0 引言

 隨著我國經濟的快速發展，能源資源與生產力發展的逆向分布問題日益凸顯。西部能源基地與東部負荷中心距離達到 1000~3 000 km。為實現能源資源的優化配置，發展特高壓輸電技術、構建特高壓電網成為必然選擇[1-2]。2005 年國家電網公司啟動了特高壓輸電工程關鍵技術研究和工程可行性研究。2006 年國家發改委明確提出“在保護生態的基礎上有序開發水電，加快電網建設，擴大西電東送規模”的工作思路。

 通過一系列關鍵技術的科研攻關，1 000 kV 交流試驗示范工程和±800 kV 直流示范工程的可研及初步設計順利完成，中國的特高壓輸電技術研究取得了重要突破。但是要將特高壓輸電作為一項成熟技術進行推廣，已完成的研究深度還遠遠不夠。一方面，示范工程之后的工程建設，需要在保證環境友好的同時實現資源節約；另一方面，在示范工程尤其是±800 kV 直流工程的設計中，核心技術大量采用國外技術，直流**設備完全依賴進口，后續工程中特高壓交、直流設備的國產化任務還很艱巨。國內的科研單位利用 20 世紀 80 年代以前建成的超高壓等級的試驗條件，并通過挖潛的方式，在電磁環境、外絕緣特性、過電壓與絕緣配合等方面進行了初步的試驗研究，提出了特高壓工程關鍵技術問題的解決方案。這些試驗條件已不能滿足交流1 000 kV 和直流±800 kV 進一步深入研究的要求。為此國家電網公司立項建設特高壓直流試驗基地，其中一個重要的組成部分就是特高壓試驗大廳，為特高壓設備國產化研發和工程優化設計提供必備的試驗手段。

 在高電壓技術研究領域，國外幾個知名的科研機構和電氣公司具有大型的高壓試驗大廳[3-4]，均建于 20 世紀 80 年代以前，其建設規模和設備參數達到交流 1 000 kV 和直流±800 kV 的試驗能力，并且在超、特高壓輸電技術研究中發揮了**作用。通過對美、加、日特高壓試驗基地，以及俄、意、法、ABB、SIEMEMS 等國家及機構的特高壓試驗手段進行**深入的調查和研究發現，隨著電工裝備制造技術的發展，這些知名實驗室的一些設備性能及測量手段已落后于當代，一些關鍵性指標如局放量、直流發生器的極性轉換時間等，無法滿足按當前技術方案進行深入研究的需求。

 建設一個特高壓等級的試驗大廳成為必然選擇。特高壓試驗大廳是我國特高壓輸電技術發展必不可少的基礎手段，也是實現在該領域達到國際先進甚至**水平這一遠大目標的前提條件之一。

 建設我國的特高壓試驗大廳不可能照搬 20 世紀 80 年代前國外的大廳設計，其設計原則與技術路線應該是：在準確把握我國特高壓技術發展需求的基礎上明確試驗功能；通過充分的論證選定合理、經濟的技術指標，采取可行的技術方案*大程度地發揮大廳的功能及效益。

1 技術要求

 特高壓試驗大廳的功能設計定位于以滿足特高壓電網建設與特高壓輸電技術發展的需求為目標，在此目標之下，需要**、系統地梳理能夠在大廳開展的特高壓試驗研究所需要建立的試驗手段，從而明確其必備的功能與技術指標。

1.1 功能與能力

1.1.1 電壓等級

 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劃之中。±800 kV 直流輸電工程可行性研究成功之后，探索±1 000 kV 級直流輸電技術可行性的需求也開始提出。

 作為一個研究能力預期達到國際**水平的試驗大廳，有必要在滿足當前研究需要的基礎上，準確分析 20~30 年內的發展形勢，做好充分的技術準備。因此，特高壓試驗大廳的設計定位應該是在完全具備直流±800 kV 和交流 1 000 kV 試驗能力的前提下，保證關鍵性指標滿足更高電壓等級(直流±1 000 kV 級)試驗研究的需求。

