中国电机工程学会2007年一季度理事长、秘书长联席会议

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1 1/431 动力与电气工程学科发展研究报告 (2015) Research report of subject development on power and electrical engineering(2015) 输变电装备技术进展及发展趋势 高克利 中国电力科学研究院 2015 年 11 月

2 目录 2/43 一 引言 二 输变电装备技术进展 三 输变电装备发展趋势 四 建议

3 一 引言 3/43 变压器串补换流变阀侧套管 输变电装备技术 互感器 设计和仿真分析技术材料和加工工艺试验技术等 电 磁 热和力等多个学科 断路器 电缆

4 一 引言 4/43 特高压电网 特高压串联补偿装置 特高压变压器 开关 互感器 电容器和避雷器 杆塔 金具等 智能电网 智能变压器 隔离断路器 新型快速开关 电子式电压互感器 全光纤电流互感器等 其它输变电装备新进展 直流断路器 气体绝缘金属封闭输电线路 (GIL) 500 kv 超高压交联聚乙烯 (XLPE) 高温超导变压器等

5 二 输变电装备最新研究进展 5/43

6 ( 一 ) 串联电容器动态补偿装置及工程应用 6/43 特高压串联补偿 ( 简称串补 ) 装置通过在特高压线路上串联电容器实现对线路感性阻抗的补偿, 达到提高电网输电能力 节省输电投资和走廊等目的 P jx -jx U A C A U B B P= U A U B sin( A - B ) X-X C 交流特高压串联补偿装置 特高压串补装置简化接线示意图

7 ( 一 ) 串联电容器动态补偿装置及工程应用 7/43 特高压串补主要解决了关键技术参数确定 测控系统的强抗电磁干扰能力 火花间隙的通流能力及动作可靠性 超大容量电容器组的设计和保护 限压器的压力释放能力及均流性能 旁路开关快速开合能力以及阻尼装置的结构设计等关键技术问题 串补装置主要设备

8 ( 一 ) 串联电容器动态补偿装置及工程应用 8/43 研究内容主要技术经济指标国内外最先进指标 串补额定参数 旁路开关 - 最高运行电压 :1100kV - 额定电流 :5080A - 额定容量 :2288Mvar - 合闸时间 30ms - 重投入电流 :10kA - 最高运行电压 :765kV - 额定电流 :3150A - 额定容量 :1340Mvar - 合闸时间 35ms - 重投入电流 :6.8kA 关键设备性能 旁路隔离开关 - 转换电流开合能力 6300A,7kV - 转换电流开合能力 1600A,0.4kV 火花间隙 - 额定电压 :120kV - 故障电流耐受能力 :63kA/0.5s - 额定电压 :80kV - 故障电流耐受能力 :63kA/0.2s

9 ( 一 ) 串联电容器动态补偿装置及工程应用 9/43 项目成果全面应用于特高压交流试验示范工程,2011 年 12 月成功投运, 运行安全稳定, 为特高压单回线路稳定输送 500 万千瓦电力发挥了重大作用 特高压串补平台 人工短路试验

10 ( 一 ) 串联电容器动态补偿装置及工程应用 10/43 锡盟 山东等特高压交流工程 承德串补站 远景规划将在蒙西 天津南等多条特高压线路安装串补装置 P10

11 ( 二 )±200kV 高压直流断路器 11/43 与交流输电的网络相比, 目前世界上的直流输电大都为双端系统, 无法实现多点受电和多落点供电 要实现网络化的直流输电构建, 必须要使用断路器, 以在发生故障后隔离设备和线路, 保证系统高可靠运行 随着大规模可再生能源开发和智能电网建设, 直流输电的多端化和网络化发展趋势越来越显著 主支路 超高速机械开关 转移支路 MOV MOV MOV MOV 耗能支路 200kV 直流断路器拓扑

