21世纪前期输变电设备发展展望

    我国实行改革开放政策以来，电力工业得到了迅猛发展。到2000年上半年，全国发电设备装机容量已超过3亿kW。进入21世纪前期，我国电力工业仍将有稳定的发展，预期2005、2010、2020年，全国发电设备装机容量将分别达到3.65、4.5、7.5亿kW的规模。与此相应输变电系统及装备也会相应得到发展。
    在21世纪前期，输变电设备方面将先后迎来举世瞩目的长江三峡水利枢纽工程建设竣工并网发电、西部大开发中的“西电东送”、全国逐步实现500kV主网骨架的联网、750kV新一级高电压电网在西北地区投运、城乡电网的进一步改革完善、电气化铁道通车里程的不断增加等重大工程，并将在超高压直流输电、交流柔性输电系统、110kV特高电压电网建设与装备等研究开发中迎来新的进展。展望这一时期输变电设备的发展，将会在下列方面取得新的成果。
一、进一步提高输变电技术装备的产品质量和运行可靠性
    我国现有输变电技术装备的产品，其中相当一部分是通过引进国外技术，经消化吸收国产化的产品。许多产品的主要技术参数及技术性能基本上是与国外原产品相同或相近的，但产品的制造质量和运行可靠性有的产品与国外相比有一定差距。为适应电力工业发展的需要，当务之急首先要进一步提高现有产品的质量和运行可靠性。设计方面要总结产品运行中反映出的实际问题，结合我国实际情况，进一步完善设计。工艺方面要严格从原材料、元器件选材、进厂检验，到制造工序中严格工艺纪律和严控工艺规程。从设计、制造、质量检验等多个方面确保产品质量的提高和运行可靠性的稳定提高，增强产品在市场上的竞争力。
二、进一步研发高科技含量的输变电设备新产品
    现在离70、80年代大批主要输变电装备的技术引进已过去20～30年了。在这二三十年中，国外输变电装备又有了许多新的发展。21世纪前期，应跟踪国外的技术发展，结合国情，进一步研发高科技含量的输变电设备新产品。例如在高压开关方面高科技体现在500kV单断口断路器技术、热膨胀式SF6­断路器技术、共箱式、小型化、复合化的GIS、新型触头材料及低过电压真空断路器技术、永磁操动机构等。电力变压器方面，高科技体现在配百万千瓦级机组用大容量超高压变压器技术、低噪声、低损耗变压器技术、可调电抗器技术、光电式电流、电压互感器技术等。国外已经发展的一些新产品如ABB的“PASS”，国内用户很感兴趣，目前国内制造企业已在加快研制与“PASS”相类似的国产化产品。这仅是一个例子。其他方面也应用心去关注国外发展动态，紧跟国际发展潮流，并从中走独立创新的路子。
三、发展小型化、无油化、组合式输变电技术装备
    为适应城市变电站、深山河川修建水电站和电气化铁路牵引变电站的建设需要，解决城市地价不断高涨、或山区运输、安装条件的限制，对设备提出了小型化、组合化的要求。
    输变电技术装备的小型化不是简单的几何形体的比例缩小。设备的小型化需要对电、磁、热、力多种物理强场的分析，和高质、高效的功能材料及器件的支撑。例如高质绝缘材料、小型化传感器、精密加工技术等。因此小型化变电技术装备的发展需要多行业、多专业的协同，才能有所发展。
    无油化设备目前普遍发展的是SF6断路器、真空断路器、SF6绝缘或树脂绝缘互感器等。电力电容器也在向无油化发展。无油化设备发展的方向除设备本身尽量不用可燃液体介质外，寻求新的高燃点液体介质、或比SF6气体绝缘、灭弧性能及防环境污染性能更好的气体介质材料。
    发展组合化设备是适应山区运输与电站设施建设的需要，将设备做成便于运输的单元式结构，运到现场后，在现场进行必要的加工、组装、检验、试验，最终达到整机出厂的水平。因此在产品设计时就要全面研究现场的各项后续工序及其工作条件配备。
四、输变电技术装备向智能化功能方向扩展
    为了适应电力系统现代化、自动化的需要，输变电技术装备应该具有相应的智能化功能。输变电设备智能化可以有4个方面的内容。
（1）设备的状态监测和故障诊断；
（2）设备的智能化操作控制；
（3）电网正常运行状态的自动监测；