1.1.2 試驗功能

 科研機構的試驗大廳除開展既定標準中規定的輸變電設備性能檢測試驗，還需要隨著技術的進步開展研究性試驗。因此，特高壓試驗大廳的功能設計必須從 3 個方面考慮：1）輸變電設備國產化；2）輸電工程設計；3）基礎理論性研究。根據上述功能定位，需要在 1 000 kV 交流和?1 000 kV 直流等級下具備下列試驗能力：

 1）輸變電設備研發性試驗，包括原材料、組部件及成品的電氣性能檢測，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）工程設計所需的電氣特性試驗，包括換流站間隙與線路模擬塔頭間隙的放電試驗，導線、金具和絕緣子的起暈電壓和無線電干擾試驗等；

3）長間隙放電機理及防雷新技術試驗研究等。

1.1.3 試驗研究對象

上述試驗功能決定了大廳的試驗研究對象主要為以下 2 大類。

 在特高壓輸變電設備研發工作中有可能進行性能檢測及試驗研究的輸變電設備有：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、換流閥外殼等。

輸電工程設計關鍵參數研究涉及的被試品包括：模擬桿塔、導線(跳線)、金具及絕緣子串等。

1.2 主設備技術指標

 實現功能設計的關鍵是確定試驗設備的技術指標，如何提出合理的試驗設備性能參數，如何選定滿足預期性能指標的設備結構型式，需要對大廳的各項試驗功能進行指標分解，并對國內試驗設備的制造能力進行充分的調研。

 大廳內必備的試驗主設備是：工頻、直流和沖擊三大電壓發生器，發生器整套系統的技術指標必須滿足考核被試品所需電氣性能的要求，該指標取決于試

驗研究所針對的輸變電設備和輸電線路的絕緣水平。

1.2.1 特高壓輸電系統絕緣水平

 確定輸變電設備的絕緣水平應以相關技術標準為依據，而 1 000 kV 交流和?800 kV 直流輸電技術還處于研究階段。在前述的關鍵技術研究之后，盡管系統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準。只能依據已有的研究成果[5-6]，同時參考現有超高壓等級的標準，對 1 000 kV交流和?800 kV 直流試驗研究中可能出現的*大試驗電壓做出預測，列于表 1。

 ?1 000 kV 級輸電技術的系統性研究國際上沒有先例，因此沒有現成的絕緣水平數據。表 1 所列?1 000 kV 級試驗電壓是在總結分析已有標準[7-10]

 輸電線路途徑海拔 3 000m 以上地區，今后換流站有可能建在海拔超過 1 000 m 的地點。因此預留高海拔設備試驗的可能性，表 1 中需要修正的試驗電

壓按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。

1.2.2 主設備額定電壓

主設備的額定電壓取決于被考核設備需要達到的試驗電壓，按照式(1)計算：

 Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 為發生器額定電壓，kV；Umax-test 為*高試驗電壓，kV，取表 1 數值；k1為串級設備電壓分布不均勻系數；k2 為設備絕緣老化系數；η為發生器效率。

三大主設備的額定電壓計算值如表 2 所示。

 表 1 中的設備耐壓值是幾種典型設備比較得出的*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，西電東送?800 kV 直流輸電線路途徑海拔 3 000m 以上地區，今后換流站有可能建在海拔超過 1 000 m 的地點。因此預留高

 海拔設備試驗的可能性，表 1 中需要修正的試驗電壓按照 GB/T 311.1 做 2 000 m 海拔修正。

1.2.2 主設備額定電壓

主設備的額定電壓取決于被考核設備需要達到的試驗電壓，按照式(1)計算：

 Ue= Umax-testk1k2 /η (1)式中：Ue 為發生器額定電壓，kV；Umax-test 為*高試驗電壓，kV，取表 1 數值；k1為串級設備電壓分布不均勻系數；k2 為設備絕緣老化系數；η為發生器效率。