12 ( 二 )±200kV 高压直流断路器 12/43 1. 采用超高速机械隔离开关与大功率 IGBT 全桥级联组件相结合的混合式拓扑结构, 具有双向通流 无弧 限流分断和低损耗等创新性特点 ; 2. 攻克了直流断路器高电位复合供能 毫秒级动作机械开关 快速故障检测等关键技术难题 ; 3. 采用电气与机械结构可协同扩展的模块化设计方案, 可实现直流断路器在各个电压等级的灵活扩展 200kV 高压直流断路器样机

13 ( 二 )±200kV 高压直流断路器 13/ 年, 我国在国际上首次研制成功 ±200kV 高压直流断路器, 可以实现 3ms 内开断 15kA 的故障电流 我国研制成功的 ±200kV 高压直流断路器在国际上的同类产品中额定电压等级最高 开断电流最大 开断速度最快 整体技术达到世界领先水平 项目 国内水平 ABB ALSTOM 额定电压 (kv) ±200 ±80 ±120 额定电流 (ka) 开断电流 (ka) 开断时间 (ms)

14 ( 三 ) 方便运输的特高压大容量变压器 14/43 特高压变压器序列 2011 年 2010 年 2008 年 1500MVA 1000kV 变压器 ( 单柱 500MVA) 00MVA 1000kV 变压器 ( 单柱 334MVA) 1000MVA 1000kV 变压器 ( 单柱 500MVA ) 400MVA 1000kV 升压变压 器

15 ( 三 ) 方便运输的特高压大容量变压器 15/ 年 运输重量 465t 降低到 330t 局部解体方案

16 ( 三 ) 方便运输的特高压大容量变压器 16/ 年 运输重量单件不超过 75t 全部解体方案

17 ( 三 ) 方便运输的特高压大容量变压器 17/43 1. 通过对变压器的全域电场分析, 确保在各种试验电压下, 实现了变压器无局放绝缘结构 ; 2. 成功解决了 1000kV 特大容量变压器的 OFAF 冷却方式下的绕组温升问题 ; 3. 基于局部解体和全部解体技术的特高压变压器现场安装工艺 ; 4. 形成了现场组装特高压变压器解体 运输 组装和现场试验技术规范

18 ( 三 ) 方便运输的特高压大容量变压器 18/43 绝缘水平 最高电压 /kv 1100 额定容量 /MVA 1500/1500/ /1000/334 额定电压 /kv (1050/ 3)/(525/ 3)/110 一次分接 ±5%(9 档 ) ±5%(21 档 ) ( 指有载调压 ) 冷却方式 非导向强油循环风冷 (OFAF) 引出线方式 套管 调压方式 中性点无励磁调压 有载调压 运输方式 解体式 单体式 全波 / 截波 /kv 2250/2400 高压 操作冲击 /kv 1800 工频 /kv 1100 (5min) 全波 / 截波 /kv 1550/1675 中压 操作冲击 /kv 1175 工频 (1min)/kV 630 低压 全波 / 截波 /kv 650 工频 (1min)/kV 230

19 工程应用情况 1. 单柱 500MVA 技术已在 4 个特高压变电站中得到应用 ; 2. 特高压升压变在安徽平圩电厂三期工程投入应用 ; 3. 特高压变压器全部解体技术正依托晋中站建设进行实施 19/43 锡盟 356 蒙西 靖边 晋北北京西 晋东南 300 晋中 340 石家庄 北京东 济南 276 枣庄 140 天津南 223 潍坊 362 徐州 287 雅砻江梯级 雅安 150 乐山 2097 金沙江 I 期 重庆 万县 488 荆门 南阳 安徽平圩电厂 160 淮南皖南武汉 南京 泰州 361 苏州上海 浙北 190 浙中 120 浙南 福州 290

