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類設(shè)備的最新技術(shù)發(fā)展進(jìn)行梳理和總結(jié)。
特高壓氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)展
我國(guó)的特高壓變電站均采用特高壓GIS，由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電流互感器和母線等設(shè)備構(gòu)成。前期，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)和國(guó)外企業(yè)合作研發(fā)了特高壓GIS，額定短路開(kāi)斷電流為50kA，于2009年在晉東南-南陽(yáng)-荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程成功投入運(yùn)行。2011年后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始著手特高壓GIS國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)提升工作，研制出短路開(kāi)斷能力63kA的產(chǎn)品，投入特高壓交流試驗(yàn)示范工程擴(kuò)建工程運(yùn)行。隨后，實(shí)現(xiàn)了特高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)、盆式和支撐絕緣子的國(guó)產(chǎn)化，在皖電東送和浙福特高壓交流輸電工程中大量應(yīng)用，技術(shù)參數(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
特高壓GIS研制過(guò)程中，特高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、盆式絕緣子等部件的研發(fā)，以及大短路電流開(kāi)斷、特快速瞬態(tài)過(guò)電壓（VFTO）抑制和高絕緣設(shè)計(jì)等是關(guān)鍵難題，下面進(jìn)行分別介紹。
1.特高壓斷路器
特高壓斷路器電壓高，短路開(kāi)斷電流大，直流分量衰減時(shí)間常數(shù)達(dá)120ms，開(kāi)斷困難；需建立等效實(shí)際開(kāi)斷工況的試驗(yàn)回路，對(duì)開(kāi)斷試驗(yàn)提出了更高要求，需要開(kāi)展絕緣、短路開(kāi)斷和試驗(yàn)技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)斷路器的絕緣性能、開(kāi)斷能力和試驗(yàn)技術(shù)等開(kāi)展了深入研究，研制出雙斷口/四斷口、開(kāi)斷能力63kA的特高壓斷路器。
1）絕緣性能
根據(jù)斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)合SF6、環(huán)氧樹(shù)脂、陶瓷等材質(zhì)不同介電常數(shù)，建立了電場(chǎng)仿真模型，對(duì)絕緣特性進(jìn)行了分析計(jì)算，見(jiàn)圖6。滅弧室斷口的計(jì)算條件為一端施加2400kV雷電沖擊電壓，另一端施加反極性峰值為635kV的工頻電壓，即900kV，這是最為苛刻的條件。根據(jù)電場(chǎng)要求對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)驗(yàn)證滿足了絕緣要求。
2）開(kāi)斷能力
在開(kāi)斷能力50kA斷路器的基礎(chǔ)上，對(duì)滅弧室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜合考慮分閘速度、壓氣室容積、噴口形狀及開(kāi)斷電流等條件的影響，對(duì)斷路器開(kāi)斷63kA短路電流過(guò)程中的氣體壓力進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，氣壓分布見(jiàn)圖7，壓氣室和噴口處獲得了較高的、理想的氣壓。通過(guò)斷路器樣機(jī)進(jìn)行的性能驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)分閘速度、燃弧時(shí)間、燃弧區(qū)間、預(yù)擊穿時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。型式試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的特高壓斷路器具有優(yōu)越的大短路電流開(kāi)斷能力。
3）操動(dòng)機(jī)構(gòu)特高壓斷路器采用大功率液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)操作特性及穩(wěn)定性提出了很高要求。在開(kāi)斷能力50kA的特高壓斷路器用液壓機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，按照模塊化設(shè)計(jì)，增大機(jī)構(gòu)輸出功率，采用大流量快動(dòng)閥、集成式多級(jí)緩沖系統(tǒng)及格來(lái)圈、斯特封形式的密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化各結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了優(yōu)異的機(jī)械特性，同時(shí)具有操作速度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。
