高电压技术赵智大第三版.pptx

1 高电压技术高电压技术高电压技术高电压技术 贵州大学电气工程学院 刘晓波 TELQQ:799797284 2 绪论 一、高电压技术的产生与发展 二、发展高压输电的必要性 三、中国电力工业的发展与现状 四、高电压技术的研究对象及主要研究内容 五、高电压技术在其它领域的应用 六、高电压技术面临的主要问题 七、本课程性质、任务和要求 八、教材及主要参考书 高电压技术的产生是随着电力系统的产生而产生的。电网历史发展如下： 1875年，法国巴黎火车站建成世界上第一座火力直流发电厂，标志着 世界电力时代的到来； 1891年，在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机：它发出的 三相交流电通过第一条13.8kV输电线路将电力输送到远方用电地区，使 电力既用于照明，又用于动力，从而开始了高压输电的时代； 1879年中国上海公共租界点亮了第一盏电灯；1882年，第一家电业公司 -上海电气公司成立。 100多年以来，输电电压由最初的13.8kV逐步发展到10、20、35、66、 110、134、220、330、345、400、500、735、750、765、1000kV 3 一、高电压技术的产生与发展 3 输电技术的百年发展史，实际上就是依靠不断提高 电压等级来增大输送容量和输电距离。 4 5 v 1908年，美国建成了世界第一条110kV输电线路；经过15年，于 1923年，第一条230kV线路投入运行；1954年建成第一条345kV 线路。从230kV电压等级到345kV电压等级经历了31年。在 345kV投运15年后，1969年建成了765kV线路。 v 1952年，瑞典建成世界上第一条380kV超高压线路。 v 1965年，加拿大建成世界第一条735kV超高压线路。 v 1952年，前苏联建成第一条330kV线路；1956年建成400kV线路 ；1967年建成750kV线路。从330kV电压等级发展到750kV电压 等级用了15年时间。 二、发展高压输电的必要性_电压等级的发展 电网发展的历史表明 ： 相邻两个电压等级的级差，在1倍以上是经济合理的。 新的更高电压等级的出现时间一般为1520年。 前苏联1150kV输电线路的运行表明： 经过20年的研究和开发，到20世纪80年代中期，特高压输电技术和 设备已达到用于实际输电工程的要求。 欧洲和美国，在超高压输电方面，主要发展345kV、380kV和 750kV电压级， 500kV线路发展比较慢。1964年，美国建成第一条 500kV线路，从230kV到500kV输电，时间间隔达36年。前苏联的 500kV电压等级是在400kV基础上升级发展起来的，1964年，建成 完善的500kV输电系统。 （1）对电力需求的激增 不同的输电电压等级组成的输电网有不同的输电能力。在规划未来的电网电 压等级时，通常用自然功率来粗略地比较其的输电能力。 （2）电力的远距离输送 电力资源和用电负荷分布不平衡，经济发达地区，用电需求增长快，而缺乏 一次能源；具有丰富一次能源如矿物燃料、水电资源的地区，用电需求增长 较慢或人均用电水平较低。加拿大、美国、俄罗斯、巴西和中国等国都存在 这种不平衡情况，从而增加了远距离大容量输电和电网互联的需求。 7 二、发展高压输电的必要性_电压提高的必要性 大功率远距离输电的需求增大使是电压等级不断提高。 远距离、大容量高压输电 提高输送能力 交流线路的自然功率是该线路可输送的最大容量，是表征其送电能力的 一项指标。 一回1000kV特高压输电线路的自然功率接近500万kVA ，约为500kV 输电线路的五倍左右。 800kV直流特高压输电能力可达到640万kVA，是500kV高压直流 的2.1倍，是620kV高压直流的1.7倍。 8 二、发展高压输电的必要性_提高电压的技术依据 自然功率 自然功率就是输电线路受端每相接入一个波阻抗的负荷Zc时线路输送 的功率，它主要用来分析输电线路的输电能力、电压和无功调节等问题 。 当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗 的无功相等，因此送端和受端的功率因数一致；当输送功率低于自然功 率时，由于充电功率大于线路消耗无功，必然导致线路电压升高；相反 ，当线路输送功率大于自然功率，由于无功不足，需要额外的无功补偿 ，在没有无功补偿的情况下，线路电压就会下降。所以，线路在输送自 然功率的时候，经济性最好、最合理。 9 10 二、发展高压输电的必要性 _特高压的发展 高压定义 交流输电 高 压：35kV220kV 超高压：330kV及以上、1000kV以下 特高压：1000kV及以上 直流输电 超高压直流：600kV级(含620kV）及以下 特高压直流：750kV及以上 1985年，前苏联建成世界上第一条1150kV特高压输电线路。从500kV 电压等级到1150kV电压等级用了20年时间。 