20 四 ) 紧凑型隔离断路器研制成功并在智能变电站中应用 20/43 目前断路器故障率远低于隔离开关, 利用隔离开关将断路器退出回路进行检修的必要性已大为降低 断路器通过集成隔离功能, 即隔离式断路器, 可进一步大幅减少变电站占地面积和现场维护工作量, 同时提高了设备集成度水平 传统变电站 采用隔离断路器

21 四 ) 紧凑型隔离断路器研制成功并在智能变电站中应用 21/43 1. 通过动静触头接触设计 静弧触头材料选用以及灭弧室电场结构优化, 解决了 E2 级电寿命试验后的灭弧室的隔离断口绝缘难题 ; 2. 攻克了断路器支撑绝缘套管和电子式互感器传输光纤一体化制造技术, 可实现将断路器 隔离开关 接地开关 有源或无源电子式电流互感器 SF 6 气体和机械状态监测装置集成为一体, 大幅减少了变电站占地面积和现场维护工作量 动弧触头 电寿命试验 静弧触头 喷口 支柱套管包埋光纤示意图 隔离断路器灭弧室示意图 电寿命后灭弧室示意图 (20)

22 四 ) 紧凑型隔离断路器研制成功并在智能变电站中应用 22/43 国内研制的集成式智能隔离断路器设备额定电压等级已达到国际最高水平, 它的研制成功并投运标志着我国在智能化开关设备领域走在世界的前列 项目 国内水平 国外水平 最高额定电压 (kv) 最高额定电流 (A) 最高额定短路开断电流 (ka) 电寿命能力 E2 级 E1 级 原理 有源 无源 无源 集成电子式电流互感器 环境温度 ( ) -40~+70-40~+40 准确度等级 0.2S 0.2 集成状态监测 SF 6 气体 机械状态 无

23 四 ) 紧凑型隔离断路器研制成功并在智能变电站中应用 23/43 126kV 隔离断路器 252kV 隔离断路器 126kV 武汉未来城应用现场 126kV 重庆大石变应用现场 252kV 重庆大石变应用现场

24 ( 五 ) 特高压交流 SF 6 气体绝缘金属封闭开关设备 24/ 年, 国产额定电压 1100kV, 额定电流 6300A, 额定短路开断电流 63kA 的特高压交流 SF 6 气体绝缘金属封闭开关设备研制成功 产品采用双断口和四断口灭弧室方案, 配用大功率液压或液压弹簧机构, 满足了我国特高压骨干电网日益增长的负荷要求 装设合 / 分闸电阻的双断口断路器 装设合闸电阻的双断口断路器 装设合闸电阻的四断口断路器

25 ( 五 ) 特高压交流 SF 6 气体绝缘金属封闭开关设备 25/43 1. 采用双断口和四断口灭弧室方案 ; 2. 配用大功率液压或液压弹簧机构 ; 3. 开发中攻克了灭弧室开断性能 绝缘性能以及通流能力等技术难题 (a) 双断口结构 (b) 四断口结构 63kA 断路器结构

26 五 ) 特高压交流 SF 6 气体绝缘金属封闭开关设备研制成功 26/43 目前, 我国研制的特高压交流 SF 6 气体绝缘金属封闭开关设备额定电流 额定短路开断电流参数已达到国际最高水平 项目 国内水平 东芝 三菱 日立 额定电压 (kv) 额定电流 (A) 6300/ / / /8000 额定短路开断电流 (ka) 断路器断口数 2/ 额定工频耐受电压 (kv)( 对地 ) 额定雷电冲击耐受电压 (kv) ( 对地 ) 断路器操动机构 液压机构 / 液压弹簧机构 液压机构液压机构液压机构

27 ( 六 )±800kV 换流变阀侧套管 27/ 年, 我国成功自主研制了 ±800kV 胶浸纸换流变阀侧套管额定电流 3600A, 成功解决了多物理场条件下 ±800kV 换流变阀侧套管结构设计难题 我国 ±800kV 胶浸纸换流变阀侧套管

