特高壓工程大規(guī)模建設(shè)，核心裝備是關(guān)鍵。為促進特高壓交流輸電技術(shù)的進一步發(fā)展，對特高壓交流變壓器、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)、串聯(lián)補償裝置和避雷器等關(guān)鍵裝備的最新技術(shù)發(fā)展進行了總結(jié)和展望。
結(jié)果表明：特高壓變壓器應選擇局部放電概率為1‰時的電場強度允許值作為許用場強；采用器身端部磁屏蔽、油箱電屏蔽、油箱磁屏蔽、采用不導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；特高壓斷路器的開斷能力可達63kA，采用基于“三回路法”的合成試驗回路可突破試驗設(shè)備限制，完成1100kV斷路器開斷試驗；明確了通過在“立式”隔離開關(guān)靜觸頭側(cè)安裝阻尼電阻來限制VFTO的幅值和頻率；提出了從持續(xù)運行電壓的角度出發(fā)，特高壓避雷器的額定電壓降低到780kV是安全的。未來特高壓交流輸變電裝備應在高可靠性、大容量、新工作原理和性能參數(shù)優(yōu)化等方面進行深入研究。
特高壓交流變壓器、開關(guān)設(shè)備、串補裝置和避雷器是特高壓交流輸電工程的主要核心裝備，本次將重點對這4類設(shè)備的最新技術(shù)發(fā)展進行梳理和總結(jié)。
特高壓變壓器發(fā)展
我國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)性能指標全面超越了日本及前蘇聯(lián)的產(chǎn)品，并且實現(xiàn)了無局放絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體達到了國際領(lǐng)先水平。在此基礎(chǔ)之上，通過解決漏磁和溫升控制等問題實現(xiàn)了特高壓單柱容量進一步提升，由單柱334MVA提升到500MVA容量，單臺容量達到1500MVA；實現(xiàn)了局部解體和全部解體不同方式，解決了由于運輸限制對于大容量特高壓變壓器的限制。這里就絕緣水平、設(shè)計和漏磁控制等問題進行說明。
1.絕緣水平
特高壓變壓器絕緣水平的少量增加將導致產(chǎn)品尺寸和重量的顯著增加。對于特高壓系統(tǒng)而言，限制產(chǎn)品的尺寸和重量、保證運輸可行性已經(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、方便運輸安裝，首先需要在系統(tǒng)上采取措施，深度限制各類過電壓，從而降低對絕緣水平的要求，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，成功實現(xiàn)了各類過電壓的深度控制。過電壓的限制水平如表1所示。
過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)。我國特高壓變壓器絕緣水平見表2所示。
2.特高壓變壓器絕緣設(shè)計
特高壓變壓器的設(shè)計通過全場域分析方法，對變壓器內(nèi)部各部位進行電場分析。作為判斷依據(jù)，各部位許用場強的選擇直接關(guān)系到其分析對象的絕緣裕度控制以及變壓器的可靠性。許用場強選擇過大，變壓器絕緣設(shè)計結(jié)果將無法滿足運輸限界對于變壓器尺寸的要求；許用場強選擇過小，將無法有效控制變壓器局部放電發(fā)生，甚至出現(xiàn)絕緣擊穿。特高壓變壓器在長期運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。變壓器的短時間和長時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，試驗期間局部放電概率遠低于2%。對于重要設(shè)備，局部放電的概率應控制在0.1%-0.2%的水平，并由此確定試驗電壓Ut和試驗時間tt。許用場強的選擇在結(jié)合以往電壓等級變壓器和特高壓變壓器模型試驗研究相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇局部放電概率為1‰時的電場強度允許值作為相關(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。這在其它電壓等級的變壓器設(shè)計中是不存在問題的。必須在結(jié)合工藝加工能力的基礎(chǔ)上，對該類油隙進行分隔處理，以避免大油隙擊穿場強的飽和特性對絕緣可靠性的影響。圖1給出了油體積效應（stressedoilvolume，SOV）試驗曲線。
針對這種情況，在變壓器上對器身到油箱之間、器身到旁軛之間的適形隔板的形狀進行了優(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一步分割，形成多層小油隙，優(yōu)化后的絕緣隔板見圖2。優(yōu)化后的適形隔板在器身裝配前不需要進行壓彎干燥處理，大大簡化了工藝操作過程，減少工作量，而且減小了隔板干燥處理后的變形量。
2008年，我國實現(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和應用。
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，我國進一步開展單柱500MVA的特高壓變壓器設(shè)計，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的漏磁控制問題，其變壓器接線原理圖見圖3，同期還成功研制了400MVA的特高壓升壓變樣機，并依托相關(guān)工程得到應用；2011年成功研制了1500MVA、1000kV變壓器（三柱結(jié)構(gòu)），實現(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，為解決容量提升導致變壓器運輸受限的問題，我國于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，徹底解決了運輸對于特高壓變壓器應用的限制。
對于1500MVA特高壓變壓器，單柱線圈容量達到500MVA，須對線圈主空道、油箱、夾件、拉板等部位磁感應強度分布進行逐一分析，采取針對性的漏磁屏蔽措施，降低雜散損耗，防止局部過熱。圖4和圖5分別給出了變壓器主空道磁感應強度分布云圖和夾件磁感應強度分布云圖。
計算線圈主空道磁感應強度分布所得最大磁感應強度出現(xiàn)在高、中壓線圈主空道處，最大磁感應強度值為0.3555T。計算油箱、夾件、拉板磁感應強度分布所得：油箱上最大磁感應強度為0.92637T，夾件最大磁感應強度為0.87459T，拉板最大磁感應強度為0.091689T。針對漏磁控制所采取的措施包括：
?。?）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)過磁分路自成回路，吸引磁力線進入鐵芯，不僅可以減少進入夾件的漏磁通，從而減小夾件中的雜散損耗，還會減少橫向漏磁通分量，從而使繞組導線中的附加損耗相應減少。
?。?）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熱，同時將銅屏蔽壓彎進入箱沿間，防止箱沿過熱。
?。?）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入到磁屏蔽中，減少進入油箱壁中的漏磁通，相應減少油箱中的雜散損耗，防止局部過熱。
（4）不導磁鋼板：在上下節(jié)油箱有大電流經(jīng)過的地方采用不導磁鋼板，阻止大電流產(chǎn)生的漏磁通進入油箱，防止局部過熱。表3中給出了各結(jié)構(gòu)件對油的熱點溫升，并與特高壓交流試驗示范工程ODFPS?1000000/1000荊門站變壓器的最大漏磁強度、各結(jié)構(gòu)件的溫升進行了對比。從表3可以看到，1500MVA/1000kV變壓器的最大漏磁強度比1000MVA/1000kV變壓器約大1.17倍，從計算結(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，將漏磁和局部過熱控制在允許范圍內(nèi)，充分保證變壓器的安全可靠運行。
依托特高壓工程實踐，在特高壓交流變壓器方面，我國已具備了1000kV特高壓交流變壓器自主設(shè)計制造能力，研制出特高壓大容量變壓器系列產(chǎn)品，達到了世界領(lǐng)先水平。隨著特高壓工程規(guī)?；ㄔO(shè)，以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)的潛在需求，我國特高壓變壓器未來將在進一步提高設(shè)備經(jīng)濟性利用，實時監(jiān)測在運特高壓變壓器狀態(tài)，適合運輸和運行環(huán)境的解體式變壓器，提高輸電可靠性等方面進一步發(fā)展，如研發(fā)自適應可調(diào)參數(shù)的特高壓變壓器、具備關(guān)鍵性能參數(shù)全監(jiān)測的特高壓變壓器等。