IEC 60071-122022 绝缘配合.第12部分LCC HVDC换流站的应用指南标准立项发展报告

绝缘配合第12部分：LCCHVDC换流站的应用指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InsulationCo-ordination-Part12:ApplicationGuidelinesforLCCHVDCConverterStations摘要随着全球能源转型战略的深入推进，高压直流输电（HVDC）技术凭借其在大容量、远距离电能传输及电网互联方面的显著优势，已成为现代电力系统不可或缺的核心组成部分。电网换相换流器型高压直流输电（LCCHVDC）作为技术成熟度最高、工程应用最广泛的直流输电形式，其换流站的绝缘配合设计直接关系到工程投资、系统安全与运行可靠性。国际电工委员会（IEC）于2022年10月14日正式发布了IEC60071-12:2022《绝缘配合第12部分：LCCHVDC换流站的应用指南》，为LCCHVDC换流站绝缘配合的设计、评估与验证提供了系统化的技术框架与实施指南。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制原则、核心内容与技术要点，深入分析了其对换流站设备选型、过电压保护策略及工程经济性的关键指导作用，并对标准的实施路径与未来发展趋势进行了展望。该标准的发布填补了IEC60071系列在LCCHVDC换流站应用领域的标准空白，对于促进高压直流输电技术的规范化发展、保障跨区域电网安全稳定运行具有重要的技术指导价值和工程应用意义。关键词：绝缘配合；LCCHVDC换流站；IEC60071-12；过电压保护；直流输电；标准体系建设Keywords:Insulationco-ordination;LCCHVDCconverterstation;IEC60071-12;Overvoltageprotection;HVDCtransmission;Standardsystemconstruction1引言1.1标准立项背景在全球碳中和目标与能源结构转型的双重驱动下，高压直流输电技术正迎来前所未有的发展机遇。据国际能源署（IEA）统计，截至2022年底，全球在运及在建的HVDC输电工程已超过200项，总输电容量突破300GW。中国作为全球直流输电技术应用最为广泛的国家，已建成投运数十项LCCHVDC工程，其中包括±1100kV昌吉—古泉特高压直流输电工程等具有世界领先水平的重大项目。LCCHVDC技术在长距离、大容量输电场景中的经济性和技术可靠性已经得到了充分验证，成为跨区域电力资源配置的关键基础设施。绝缘配合作为电气设备绝缘设计与选型的核心基础，直接决定了换流站设备的外绝缘尺寸、内绝缘结构及过电压保护装置参数，在工程总投资中占有显著比重。然而，相较于交流系统较为完善的绝缘配合标准体系，直流换流站的绝缘配合长期缺乏系统性的国际标准指导。IEC60071系列标准此前主要涵盖交流系统的绝缘配合（第一部分至第五部分），而针对LCCHVDC换流站特殊运行工况的专用指南尚属空白。1.2标准编制必要性LCCHVDC换流站与常规交流变电站之间存在着本质性的技术差异，使得通用绝缘配合标准难以直接适用。首先，换流站内部同时存在交流侧、直流侧及交直流耦合区域，运行电压波形包含基波、谐波及特征/非特征谐波分量，绝缘介质的电压承受特性更加复杂。其次，换流站运行中可能出现的多种过电压类型，如换相失败引发的暂态过电压、直流线路故障引起的行波过电压、交流侧操作过电压的传递等，其幅值、波形及持续时间特征与交流系统存在明显差异。再者，晶闸管阀组等核心设备的绝缘特性、避雷器的能量吸收需求以及直流分压器等特殊设备的绝缘配合均需要专门的技术指导。在此背景下，IEC第28技术委员会（TC28:Insulationco-ordination）在广泛征求各国标委会及行业专家意见的基础上，决定立项编制IEC60071-12，以填补LCCHVDC换流站绝缘配合应用指南的标准空白。2标准编制原则与过程2.1编制原则IEC60071-12:2022的编制遵循了以下基本原则：第一，系统性原则。标准立足于换流站绝缘配合的全生命周期视角，涵盖从绝缘配合流程设计、过电压类型识别、绝缘耐受能力评估到设备选型验证的全过程，确保各环节技术要求的有机衔接。第二，协调性原则。