4）短路開(kāi)斷試驗(yàn)技術(shù)
我國(guó)特高壓斷路器的短路開(kāi)斷試驗(yàn)采用電流引入合成試驗(yàn)方法，試驗(yàn)時(shí)適當(dāng)調(diào)整電壓源的引入電流和頻率以滿足零區(qū)考核等價(jià)性的要求。當(dāng)額定電壓高于800kV時(shí)，電流引入法的試驗(yàn)設(shè)備達(dá)到極限，不能滿足特高壓斷路器的整極試驗(yàn)要求。為此，提出了一種“三回路法”的合成試驗(yàn)回路，試驗(yàn)接線見(jiàn)圖8。在大電流階段，通過(guò)試品的電流由電流源提供，過(guò)零開(kāi)斷前適當(dāng)時(shí)刻第1套電壓回路投入，被試斷路器中流過(guò)由電流源和第1套電壓回路共同提供的電流；試品過(guò)零開(kāi)斷后，由第1套電壓回路在斷路器一端提供TRV起始的部分，在此TRV上升到一定階段時(shí)，第2套電壓回路投入，同時(shí)施加在斷路器另一端與外殼，兩套電壓回路的電壓疊加，共同構(gòu)成施加在試品兩端的恢復(fù)電壓，且滿足對(duì)殼體的全電壓考核；回路切換中，應(yīng)確保電流零區(qū)的等價(jià)性要求?！叭芈贩ā焙铣稍囼?yàn)回路等價(jià)性好、安全性高，成功完成了1100kV斷路器的T100s和T100a的整機(jī)開(kāi)斷試驗(yàn)。
2.隔離開(kāi)關(guān)
特高壓設(shè)備絕緣可靠性要求高，操作過(guò)電壓抑制更加重要，隔離開(kāi)關(guān)操作引起的特快速瞬態(tài)過(guò)電壓（VFTO），具有幅值高、上升時(shí)間短和連續(xù)多次脈沖等特點(diǎn)，對(duì)絕緣威脅較大，需采取合理措施限制。特高壓GIS隔離開(kāi)關(guān)主要有兩種結(jié)構(gòu)型式?！傲⑹健备綦x開(kāi)關(guān)操作速度較快，產(chǎn)生的VFTO幅值較高。“立式”隔離開(kāi)關(guān)在靜觸頭側(cè)安裝VFTO阻尼電阻，如圖9所示，隔離開(kāi)關(guān)分合閘過(guò)程中，阻尼電阻被串入放電回路，有效抑制觸頭間隙重復(fù)擊穿過(guò)程中的高頻振蕩，從而限制VFTO幅值和頻率。“臥式”隔離開(kāi)關(guān)操作速度較慢，產(chǎn)生的VFTO幅值較低，未安裝阻尼電阻。
3.盆式絕緣子
盆式絕緣子給高壓導(dǎo)體提供絕緣支撐并分割氣室，是特高壓GIS的關(guān)鍵絕緣部件。近年來(lái)開(kāi)展了特高壓盆式絕緣子的國(guó)產(chǎn)化及質(zhì)量提升，通過(guò)分析盆式絕緣子產(chǎn)生缺陷的類型和原因，對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，電場(chǎng)分布如圖10，應(yīng)力分布如圖11所示。對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了完善、調(diào)整，使得盆式絕緣子的機(jī)械和電氣綜合性能達(dá)到了較高的水平。從試驗(yàn)檢測(cè)方法（型式試驗(yàn)、材料試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)）和工藝控制（嵌件處理、澆注、固化工藝等）兩個(gè)方面提出了明確的質(zhì)量控制技術(shù)手段。尤其是提出了采用5支試品分別順序進(jìn)行若干項(xiàng)試驗(yàn)，覆蓋生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行過(guò)程的各種工況，兼顧產(chǎn)品技術(shù)水平、綜合性能和工藝穩(wěn)定性的考核。大幅提升了特高壓盆式絕緣子的制造水平和質(zhì)量穩(wěn)定性，產(chǎn)品在皖電東送和浙福特高壓交流輸電工程得到了應(yīng)用。
目前我國(guó)已成功研制出短路開(kāi)斷能力達(dá)63kA的特高壓斷路器，解決了VFTO抑制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了盆式絕緣子的質(zhì)量提升和特高壓GIS國(guó)產(chǎn)化，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模工程應(yīng)用。未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展對(duì)特高壓GIS提出了更高要求，特高壓GIS將向高性能參數(shù)、環(huán)境適用性和環(huán)保化等方向發(fā)展，如額定開(kāi)斷電流為80kA的特高壓斷路器，適應(yīng)極端環(huán)境（極寒、高熱和風(fēng)沙等）的絕緣介質(zhì)、密封件、潤(rùn)滑脂和液壓油等材料與元件，采用SF6替代介質(zhì)的新型GIS等，同時(shí)進(jìn)一步提升設(shè)備的運(yùn)行可靠性。