28 ( 七 ) 直流穿墙套管 28/ 年我国成功研制了 ±600kV/630A 胶浸纸直流穿墙套管, 该套管已用于国内高压试验室 2013 年我国自主研制了 ±400kV 纯 SF 6 气体绝缘直流穿墙套管 ; 攻克了交流与直流稳态电场 电 - 热耦合场分布的多物理条件下三维模型电场仿真计算难题, 实现了套管内 外绝缘结构的优化设计 ±600kV/630A 胶浸纸直流穿墙套管 ±400kV/5000A 纯 SF 6 气体绝缘直流穿墙套管

29 ( 八 ) 其它设备 29/43 高压套管 低压套管 油枕 GR 站控层网络 冷却器 变压器智能组件柜 油箱 局部放电信号 风冷装置信号 有载分接开关状态信号 油位信号 顶层油温及油压力信号 光纤测温信号 铁芯接地电流信号 低压电压电流信号 高压电压电流信号 油气信号 智能变压器示意图 非电量保护 IED 非电量保护 IED 测量 IED 测量 IED 监测主 IED 监测主 IED 合并单元合并单元油中溶解气体 IED 油中溶解气体 IED 局部放电监测 IED 局部放电监测 IED 冷却装置控制 IED 冷却装置控制 IED OLTC 控制 IED OLTC 控制 IED 过程层网络 IEC61850 IEC kv/1.25 MVA 超导变压器 国产 500kV 电缆截面图 罐式电容式电压互感器 特高压避雷器 电子式电流互感器

30 三 输变电装备发展趋势 30/43

31 31/43 十三五输变电装备的发展趋势 : 1. 特高压装备趋势 : 工程建设提出的对于装备在特殊环境应用 参数设计优化等方面的新要求 ; 2. 直流输电装备趋势 :±1100kV 换流变压器 ±1100kV 穿墙套管,±500kV 直流电缆 更高电压等级的直流断路器 ; 3. 材料 : 电缆绝缘材料 SF 6 气体替代和石墨烯的应用等

32 ( 一 )±1100kV 特高压换流变压器研制及应用 32/43 在特高压换流变压器方面, 通过技术引进, 实现了 ±800kV 换流变压器的国产化, 成功研制了 ±800kV 特高压直流输电工程用高 低端换流变压器并投入使用 在此基础之上, 国家电网公司将以准东 - 华东工程, 建设首个 ±1100kV 特高压直流输电工程, 系统额定电流为 5455A, 额定输送容量为 12000MW ±1100kV 特高压换流变压器将成为研制重点装备之一 准东 准东 ~ 皖南 ±1100 千伏直流 3400 公里 皖南

33 ( 一 )±1100kV 特高压换流变压器研制及应用 33/43 换流变压器是单体承受 1100kV 全电压 全电流的关键设备, 研发难度极大, 挑战性极强, 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的关键设备 ±1100kV 换流变模型 名称 雷电全波 LI 雷电截波 LIC 交流长时外施 + 局放 交流长时感应 + 局放 直流长时外施 + 局放 网侧绕组 (kv) 阀侧绕组 (kv) Y1 1 Y2 2 端 端 端 端 端 1+ 端 2 端 1 (U1) 端 1 (U2) 端 1+ 端

34 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 34/43 换流变阀侧套管 穿墙套管 直流系统主接线图 在整个直流输电工程中处于 咽喉 位置, 直接关系到其所在极的运行稳定性, 在直流输电系统中处于极其重要的地位 运行条件苛刻, 同时承受很高的电 热和机械应力, 导致套管电场分布复杂 发热严重 应力集中, 研制难度大

35 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 35/43 换流变阀侧套管 直流穿墙套管 目前, 我国超特高压换流站使用的直流套管均被国外少数制造商垄断 然而, 进口直流套管同样故障频发, 给我国带来巨大经济损失和不良社会影响 ±1100kV 特高压直流套管研制是一个世界性难题 成为制约工程建设和设备国产化的瓶颈 必须研发具有自主知识产权的直流套管 打破国外技术垄断, 提高国际竞争力, 带来巨大经济效益和社会效益