该标准与IEC60071-1（绝缘配合定义、原则和规则）、IEC60071-2（绝缘配合应用指南）、IEC60071-5（绝缘配合高压直流换流站）等系列标准保持协调一致，作为IEC60071-5的具体化应用指南，为工程设计人员提供更具操作性的技术方案。第三，适用性原则。标准充分考虑了不同电压等级、不同拓扑结构LCCHVDC换流站的差异化需求，给出的技术条款和推荐参数具有广泛的适用性和灵活性。2.2编制过程IEC60071-12:2022的编制历经了多个阶段的深入研讨与技术论证。项目组汇聚了来自中国、德国、瑞典、日本、印度等主要直流输电技术国家的领域专家，其中中国专家依托丰富的特高压直流工程建设运行经验，在标准编制中发挥了重要作用。编制过程广泛参考了CIGRE（国际大电网会议）技术手册、IEEE相关标准及各国直流输电工程的设计实践，经多次工作组会议讨论、委员会草案征求意见及正式草案投票等阶段，最终于2022年10月形成国际标准正式发布。3标准主要内容3.1标准适用范围IEC60071-12:2022适用于电网换相换流器型高压直流输电系统的换流站，覆盖了整流站和逆变站的绝缘配合设计。标准明确规定了其适用范围为采用晶闸管阀组作为换流元件的LCCHVDC换流站，包括双极、单极大地返回及单极金属返回等主流接线方式。标准不涉及电压源换流器型直流输电（VSCHVDC）换流站的绝缘配合问题，此类内容由IEC60071-15另行规定。针对换流站内部不同区域（交流场区域、换流变压器区域、阀厅区域、直流场区域）的差异化绝缘需求，标准分别提出了相应的技术指导。3.2核心术语与定义标准对换流站绝缘配合相关的关键术语进行了系统定义与澄清，其中包括持续运行电压（持续直流电压、持续交流电压）、暂态过电压（操作过电压、雷电过电压、陡波前过电压）、换相失败过电压、绝缘配合耐受电压、协同绝缘配合等核心概念。特别是针对LCCHVDC换流站特有的换相失败工况，标准将换相失败冲击过电压作为独立过电压类型进行了专门的定义与分类，为后续绝缘配合计算提供了明确的输入条件。3.3绝缘配合方法与流程标准推荐采用确定性绝缘配合方法（即惯用法）作为基本方法，同时允许在数据充分的情况下采用统计法对自恢复绝缘进行补充验证。绝缘配合流程包括以下关键步骤：（1）确定换流站各区域设备的持续运行电压和工作电压水平；（2）识别和分析可能出现的各类过电压类型及其幅值、波形特征参数；（3）通过电磁暂态仿真计算确定各节点过电压水平；（4）初步选定避雷器配置方案及其保护水平；（5）确定设备绝缘耐受电压和绝缘水平；（6）通过型式试验和特殊试验进行验证。标准特别强调了电磁暂态仿真在绝缘配合计算中的核心作用，推荐使用经过验证的仿真软件，并明确了仿真建模的基本要求。3.4过电压特性分析与保护策略标准全面分析了LCCHVDC换流站可能出现的各类过电压现象，包括交流侧雷电过电压与操作过电压、换流变压器阀侧过电压、换流器区过电压、直流侧操作过电压、直流线路故障过电压及换相失败及其恢复过程引起的过电压。针对每类过电压，标准详细规定了其产生机理、典型波形参数（幅值、波前时间、持续时间）、关键影响因素及对应的抑制措施。在避雷器配置方面，标准对换流站内各类避雷器的选型、配置位置和能量吸收要求作出了系统性规定。根据换流站各区域设备的不同保护需求，定义了交流母线避雷器、换流变压器阀侧避雷器、阀避雷器、直流母线避雷器、直流线路避雷器及中性母线避雷器等各类避雷器的典型配置方案，并给出了避雷器参考电压、标称放电电流及能量配合的技术要求。同时，标准还论述了避雷器与设备绝缘耐受水平之间的配合原则，要求设备绝缘的配合耐受电压应高于避雷器保护水平并留有足够的安全裕度。3.5绝缘水平的确定与选取在绝缘耐受电压的确定方面，标准给出了交流侧设备、直流侧设备及交直流耦合区域设备的绝缘水平选取原则和推荐方法。对于交流侧设备，标准提出了按IEC60071-1确定额定雷电冲击耐受电压和额定操作冲击耐受电压的方法；对于直流侧设备，标准引入了直流叠加操作冲击、直流叠加雷电冲击等复合电压耐受试验的概念，并对直流设备的极性效应、空间电荷效应及预加电压时间等因素进行了说明。对于换流变压器，标准对其阀侧绕组与网侧绕组之间的绝缘配合进行了专题论述，明确了阀侧绕组绝缘水平、网侧绕组绝缘水平以及两者之间的耦合关系。对于晶闸管阀，标准规定了阀绝缘水平与避雷器保护水平的配合原则，并对阀的多重阀单元（MVU）对地绝缘、对相邻阀绝缘及阀段间绝缘进行了分类指导。