(yàn)設(shè)備限制，完成1100kV斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)；明確了通過(guò)在“立式”隔離開(kāi)關(guān)靜觸頭側(cè)安裝阻尼電阻來(lái)限制VFTO的幅值和頻率；提出了從持續(xù)運(yùn)行電壓的角度出發(fā)，特高壓避雷器的額定電壓降低到780kV是安全的。未來(lái)特高壓交流輸變電裝備應(yīng)在高可靠性、大容量、新工作原理和性能參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行深入研究。

　　特高壓交流變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、串補(bǔ)裝置和避雷器是特高壓交流輸電工程的主要核心裝備，本次將重點(diǎn)對(duì)這4類(lèi)設(shè)備的最新技術(shù)發(fā)展進(jìn)行梳理和總結(jié)。

　　特高壓變壓器發(fā)展

　　我國(guó)研制成功的特高壓變壓器，絕緣水平、損耗值、噪聲水平等技術(shù)性能指標(biāo)全面超越了日本及前蘇聯(lián)的產(chǎn)品，并且實(shí)現(xiàn)了無(wú)局放絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)解決漏磁和溫升控制等問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了特高壓?jiǎn)沃萘窟M(jìn)一步提升，由單柱334MVA提升到500MVA容量，單臺(tái)容量達(dá)到1500MVA；實(shí)現(xiàn)了局部解體和全部解體不同方式，解決了由于運(yùn)輸限制對(duì)于大容量特高壓變壓器的限制。這里就絕緣水平、設(shè)計(jì)和漏磁控制等問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

　　1.絕緣水平

　　特高壓變壓器絕緣水平的少量增加將導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸和重量的顯著增加。對(duì)于特高壓系統(tǒng)而言，限制產(chǎn)品的尺寸和重量、保證運(yùn)輸可行性已經(jīng)成為矛盾的主要方面。為控制特高壓變壓器的制造難度、保證安全可靠性、方便運(yùn)輸安裝，首先需要在系統(tǒng)上采取措施，深度限制各類(lèi)過(guò)電壓，從而降低對(duì)絕緣水平的要求，這也是特高壓系統(tǒng)區(qū)別于高壓和超高壓系統(tǒng)的主要技術(shù)特征。

　　中國(guó)的特高壓工程采用高性能避雷器和斷路器合閘電阻，并在線路裝設(shè)特高壓并聯(lián)電抗器，成功實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)過(guò)電壓的深度控制。過(guò)電壓的限制水平如表1所示。

　　過(guò)電壓的深度限制為降低變壓器的絕緣水平奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)過(guò)電壓水平，分別確定了特高壓的絕緣水平為雷電2250kV、操作1800kV、工頻1100kV(5min)。我國(guó)特高壓變壓器絕緣水平見(jiàn)表2所示。

　　2.特高壓變壓器絕緣設(shè)計(jì)

　　特高壓變壓器的設(shè)計(jì)通過(guò)全場(chǎng)域分析方法，對(duì)變壓器內(nèi)部各部位進(jìn)行電場(chǎng)分析。作為判斷依據(jù)，各部位許用場(chǎng)強(qiáng)的選擇直接關(guān)系到其分析對(duì)象的絕緣裕度控制以及變壓器的可靠性。許用場(chǎng)強(qiáng)選擇過(guò)大，變壓器絕緣設(shè)計(jì)結(jié)果將無(wú)法滿足運(yùn)輸限界對(duì)于變壓器尺寸的要求；許用場(chǎng)強(qiáng)選擇過(guò)小，將無(wú)法有效控制變壓器局部放電發(fā)生，甚至出現(xiàn)絕緣擊穿。特高壓變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行電壓下的絕緣性能主要取決于其內(nèi)絕緣的局部放電水平。變壓器的短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間局部放電概率可由韋伯爾(Welbull)分布方程得到，約為1%-2%，如式(1)所示。

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)期間局部放電概率遠(yuǎn)低于2%。對(duì)于重要設(shè)備，局部放電的概率應(yīng)控制在0.1%-0.2%的水平，并由此確定試驗(yàn)電壓Ut和試驗(yàn)時(shí)間tt。許用場(chǎng)強(qiáng)的選擇在結(jié)合以往電壓等級(jí)變壓器和特高壓變壓器模型試驗(yàn)研究相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇局部放電概率為1‰時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度允許值作為相關(guān)判據(jù)。

　　另外，由于特高壓變壓器單柱線圈容量較大，致使線圈、鐵芯等相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸大。這就導(dǎo)致在高電位的線圈、引線等部位，與地電位如箱壁、鐵芯之間存在著大量油隙距離大的區(qū)域，包括柱間1000kV引線到箱壁，500kV連線到箱壁等。這在其它電壓等級(jí)的變壓器設(shè)計(jì)中是不存在問(wèn)題的。必須在結(jié)合工藝加工能力的基礎(chǔ)上，對(duì)該類(lèi)油隙進(jìn)行分隔處理，以避免大油隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)的飽和特性對(duì)絕緣可靠性的影響。圖1給出了油體積效應(yīng)（stressedoilvolume，SOV）試驗(yàn)曲線。

　　針對(duì)這種情況，在變壓器上對(duì)器身到油箱之間、器身到旁軛之間的適形隔板的形狀進(jìn)行了優(yōu)化，采用適形隔板（弧形隔板），將器身與油箱之間的大油隙進(jìn)一步分割，形成多層小油隙，優(yōu)化后的絕緣隔板見(jiàn)圖2。優(yōu)化后的適形隔板在器身裝配前不需要進(jìn)行壓彎干燥處理，大大簡(jiǎn)化了工藝操作過(guò)程，減少工作量，而且減小了隔板干燥處理后的變形量。