36 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 36/43 ±1100kV 环氧支撑绝缘件 地电位 墙体 屏蔽筒 导电杆 ±1100kV 直流穿墙套管 核心技术难点 特高压电压等级直流条件下的环氧浇注绝缘件配方体系及其表面电荷积聚抑制方法难度大 ±1100kV 直流穿墙套管在多种应力 ( 静力 动力或地震 ) 条件下的机械结构设计难度大

37 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 37/43 ±1100kV 换流变阀侧套管 ±1100kV 换流变阀侧套管多物理场 ( 交流电场 直流电场 极性反转暂态场 电 - 热耦合场 ) 复杂绝缘结构电 热场均匀化设计难度大 核心技术难点 ±1100kV 换流变阀侧套管自身发热严重 ( 输送容量提升 谐波影响 ), 且散热条件差, 载流结构设计难度大 ±1100kV 换流变阀侧套管的大尺寸环氧芯体高真空无气隙浸渗及无过热固化技术难度大

38 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 38/43 ±1100kV 直流穿墙套管主要参数指标 ±1100kV 换流变阀侧套管主要参数指标 项目 技术指标 项目 技术指标 额定电压 ±1100kVdc 额定电压 ±1100kVdc 额定电流 5455A 额定电流 5455A 工频 1h 试验电压直流 2h 试验电压 1190kVrms 1683kVdc 工频 1min 试验电压 ( 干 ) 1386kVrms 雷电冲击试验电压 2300kVpeak 直流 2h 试验电压 1920kVdc 操作冲击试验电压 2100kVpeak 雷电冲击试验电压 2415kVpeak 直流极性反转试验 -1400/+1400/- 操作冲击试验电压 2205kVpeak 电压 1400kVdc 直流极性反转试验 -1480/+1480/- 电压 1480kVdc

39 ( 二 )±1100kV 特高压直流套管的自主研制及应用 39/43 ±1100kV 穿墙套管样机 ( 国外 ) 25.5m,6.6t ±1100kV 换流变阀侧套管样机 ( 国外 ) 15.6m,7.9t

40 ( 四 ) ±500 kv 直流断路器研制 40/43 直流断路器可扩展应用于更高电压等级和容量的架空线柔性直流输电系统以及未来直流电网 ; 随着柔性直流输电技术的发展和可关断器件制造水平的提升, 后续将开发更高电压等级 更大分断能力的直流断路器 依托目前快速发展的直流电网技术和国际 国内直流电网规划, 将 ±200kV 高压直流断路器全面推向国内国际市场, 参与到国际市场竞争中, 直接转化为经济效益, 提升我国的重大电力装备的国际竞争力 更为关键的是, 着眼未来直流电网的需求, 进一步掌握 ±500kV 高压直流断路器研制技术, 实现高压直流断路器在柔性直流系统和常规直流系统的全面突破

41 ( 四 ) ±500 kv 直流交联电缆系统关键技术研究 41/43 通过研制 ±500kV 直流交联电缆及附件, 实现工程化应用, 解决占地空间 电磁环保 地理及气候影响和外绝缘等问题, 为无法使用架空线输电的工程需求提供解决方案 ; 通过建立 ±500kV 直流电缆系统性能评价体系, 提高供电可靠性, 提升国内制造技术能力和竞争力 核心技术难点 1 500kV 直流电缆绝缘材料 2 500kV 直流电缆附件 ±500kV 电缆 ( 国外 )

42 四 建议 42/43 在基础材料方面, 建议在行业或更高层面上进行顶层设计, 成立电气绝缘材料研究中心或试验室, 加大研究投入, 实现基础材料研究水平的整体提升

43 谢谢! 43/43

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