3.6绝缘配合的验证与试验要求标准对换流站设备绝缘配合的验证方法提出了明确要求，包括绝缘型式试验、出厂试验和特殊试验的适用范围和基本原则。针对直流设备绝缘试验的特殊性，标准对直流电压试验的极性选择、预加电压的持续时间、试验电压的波形参数等细节进行了技术规定。同时，标准还涉及了高海拔地区外绝缘校正、污秽条件下外绝缘选取以及绝缘配合设计文件编制等技术要求。4主要参与单位介绍本标准的制定工作由IECTC28（绝缘配合技术委员会）组织，汇聚了来自全球多个国家的标准化技术机构和企业。其中，中国电力科学研究院有限公司（以下简称“中国电科院”）作为中国在该领域的核心研究力量，深度参与了IEC60071-12:2022的编制工作，发挥了重要的技术支撑作用。中国电科院成立于1951年，是国家电网公司直属的综合性科研机构，也是我国电力行业最重要的标准研究与制定基地之一。在绝缘配合与高压直流输电领域，中国电科院拥有包括国家高压计量站、特高压直流试验基地等一批国际领先的试验研究设施，具备从基础理论研究、关键设备研发到工程应用验证的全链条技术能力。在IEC60071-12标准编制过程中，中国电科院专家凭借中国在特高压直流输电领域积累的丰富工程经验和科研成果，全程参与了标准框架设计、核心技术条款的研讨与起草工作。中国电科院团队依托±1100kV昌吉—古泉特高压直流输电工程等世界级工程的建设运行实践，为标准的换流站过电压仿真方法、避雷器配置方案及绝缘耐受水平选取等关键技术内容提供了大量一手数据和工程案例支撑。此外，中国电科院还面向国内行业开展了IEC60071-12标准的宣贯培训工作，促进了该标准在我国LCCHVDC换流站设计、建设和运维中的广泛应用。5标准实施意义与应用前景5.1技术指导意义IEC60071-12:2022的发布为全球LCCHVDC换流站的绝缘配合设计提供了统一的技术框架和实施准则。标准的实施将有效促进以下技术目标的实现：一是统一换流站绝缘配合的设计方法和评价准则，提高设计成果的一致性和可比性；二是为过电压仿真分析提供标准化的技术指引，提高仿真结果的准确性和可信度；三是优化避雷器配置与设备绝缘水平的匹配关系，在保障安全裕度的前提下实现工程投资的合理控制；四是为直流设备绝缘试验提供明确的技术依据，推动直流设备试验技术的规范化发展。5.2工程应用价值标准对换流站绝缘配合的量化和决策过程提供了系统指导，有助于在绝缘安全性与工程建设经济性之间实现最佳平衡。合理的绝缘配合设计可避免因绝缘水平过高导致的设备尺寸加大、材料消耗增加和工程投资上升，同时防止因绝缘保护不足带来的运行安全风险。在当前全球HVDC工程建设持续增长的背景下，该标准的推广应用预期将产生显著的经济效益和社会效益。5.3发展展望展望未来，随着高电压大容量LCCHVDC技术的持续发展以及混合直流输电技术的兴起，绝缘配合技术将面临新的挑战和要求。IEC60071-12有望在以下方向进一步完善和发展：一是针对更高电压等级（±1100kV及以上）换流站的绝缘配合提供专项技术指引；二是结合新型绝缘材料的应用进展，完善复合绝缘在直流工况下的耐受特性评估方法；三是探索数字化仿真与人工智能技术在绝缘配合优化中的应用路径。我国作为全球直流输电技术的重要引领者，应持续深入参与IEC绝缘配合标准体系的制修订工作，将我国在特高压直流工程中积累的先进技术和经验转化为国际标准，进一步提升我国在相关国际标准化领域的话语权和影响力。6结论参考文献[1]IEC60071-12:2022,Insulationco-ordination-Part12:ApplicationguidelinesforLCCHVDCconverterstations[S].Geneva:IEC,2022.[2]IEC60071-1:2019,Insulationco-ordination-Part1:Definitions,principlesandrules[S].Geneva:IEC,2019.[3]IEC60071-2:2018,Insulationco-ordination-Part2:Applicationguidelines[S].Geneva:IEC,2018.[4]IEC60071-5:2014,Insulationco-ordination-Part5:Proceduresfo