降低线路损耗 输电线路损耗可按下式估算： 可见，在导线总截面、输送容量均相同，即R、S值相等的情况下， 1000kV交流线路的电阻损耗是500kV交流线路1/4。 800kV直流线路的电阻损耗是500kV直流线路的39，是620kV直 流线路的60。 11 特高压优势 缩短电气距离，提高电力系统稳定极限 1000千线路的电气距离相当于同长度500千伏线路的1/41/5。换句话说 ，在输送相同功率的情况下，1000kV特高压输电线路的最远送电距离约为 500kV线路的4倍。 采用800kV直流输电技术使超远距离的送电成为可能，经济输电距离可 以达到2500km及以上。 12 减少工程投资 1000kV交流输电方案的单位输送容量综合造价约为500kV输电方案的 四分之三。 800kV直流输电方案的单位输送容量综合造价也约为500kV直流输 电方案的四分之三。 提高单位走廊输电能力，节省走廊面积 交流特高压：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为75米和81 米，单位走廊输送能力分别为13.3万千瓦/米和6.2万千瓦/米，约为同 类型500kV线路的三倍。 直流特高压：800kV、640万千瓦直流输电方案的线路走廊约76米， 单位走廊宽度输送容量为8.4万千瓦/米，是500kV、300万千瓦方案 的1.29倍，620kV、380万千瓦方案的1.37倍。 13 提高单位走廊输电能力，节省走廊面积 交流特高压：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为75米和81米，单 位走廊输送能力分别为13.3万千瓦/米和6.2万千瓦/米，约为同类型500kV线路 的3倍。 直流特高压：800kV、640万千瓦直流输电方案的线路走廊约76米，单位走 廊宽度输送容量为8.4万千瓦/米，是500kV、300万千瓦方案的1.29倍， 620kV、380万千瓦方案的1.37倍。 改善电网结构，降低短路电流 通过特高压实现长距离送电，可以减少在负荷中心地区装设机组的需求，从 而降低短路电流幅值。长距离输入1000万千瓦电力，相当于减少本地装机17 台60万千瓦机组。每台60万千瓦机组对其附近区域500千伏系统的短路电流 约增加1.8kA，如果这些机组均装设在负荷中心地区，对当地电网的短路电流 水平有较大的影响。 通过特高压电网，实现分层分区布局，可以优化包括超高压在内的系统结构 ，从根本上解决短路电流超标问题。 14 加强联网能力 通过交流特高压同步联网，可以大幅度缩短电网间的电气距离，提 高稳定水平，发挥大同步电网的各项综合效益。 通过直流特高压异步联网，满足长距离、大容量送电的要求，沿线 不需要提供电源支撑。 通过特高压联网，增强网络功率交换能力，可以在更大范围内优化能源 资源配置方式。 15 特高压输电 各国发展特高压输电的原因不尽相同 俄罗斯有可能在2020年左右建设18002000kV线路 直流输电、紧凑型输电及灵活输电 直流输电的优越性值得重视 我国第一条220kV紧凑型试验线路从北京安定到河北廊坊，长26公里，于 1994年9月投入试运行 其它的输电方式如超导输电、低温输电、无线输电、多相输电 等也在研究中 特高压输电技术研究的基本结论 经过各国特高压技术的研究和试验，技术问题已不是特高压输电发展的限 制性因素。发展特高压电网在经济上是有吸引力的。特高压电网出现和发展的 进程由大容量输电的需求所决定，主要取决于用电负荷的增长情况。 16 1 7 v 中国，1949年前，电力工业发展缓慢，输电电压按具体工程决定，电 压等级繁多：1949年新中国成立后，按电网发展统一电压等级，逐渐 形成经济合理的电压等级系列： v 1952年，用自主技术建设了110kV输电线路，逐渐形成京津唐110kV 输电网。 v 1954年，建成丰满至抚顺李石寨220kV输电线路，随后继续建设辽宁 电厂至李石寨，阜新电厂至青堆子等220kV线路，迅速形成东北电网 220kV骨干网架。 v 1972年建成330kV刘家峡关中输电线路，全长534km，随后逐渐形 成西北电网330kV骨干网架。 v 1981年建成500kV河南平顶山姚孟湖北武昌输电线路，全长595km 。为适应葛洲坝输变电的需要。 三、中国电力工业的发展与现状_电力工业的发展 17 v 1983年又建成葛洲坝-武昌和葛洲坝-双河两回500kV线路，开始 形成华中电网500kV骨干网架。 v 1989年建成500kV葛洲坝-上海高压直流输电线，实现了华中-华 东两区的直流联网。 v 中国，在逐渐形成330kV和500kV区域输电骨干网架的同时，于 20世纪80年代初开始了330kV和500kV以上更高电压等级的论证 。1984年，国家明确提出500kV以上的输电电压为1000kV特高 压、330kV以上的输电电压为750kV。 v 2005年9月，中国在西北地区（青海官厅兰州东）建成了一条 750kV输电线路，长度为140.7 km。