IEC 60071-112022 绝缘配合.第11部分HVDC系统的定义、原则和规则标准立项发展报告

绝缘配合第11部分：HVDC系统的定义、原则和规则标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:InsulationCo-ordination-Part11:Definitions,PrinciplesandRulesforHVDCSystem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、远距离电力输送及可再生能源并网方面的显著优势，已成为跨国电网互联和新型电力系统建设的核心支撑技术。绝缘配合作为保障电力设备安全运行的关键技术领域，其标准体系长期以交流系统为主要对象，难以满足直流系统特有的运行特性需求。本报告以国际电工委员会发布的IEC60071-11:2022《绝缘配合第11部分：HVDC系统的定义、原则和规则》为研究对象，系统阐述该标准的立项背景、技术内涵与核心修订内容。该标准首次在IEC60071系列框架下为高压直流系统建立了独立的绝缘配合技术规范，明确了直流电压、持续运行电压、换相失败等关键定义，提出了直流系统特有的绝缘配合原则与方法，全面覆盖换流站设备、直流开关场设备及直流线路的绝缘设计与选型要求。报告的发布填补了IEC60071系列在直流输电领域的技术空白，为全球高压直流输电工程的设计、建设与运维提供了统一的技术依据，对推动直流输电技术的标准化发展、促进国际电力贸易与技术合作具有里程碑式的指导意义。关键词：绝缘配合；高压直流输电；IEC60071-11；换流站设备；绝缘设计；直流电压耐受Keywords:Insulationco-ordination;HVDCtransmission;IEC60071-11;Converterstationequipment;Insulationdesign;DCvoltagewithstand一、引言1.1研究背景在全球应对气候变化、推动能源结构绿色低碳转型的大背景下，高压直流输电（HighVoltageDirectCurrent,HVDC）技术正迎来前所未有的发展机遇。相较于传统交流输电，直流输电在大容量、远距离输电场景下具有损耗低、线路走廊占用少、功率调节灵活等技术优势，尤其适用于跨海电缆输电、可再生能源大规模汇集送出以及异步电网互联等应用场景。据国际能源署（IEA）统计，截至2023年，全球已投运和在建的HVDC工程超过200项，总输电容量突破300GW，且增长势头持续强劲。中国在HVDC领域已建成投运包括±1100kV昌吉—古泉特高压直流输电工程在内的多项世界级工程，在直流输电电压等级、输送容量和工程数量方面均居世界首位。欧洲、南美、东南亚等地区也在积极规划或建设新的直流输电走廊，以支撑海上风电开发、跨境电力贸易等战略需求。然而，与HVDC工程快速发展形成鲜明对比的是，绝缘配合领域的国际标准长期以交流系统为主体框架。IEC60071系列标准（《绝缘配合》）第1部分和第2部分分别规定了绝缘配合的定义、原则和适用导则，但均以交流系统为主要对象，未系统涵盖直流系统的特殊技术要求。直流系统在运行机理、过电压类型、绝缘老化特性等方面与交流系统存在本质差异，这使得从事HVDC工程设计的工程师长期面临标准依据不足的困境。表1HVDC技术与交流技术在绝缘配合关键因素上的差异对比|对比维度|交流系统|直流系统||---------|---------|---------||持续电压作用方式|周期性交变电压，极性周期性反转|极性恒定的直流电压，方向不随时间变化||电压分布特征|由电容分布决定，相对均匀|由电阻（电导）分布决定，受表面污染和温度影响显著||过电压类型|工频过电压、操作过电压为主|换相失败过电压、直流阶跃过电压等直流特有类型||绝缘老化机制|局部放电和介质损耗为主|空间电荷积聚效应显著||绝缘子表面电压分布|沿绝缘子串均匀分布|受污秽层电阻影响，分布极不均匀|1.2标准立项意义IEC60071-11:2022的正式发布，标志着国际绝缘配合标准体系实现了从交流主导向交直流并重的结构性跨越。