（4）电网事故的识别。
    实现智能化离不开应用当代各种新技术，如新的传感技术、自控技术、计算机技术等。但智能化不是简单的计算机化，而是通过计算机实现以知识为中心的控制。一个智能系统应能模仿人类行为，能对一个过程或所处环境的各种固有的信息和知识进行学习，并将获得的知识用于估计、分析、决策和控制，使系统处于最佳状态。当遇到未学习过的事例时，有能力给出适当处理。当系统出现局部故障时，可持续工作，甚至分析和修复故障。
    输变电技术装备的智能化有利于提高设备的运行可靠性，缩短维修周期和减少维修时间，对提高电力系统运行水平有实际意义。但智能化技术十分复杂，涉及多种学科领域。虽在20世纪六七十年代国外学术团体和有关企业已投入了许多研究经费和技术力量，但要达到商业化、实用阶段，尚需继续开展试验研究，预计在21世纪中会有长足的进步。我们的智能化工作应采取渐进、局部、实用的方式逐步扩大功能。
五、超高压直流输电用装备将有发展
    由于电力电子技术的发展，使直流输电进一步体现出比交流输电的优点，而且直流工程造价比交流系统低，因而在世界上日益获得广泛的应用。直流输电系统主要应用在远距离输电、跨海输电、电网间的联网等。这对我国电力系统都有应用的现实工程或潜在的工程目标。因此加快发展直流输电系统用装备已提到日程上来了。但我国超高压直流输电用装备一直没有工程实践的机会，科研功底十分薄弱，仅在80年代研制了100kV镇海一舟山的海底直流输电系统用设备。在这样的基础上，要适应国内直流工程的发展需要，有许多技术关键有待我们去攻克。目前应利用三峡直流工程设备部分由国内分包的机会，短期内通过消化吸收，并扩大合作范围，争取组建自己的专业公司，建立自己的开发软件，创造直流设备的设计、制造能力。
六、特高压输变电技术装备的研制
    每一个电压等级有其自身规律的经济输送容量和经济输送距离。从国际上电力工业的发展看，当发电量增至4倍左右时，即出现一个新的、更高的电压等级。“十五”及以后期间，我国电力工业仍将稳定发展，现有输电电压等级已经不能满足进步的发展需要。我国幅员广阔，东西宽4000多km，实现“西电东送”就目前国内外科技水平来看，不外乎或是提高交流输电系统的电压等级，或是采用超高压直流输电系统。交流输电系统的500kV电压等级，国内已经采用20年了，1980年底全国发电设备装机0.65亿kW，到2000年底交将跃升至3.1亿kW左右，装机容量已增加到4.77倍。发电量也以相应的倍数增加。何况在21世纪前期，发电装机每年仍有发展。因此研制特高压输变电技术装备已是一个很迫切的任务。
    国家电力公司在发展设想中表示：“十五”期间在“西电东送”建设中要建立370多km的750kV电网。750kV电压等级一回路自然输送功率约2 300MW，经济输送距离在1 200km以内。国外在750kV电压等级上已有比较成熟的技术，国内研制750kV装备也有一定基础，只要国家、用户给予支持，国内厂、所、院校通力合作，奋发创新图强，加大科研开发的投入力度，有希望在3～5年内完成750kV设备样机的研制。
    750kV在西北的现330kV系统地区发展是比较合适的。但全国其他地区最高系统电压已为500kV。这些地区的系统电压升级，采用1 100～1 200kV电压等级是较适宜的。因而750kV设备的开发，也为今后进一步研究发展1 100～1 200kV特高压输电设备打下基础。
七、研究开发柔性输变电系统（FACTS）用技术装备
    柔性输变电系统是以电力电子技术和计算机技术为基础，为解决电力系统发展中遇到系统输电能力稳定极限限制和电网短路电流不断提高的矛盾和问题提供新的发展文献。FACTS的概念是：在交流输电系统的主要部位采用具有专门或综合功能的电力电子器件和现代控制装置及组合体，对系统的运行参数如电压、相位差、电抗等以至网络结构进行调控，实现对交流输电功率的灵活快速控制，从而大幅度提高现有高压输电线路的输送能力，实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，提高系统运行水平和可靠性。