三大主設備的額定電壓計算值如表 2 所示。

1.2.3 主設備性能指標與選型

 額定電壓確定后，主設備選型還需要考慮特高壓試驗研究的其他關鍵性指標，并做結構優選，盡量采用先進技術及制造工藝。

1）工頻試驗變壓器。

額定電壓 1 500 kV，額定電流 2A。關鍵指標：1 500 kV 下無局放。

 1 500 kV 試驗變壓器的串級組合方式有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性能更優，但技術難度大。結構型式可選鐵殼式或絕緣筒式，絕緣筒式較鐵殼式的結構更簡單、移動方便，但是達到較高性能指標的制造難度較大，750 kV 絕緣筒式變壓器屬于國內空白。

 經過對國內試驗變壓器制造廠研發能力的調研，以及研發技術方案的研討，*終選型為 3 000 kVA/2×750 kV 串級絕緣筒式。

2）直流電壓發生器。

 額定電壓?2 400 kV，額定電流 200 mA。關鍵指標：?2 100 kV 下耐受 120 min，?1 800 kV 下無局放，?1 500 kV 電壓轉換時間小于 120s。發生器采用 4 級雙邊并聯串級回路。為便于移動，本體的硅堆柱、交流和直流電容柱安裝在一個底座上，耦合電容、分壓器和接地開關固定在另一個底座上，2 個部分通過保護電阻連接成套。

3）沖擊電壓發生器結構型式。

 沖擊電壓發生器參數 6 MV/450 kJ，級電壓選300 kV 以增強同步性能。由于發生器高度較高，為使設備移動時整體結構穩定，采用 H 型四柱方形結構，4 只法蘭構成剛體支架外掛電容器，20 級逐級疊接成塔式。

2 大廳設計的關鍵參數

 實現前述試驗功能的另一個關鍵技術指標是大廳的建設規模即凈空尺寸與建筑工藝結構，如何選取*優的技術經濟指標，需要從幾方面進行綜合分析，包括設備尺寸、安全距離、空間利用率以及試驗功能的特殊要求等。

2.1 大廳凈空尺寸

 大廳的凈空尺寸由試驗設備的*小安全距離和外形尺寸以及試品外形尺寸確定。對于?1 000 kV級大廳的建設規模而言，凈空尺寸與建筑造價的相關性更高，設備外形尺寸的確定以及*小安全距離的合理選取至關重要。

2.1.1 設備*小安全距離

 控制大廳凈空尺寸的主要因素是試驗時設備的*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]，根據已知試驗電壓換算成 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*高試驗電壓(峰值)， kV，取表 2 中數據；σ為間隙放電試驗標準偏差，操作波取 8%，工頻取 3%，直流取 1%。

 沖擊電壓試驗時，安全距離的決定因素是標準操作波。確定操作沖擊電壓下設備安全距離的方法，除查曲線之外，有幾個經驗公式可用[14]。*小安全距離的計算分析結果列于表 3。

 現有長間隙操作沖擊放電特性的試驗數據很少，電壓波形也不全是標準波，只有棒-板間隙曲線達到需要的電壓值，且已出現飽和趨勢。幾個經驗公式的計算結果也有較大差別。

 通過對表 3 數據的綜合分析，主設備*小安全距離取值：沖擊電壓發生器 22 m，工頻電壓發生器9 m，直流電壓發生器 5 m。

2.1.2 主設備外形尺寸

 特高壓等級試驗主設備的外形尺寸計算的關鍵點是頂部均壓罩設計。按照均壓罩限定的電暈起始場強，計算出均壓罩的曲率半徑與對地距離。參照已有成型產品的部件結構尺寸，對 3 臺需要研發的主設備外形尺寸進行初步設計估算。

 1）試驗變壓器總高 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，穿墻套管長度尺寸大。

 大廳空間的高度與寬度由沖擊電壓發生器決定，長度方向的尺寸主要由試驗回路的布置決定，選取穿墻套管作為典型被試品。根據已有各類成型產品的套管尺寸，按照產品的*新設計技術原則，推算出特高壓套管總長。預估為：?800 kV 級17~18m，?1 000 kV 級 22~25m。