该标准首次以独立部分的形式，在IEC60071系列标准框架下系统性地提出了HVDC系统绝缘配合的定义、原则和规则，从根本上回应了直流输电工程绝缘设计的标准化需求。该标准的发布不仅为换流站核心设备（换流变压器、晶闸管阀组、直流套管等）、直流开关场设备（直流隔离开关、直流避雷器等）以及直流输电线路（绝缘子串、导线对地间隙等）的绝缘选型和绝缘验证提供了统一的技术基准，更对促进全球直流输电技术的规范化发展、降低工程建设和运行风险具有深远意义。二、标准研制背景与需求分析2.1HVDC技术发展及其标准化需求自1954年世界上第一个商用HVDC工程（瑞典哥特兰岛工程，±100kV，20MW）投运以来，HVDC技术经历了从汞弧阀换流到晶闸管换流，再到基于电压源换流器（VSC）的新一代直流输电技术的多次技术跃迁。在此过程中，直流输电电压等级从±100kV逐步攀升至±1100kV（中国昌吉—古泉工程），单回线路输电能力从数十兆瓦提升至12GW。与此同时，柔性直流输电（MMC-HVDC）技术的商业化应用推动了直流电网概念的提出，使得多端直流网络和直流电网成为未来电力系统发展的重要方向。HVDC技术体系的快速演进对标准化工作提出了迫切需求。不同于传统交流系统已建立完善的标准体系，直流输电系统在设备绝缘设计、过电压保护、试验方法等方面长期处于“参照交流标准、辅以工程经验”的状态。由于直流与交流系统在绝缘配合的物理基础和方法论上存在系统性差异——例如直流电压下电场分布由电阻率而非电容率决定、直流系统存在特有的换相失败过电压、直流绝缘子表面电荷积聚效应显著等——直接套用交流绝缘配合标准可能导致设计偏差甚至安全隐患。因此，建立适用于直流系统特点的绝缘配合国际标准，已成为HVDC技术深化发展亟待解决的关键标准化课题。2.2IEC60071系列标准框架及其演进IEC60071系列标准是国际绝缘配合领域的基石性标准族，为高压电力设备的绝缘选择和绝缘配合提供了系统性的方法框架。表2IEC60071系列标准结构及内容概览|标准编号|标准名称|核心内容|状态||---------|---------|---------|------||IEC60071-1|绝缘配合第1部分：定义、原则和规则|交流系统的绝缘配合基本定义、原则、电压表示方法及耐受电压选择|现行（2019年修订）||IEC60071-2|绝缘配合第2部分：应用导则|交流系统绝缘配合的工程应用指南，包括过电压计算、保护水平确定等|现行（2018年修订）||IEC60071-4|绝缘配合第4部分：绝缘配合的计算导则和电子网络模型|基于计算机仿真进行绝缘配合分析的方法论|现行（2004年）||IEC60071-5|绝缘配合第5部分：高压直流换流站设备|换流站设备绝缘配合的程序和方法|现行（2014年）||IEC60071-11|绝缘配合第11部分：HVDC系统的定义、原则和规则|HVDC系统绝缘配合的基础性定义、原则和规则框架|新增（2022年）|从标准框架的演进脉络来看，IEC60071系列经历了一个从“交流为主体”向“交直流并重”逐步拓展的结构优化过程。IEC60071-5:2014虽然已涉及HVDC换流站设备的绝缘配合程序，但该标准聚焦于换流站内部，未给出系统级绝缘配合的一般性原则和适用于直流线路与其他直流设备的规定。IEC60071-11的立项和发布，正是为了填补这一系统性空白——将HVDC系统的绝缘配合问题从“设备层面”提升到“系统层面”加以规范。