    现有的电网控制和管理仍处于机械式的操作和人工管理方式。变压器的有载调压，断路器的保护动作，各种开关电器的操作均由机械来完成最后的操作。机械运动的惯性限制了控制动作的速度，从而影响到事故处理的时机和系统稳定性控制的成功。现有设备的信息传递难以适应电力系统控制中日益发展的计算机控制系统的要求。此外现有断路器其分断能力和系统的动、热稳定性已接近现有技术条件下的极限范围，难以解决短路电流不断增长的系统需要。这都说明现有交流输变电系统已面临更新换代的发展形势，研制新的装备是系统发展的需要。
    FACTS作为电力系统的新技术对现有交流输电系统来讲是可以兼容的，可以在现有设备不做重大改变的条件下逐步加入，并行发展，以渐进的方式改变电力系统的面貌。目前，国外已进入实用阶段或工业示范期的FACTS设备有：静止无功补偿器，静止调相器，可控串联电容补偿器，故障电流限制器等。随着FACTS技术的不断发展，还有可能出现新的控制器种类。
八、限流（断路）器和固态断路器的研究
    电力系统的规模和容量不断增大，导致故障短路电流急剧增加。目前，超高压断路器最大开断短路电流为80kA，在现有技术前提下，基本上已达到物理极限。为了适应系统容量的不断增加，同时又要限制短路电流使其适合断路器的分断能力，1974年美国学者Falcone提出开展研究限流装置的设想。1966年CIGRE成立了WG13、10工作组，在全世界范围内调研限流断路器的进展情况。
    限流（断路）器的工作特点是：在故障发生时，迅速提高回路阻抗，将故障电流限制到较低水平，然后将其开断，或由断路器配合，开断故障回路。限流（断路）器改变了传统开关电器只有或为零阻抗，或为无穷大阻抗的两工位器件的概念。在理想状态下，系统发生过载或短路时，能对应故障电流的大小增大阻抗，从而达到限制系统电流的目的。
    从电路理论上讲，可以利用多种物理现象实现这种设想，例如：谐振回路、电弧的物理特性、半导体的特性、超导技术、水银的相态变化等等。利用某些电力电子器件的特性既可以实现在电流第一次自然过零之前通过转移回路产生人工高频零点而开断的限流断路器，又可实现在电流第一次自然过零时开断电路和固态断路器（又称静态断路器）。现代电力电子技术和微电子技术的发展和相互结合渗透，对实现上述设想技术上已有可能。为实现限流断路器和固态断路器的实用化、商品化，需要进一步研究解决高电压大容量功率电子器件的发展、降低自身的损耗、器件的串并联及过压保护、过流保护、同步驱动触发、降低器件成本和限流断路器、固态断路器的设计技术和可靠性问题。
    限流器的商品化，将改变变压器、高压断路器、隔离开关等主要输变电技术装备的设计思路，使变压器、开关等新一代产品的设计原则发生重大变化，如变压器的短路阻抗变小，损耗进一步减轻，短路电流产生的机械应力将会减少，变压器重量减轻，CT动、热稳定电流的要求降低。高压开关的设计也无需追求高参数的断流容量及动、热稳定性。高压开关及高压隔离开关将主要承担电路接通和隔离的功能。
九、新的传感技术在输变电技术装备中的应用
    在输变电系统中参数测量对象最多的是电流及电压。20世纪60年代以来，科技较发达的国家将注意力集中到应用光电子学技术实现电力系统中电流和电压参数的测量。采用光学传感技术可以克服传统电磁式互感器固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等难以全面满足电力系统发展要求的弱点。国际上经历了半个世纪的研究，从原理性研究到实验室样机，以至近年的挂网试运行，取得了很大进展。我国也已有一些单位开展光电式电流互感器（OCT），估计再经10年左右的时间，OCT会在多种电压等级中大量采用。
    要使OCT在21世纪前叶推向运行，尚需重点研究解决：
（1）减小磁光材料双折射效应对OCT性能的影响；
（2）减小温度变化对OCT测量精度的影响；
（3）OCT的长期运行稳定性研究。