　　2008年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了三柱式特高壓變壓器的成功研制，單柱容量334MVA，攻克了1000kV特高壓變壓器包括器身絕緣在內(nèi)的主縱絕緣等難題，并在工程中得到檢驗(yàn)和應(yīng)用。

　　3.大容量特高壓變壓器漏磁和溫升控制

　　在成功研制三柱式特高壓變壓器基礎(chǔ)之上，我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展單柱500MVA的特高壓變壓器設(shè)計(jì)，并于2010年成功研制1000MVA、1000kV變壓器（兩柱結(jié)構(gòu)），成功解決了由于單柱容量提升帶來(lái)的漏磁控制問(wèn)題，其變壓器接線原理圖見(jiàn)圖3，同期還成功研制了400MVA的特高壓升壓變樣機(jī)，并依托相關(guān)工程得到應(yīng)用；2011年成功研制了1500MVA、1000kV變壓器（三柱結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)了特高壓變壓器容量的提升，與特高壓輸電線路輸電容量更好的匹配；在此基礎(chǔ)之上，為解決容量提升導(dǎo)致變壓器運(yùn)輸受限的問(wèn)題，我國(guó)于2013年和2014年分別成功研制了局部解體和全部解體式1500MVA特高壓變壓器，徹底解決了運(yùn)輸對(duì)于特高壓變壓器應(yīng)用的限制。

　　對(duì)于1500MVA特高壓變壓器，單柱線圈容量達(dá)到500MVA，須對(duì)線圈主空道、油箱、夾件、拉板等部位磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行逐一分析，采取針對(duì)性的漏磁屏蔽措施，降低雜散損耗，防止局部過(guò)熱。圖4和圖5分別給出了變壓器主空道磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖和夾件磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖。

　　計(jì)算線圈主空道磁感應(yīng)強(qiáng)度分布所得最大磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)在高、中壓線圈主空道處，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值為0.3555T。計(jì)算油箱、夾件、拉板磁感應(yīng)強(qiáng)度分布所得：油箱上最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.92637T，夾件最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.87459T，拉板最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.091689T。針對(duì)漏磁控制所采取的措施包括：

　　（1）器身端部磁屏蔽：在器身上下端設(shè)置磁屏蔽，形成有效的磁分路，以改善漏磁分布，將進(jìn)入其附近金屬結(jié)構(gòu)件的漏磁通分流，使繞組在端部的漏磁通經(jīng)過(guò)磁分路自成回路，吸引磁力線進(jìn)入鐵芯，不僅可以減少進(jìn)入夾件的漏磁通，從而減小夾件中的雜散損耗，還會(huì)減少橫向漏磁通分量，從而使繞組導(dǎo)線中的附加損耗相應(yīng)減少。

　　（2）油箱電屏蔽：在油箱側(cè)蓋內(nèi)壁以及下節(jié)油箱內(nèi)壁設(shè)置銅屏蔽，使漏磁通進(jìn)入銅屏蔽后在其中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生去磁作用，從而減少進(jìn)入油箱壁的漏磁通，減少油箱中的雜散損耗，避免了油箱壁中可能的局部過(guò)熱，同時(shí)將銅屏蔽壓彎進(jìn)入箱沿間，防止箱沿過(guò)熱。

　　（3）油箱磁屏蔽：在油箱內(nèi)壁上鋪設(shè)磁屏蔽，使得漏磁通大部分進(jìn)入到磁屏蔽中，減少進(jìn)入油箱壁中的漏磁通，相應(yīng)減少油箱中的雜散損耗，防止局部過(guò)熱。

　　（4）不導(dǎo)磁鋼板：在上下節(jié)油箱有大電流經(jīng)過(guò)的地方采用不導(dǎo)磁鋼板，阻止大電流產(chǎn)生的漏磁通進(jìn)入油箱，防止局部過(guò)熱。表3中給出了各結(jié)構(gòu)件對(duì)油的熱點(diǎn)溫升，并與特高壓交流試驗(yàn)示范工程O(píng)DFPS?1000000/1000荊門(mén)站變壓器的最大漏磁強(qiáng)度、各結(jié)構(gòu)件的溫升進(jìn)行了對(duì)比。從表3可以看到，1500MVA/1000kV變壓器的最大漏磁強(qiáng)度比1000MVA/1000kV變壓器約大1.17倍，從計(jì)算結(jié)果看500MVA變壓器的油箱、夾件和拉板的溫升略高于1000MVA變壓器，說(shuō)明該變壓器上采取的防漏磁措施是有效的，將漏磁和局部過(guò)熱控制在允許范圍內(nèi)，充分保證變壓器的安全可靠運(yùn)行。

　　依托特高壓工程實(shí)踐，在特高壓交流變壓器方面，我國(guó)已具備了1000kV特高壓交流變壓器自主設(shè)計(jì)制造能力，研制出特高壓大容量變壓器系列產(chǎn)品，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。隨著特高壓工程規(guī)模化建設(shè)，以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)的潛在需求，我國(guó)特高壓變壓器未來(lái)將在進(jìn)一步提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)性利用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在運(yùn)特高壓變壓器狀態(tài)，適合運(yùn)輸和運(yùn)行環(huán)境的解體式變壓器，提高輸電可靠性等方面進(jìn)一步發(fā)展，如研發(fā)自適應(yīng)可調(diào)參數(shù)的特高壓變壓器、具備關(guān)鍵性能參數(shù)全監(jiān)測(cè)的特高壓變壓器等。