IECTC99（系统与设备绝缘配合技术委员会）作为IEC60071系列标准的归口技术委员会，在充分调研全球直流输电工程绝缘设计实践经验的基础上，于2018年前后正式启动了IEC60071-11的制定工作。该标准的制定汇聚了来自中国、德国、瑞典、日本、美国等主要HVDC技术国家的顶尖专家力量，历经草案编制、委员会审议、正式投票等多个阶段，最终于2022年11月正式发布。三、标准关键技术内容解析3.1适用范围与基本框架IEC60071-11:2022的适用范围明确限定于“高压直流（HVDC）系统的绝缘配合”，在IEC60071-1所确立的绝缘配合概念框架基础上，针对直流系统特征给出了专门的定义、原则与规则。该标准将HVDC输电系统划分为三个主要组成部分：换流站（含换流阀、换流变压器、直流套管等）、直流开关场（含直流母线、直流隔离开关、直流避雷器等）以及直流输电线路（含绝缘子串、导线-杆塔间隙等），并针对不同组成部分分别规定了绝缘配合的具体技术要求。3.2核心术语与定义该标准对HVDC系统绝缘配合涉及的关键术语进行了系统性定义。其中最具技术代表性的包括以下几类：直流电压相关术语：标准区分了“直流系统持续运行电压”（持续施加于设备端子的直流电压）、“直流系统最高持续运行电压”等概念，为设备绝缘水平的确定提供了电压基准。特别是对极性反转电压的明确定义，为换流变压器等需要承受电压极性反转的设备提供了关键设计参数。过电压类型术语：标准定义了“换相失败过电压”“直流阶跃过电压”“直流甩负荷过电压”等直流系统特有的过电压类型。其中换相失败过电压是直流系统中最具代表性的过电压形态，其幅值、持续时间和发生频率与交流系统的操作过电压具有显著不同的特征，须单独加以考虑。绝缘配合相关术语：标准引入了“直流耐受电压”“直流保护水平”“配合耐受电压”等专门术语，构建了直流系统绝缘配合的概念基础。上述定义与IEC60071-1中的既有术语保持兼容，同时根据直流系统的特殊性进行了适应性调整和扩展，形成了较为完整的直流绝缘配合术语体系。3.3直流系统绝缘配合的核心原则IEC60071-11:2022确立了HVDC系统绝缘配合的根本原则——绝缘配合的确定性方法（deterministicprocedure）。该方法的核心逻辑可概括为“确定电压→选择绝缘水平→验证绝缘性能”的递进式流程。具体而言，标准首先要求确定绝缘配合的基准电压，即直流系统持续运行电压和各类过电压的代表值。在此基础上，引入“配合系数”将代表性过电压值修正为“配合耐受电压”，再根据安全裕度要求将配合耐受电压升级为“标准耐受电压”，最终据此选择具体的绝缘水平。最值得注意的是，该标准明确规定了直流系统下的代表性过电压确定方法。鉴于HVDC系统过电压的幅值和波形严格依赖于具体的系统结构和运行工况，标准推荐采用基于时域仿真（如电磁暂态程序EMTP类工具）的确定性方法进行过电压计算，并详细给出了仿真条件（故障类型、故障位置、运行方式等）设置的原则性要求。3.4区别于交流系统的关键技术要点直流电压下电场分布的电阻特性：在持续直流电压作用下，绝缘结构中的电场分布取决于绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率，而非交流情况下的介电常数分布。这意味着绝缘子表面污秽、温度梯度、湿度变化等因素均会对电场分布产生显著影响。标准要求在绝缘设计时充分考虑这些因素导致的电场畸变效应。直流绝缘子的污秽耐受特性：直流绝缘子表面的污秽积聚和湿润特性与交流显著不同，直流电压下单极性的静电吸引力使得绝缘子表面积污更为严重，且无交流情况下的自清洗效应。标准对直流线路绝缘子的污秽耐压选择和等值附盐密度（ESDD）/等值附灰密度（NSDD）的设计取值给出了专门规定。空间电荷效应与极性反转：在直流高压作用下，绝缘材料内部可能积聚空间电荷，导致局部电场畸变并改变绝缘的击穿特性。对于换流变压器等需承受极性反转电压的设备，空间电荷效应尤为关键。