十、超导技术在输变电技术装备中的应用
    20世纪60年代实用超导体的出现，80年代初工频超导线的研制成功和80年代后期高临界温度超导体的发现，开辟了超导电力的新时代。21世纪前、中期最有希望得到电力方面实际应用的有超导储能、工频超导变压器、工频超导限流器和高临界温度超导输电。
    超导储能的转换效率可高达95%，响应时间可快至几毫秒，可用于电力系统的峰谷调节和能量管理，可用来消除电力系统的低频功率振荡，从而稳定系统的频率和电压，可用于无功功率控制和功率因数调节以提高输电系统的稳定性和传输容量。美国在80年代初建成了用于提高其西部电网稳定性的30MJ的超导储能系统，使系统极限输送容量增加400MW。日本也有一个建造480MJ的超导储能装置计划。我国早在20世纪70年代中期也开始了储能装置的研制。
    超导变压器在同容量下是常规变压器重量的40%，在大容量时超导变压器的投资比常规的低。法国、日本、美国在80年代都相继研制了工频超导变压器，日、美、法3家公司联手开发的三相630kV·A（18.7kV  420V）是目前唯一的一台挂网运行的高温超导变压器。它用低温液氮冷却，运行温度为77K。变压器采用3个致冷器和一个室温条件下的工作铁心。预计再过7～10年，高温超导体将具有合理的成本和更优越的性能。所以在未来的10年左右，高温超导变压器将面临很大的市场机遇。国外的一些公司，目标是在不改变现有电力系统的情况下，用高温超导变压器直接代替现有的常规变压器超导限流器动作时间快，在系统发生短路故障时可限制短路电流，降低高压断路器开断容量、降低回路过电压。法国在1993～1995年研制了7.2kV/1kA和40kV/315A的超导限流器，日本研制了66kV/1.5kV和15kV/10.6kA高温超导故障限流器。
    超导输电用超导电缆输电容量大，体积小，损耗低，是比较理想的输电通道。日本曾研制长7m，66kV/1kA的同轴磁屏蔽的三相高温超导电缆和5m，66kV/2kA的三相高温超导电缆。美国也研制30m三相高温超导电缆。国外超导电缆以2010年达到实用化为目标。日本东京电力公司与住友电工已共同开发了线损只相当于常规电缆线材线损的1/10的高温超导电缆线材，为增大电流量、缩小放置空间和降低线损创造了条件。
十一、特高压技术装备试验技术研究
    开发特高压输变电技术装备，必须开展特高压输变电技术装备的试验技术研究。特高压技术装备是集电场、磁场、力场、温度场等多种物理场共同作用下工作的，其中许多场的现象还难以完全用理论公式来推演，尤其是一些功能材料在诸多物理场共同作用下呈现材料性能或极化现象，目前尚无确定的理论分析方法，都需要凭藉试验取得数据结果。同时特高压技术装备和超高压技术装备一样，装备的研究开发是不允许在未经过试验认定技术性能以前上网投运的，更不能以电网为试验场所。在国际贸易过程中，我国在输变电装备的进出口贸易上，也需要专门的试验技术为商检服务。因此特高压技术装备的试验技术及试验设施必须得到应有的重视。
    特高压输变电技术装备的试验技术包括了许多近代技术手段的应用研究。现代测试技术及设备发展十分迅速，传感技术也日新月异，在研究这些技术应用过程中，有时还需针对性行业装备的特点，解决新问题，研制新测试专用装备。而这些研究及专用测试设施的建立还需走在设备研制的前面。所以试验技术不仅内容多，任务重而且时间已经十分紧迫，应该早有所为，避免工作的损失。
十二、输变电技术装备配套用材料、元件和部件
    输变电技术装备需要使用许多材料、元件和部件与之配套。整机质量与水平的提高，也必须使这些配套使用的材料、元件和部件同步地提高产品质量和技术水平及技术含量。目前及今后一段时间，通过企业改制后，将会扩大配套用部件、元器件的企业群体，壮大专业化的生产队伍，同时也加大配套件厂间的竞争力度。这无疑将推动配套件的发展。配套件的发展应在提高产品质量的基础上，加快技术创新，增加产品的环境适应性和运行可靠性，改进外形设计，提高工艺质量和降低生产成本。