标准对考虑极性反转工况的绝缘试验要求和判定准则做出了明确规范。直流避雷器的应用与配合：标准对直流避雷器的配置原则、能量吸收能力要求及其与保护水平的配合关系给出了具体规定。直流避雷器的运行工况与交流避雷器存在本质区别（持续电压为直流而非工频交流、能量应力特征不同等），标准为此专门定义了直流避雷器的技术参数和选型要求。四、标准对行业的影响与应用价值4.1对HVDC工程建设的指导作用IEC60071-11:2022的发布，为全球范围内HVDC工程的绝缘设计提供了统一的技术基准。换流变压器、晶闸管换流阀、直流套管、直流隔离开关、直流避雷器等核心设备制造企业，可以依据该标准提供统一的技术参数定义和绝缘水平档位，从而实现设备的系列化、标准化生产。对于电力设计院和工程公司而言，该标准的确定性绝缘配合方法为直流工程的过电压分析与绝缘选型提供了清晰的技术路线，有助于减少因标准缺失导致的过度设计或设计不足问题。以换流变压器为例，其绝缘结构需同时承受交流电压（阀侧绕组承受交流叠加直流分量）、直流电压和极性反转电压的复合作用，绝缘设计复杂度远高于普通电力变压器。IEC60071-11对极性反转试验电压的确定方法、试验次数的规定以及局部放电测量要求等方面的明确规范，为换流变压器的绝缘型式试验提供了依据。4.2对直流输电标准体系的完善与引领IEC60071-11的发布，进一步完善了IEC60071系列标准的结构框架，使该系列标准形成了从交流到直流、从系统级到设备级的完整标准矩阵。该标准与IEC60071-5（换流站设备）形成了系统级与设备级的良好衔接——前者从系统整体角度确定绝缘配合的原则和规则，后者则将系统级要求细化到具体的换流站设备选型与验证。该标准还促进了HVDC领域其他相关标准的协同发展。例如在直流线路绝缘子领域，IEC60071-11中的污秽耐受原则与IEC61245（直流绝缘子试验方法）形成了良好的技术互补；在直流电缆领域，该标准中关于直流电场分布和空间电荷效应的讨论为IEC62067等电缆标准的技术要求提供了参考。4.3对直流输电技术未来发展的支撑随着柔性直流输电技术进步和直流电网概念的深化，多端直流网络中的绝缘配合问题将更加复杂。不同换流站之间的交互影响、直流断路器的动作特性对过电压水平的影响、直流电网故障穿越过程中的暂态过电压等，都是未来绝缘配合研究的重要方向。IEC60071-11所确立的“系统级”绝缘配合方法论框架，为这些新问题的研究提供了基础性的方法论支撑。此外，随着海上风电直流送出、深远海能源岛等新型应用场景的出现，直流绝缘配合面临新的挑战，如紧凑型换流站中复合绝缘结构的应用、高温高湿盐雾环境下的绝缘可靠性等。IEC60071-11所建立的技术框架，将持续为这些新兴领域的技术标准制定提供方法论基础。五、修订企事业单位/标委会介绍5.1IECTC99技术委员会概况IEC60071-11:2022由国际电工委员会第99技术委员会（IECTC99,“Insulationco-ordinationandsystemengineeringofhighvoltageelectricalequipment”）归口管理并组织制定。该技术委员会是IEC体系中专门负责高压电力设备绝缘配合及系统工程标准化工作的技术机构，其工作范围涵盖绝缘配合的方法论基础、系统工程的系统化方法以及相关标准的制定与维护工作。IECTC99成立于20世纪中期，伴随IEC60071系列标准的发展而不断发展壮大。目前，该技术委员会下设若干工作组（WorkingGroup）和项目组（ProjectTeam），分别负责不同标准项目的研制和维护工作。IEC60071-11的制定工作由TC99下属的专项工作组（ProjectTeam60071-11）具体执行。5.2标准编制过程表3IEC60071-11标准编制主要阶段|阶段|时间节点|主