输、变电设备，除GIS外， 全部为国产。 v 1000kV晋东南南阳荆门输电线路工程。系统额定电压 1000kV，最高运行电压1100kV，自然输送功率5000MVA。工程 自2007年5月开工，2008年12月竣工。于2011年12月荣获国家 优质工程（金奖）。 18 1908年建成22kV石龙坝水电站至昆明线路， 1921年建成33kV石景山电厂至北京城的线路。 1933年建成抚顺电厂的44kV出线。 1934年建成66kV延边至老头沟线路。 1935年建成抚顺电厂至鞍山的154kV线路。 1943年建成110kV镜泊湖水电厂至吉林延边线路。 1 9 4 9 年 以 前 交流：10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV ，西北正在建设750kV线路，规划建设百万伏级 交流 直流：500kV，规划建设750千伏、800千伏 1 9 4 9 年 以 后 1 9 19 不同电压等级电网的分类 高压电网：10kV、35kV、110kV和220kV电网。 超高压电网：由交流330kV、500kV、750kV和直流 500kV构成的电网。 特高压电网：由交流1000kV和直流800kV构成的 电网。 20 三、中国电力工业的发展与现状_电力工业的现状 21 东北电网东北电网 华北电网华北电网 西北电网西北电网 川渝电网川渝电网 华中电网华中电网 华东电网华东电网 南方电网南方电网 500kV500kV 220kV220kV 330kV330kV 热电厂热电厂 水电站水电站 核电站核电站 我国电网基本框架 21 22 23 24 25 26 四、高电压工程的研究对象及主要研究内容 作为电力系统中应用的高电压工程主要包括两大方面： 高电压绝缘与测试技术 电力系统过电压 前者涉及到电绝缘材料、绝缘结构、绝缘放电理论与试验数 据，高电压试验方法等。 后者与高电压设备及输电运行的安全稳定密切相关 研究对象： 绝缘与绝缘结构 过电压 27 研究内容 电力系统 28 四、高电压技术的研究对象及主要研究内容（续） 电力系统的构成 30 31 高 压 电 气 设 备 停 电 原 因 32 旧金山大停电 33 巴西大停电 34 纽约大停电 35 菲律宾大停电 36 加州大停电 37 世界各地大停电 38 我 国 大 停 电 39 安全运行的基础 40 设备状态 维修决策 在线监测故障诊断 电力 工业 与高 电压 技术 密切 相关 41 绝缘材料 研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能、现象以 及相应的过程、理论 绝缘结构（电场结构） 同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现 电压形式 同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相 同 没有可靠的绝缘，高电压高场强 甚至无法实现。在一定的电压形 式下，必须选择合理的绝缘材料 ，设计合理的绝缘结构。 42 绝缘问题 各种经济、灵活的高电压发生装置 电气设备各种绝缘试验项目的设计 预防性试验 在线监测、故障诊断 状态维修 高电压的测量 高强量、微弱量、快速量 高电压试验面临诸如以下问题： 如何产生高压？ 如何对电气设备进行高压试验？ 如何测量高压？ 43 试验问题 外过电压 （雷电过电压） 内过电压 老化、污秽（在运行电压及过电压下） 保护装置 分析各类过电压的特点及形成条件，研究各种 保护装置及其保护特性 工频过电压工频过电压 谐振过电压谐振过电压 操作过电压操作过电压 各种过电压的特点及形成条件 各种保护装置及其保护特性 电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合 44 过电压防护问题 l 中心问题： 解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾，将电力系统绝缘确定在 既经济又可靠的水平 l 原则 45 绝缘配合问题 电磁环境问题 电磁兼容 更多的电子及微电子设备对强电系统进行保护和监控，其对暂 态干扰具有明显的敏感性和脆弱性 强电系统电压高、容量大，对弱电系统产生更加强烈的电磁干扰 开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及研究工作 生态效应 研究强电场、强磁场下对生物生活环境的影响。 五、高电压技术在其它领域的应用 新能源技术 48 49 50 五、高电压技术在其它领域中的应用（续） 1.高压静电除尘 已有十分广泛成熟的应用。基于静电吸引的作用收集灰尘 ，制成静电除尘器，其除尘效率达99%以上。 2.电火花加工 利用火花放电时的放电能量处理加工材料 3.体外碎石技术 肾结石、胆结石的体外粉碎是利用高压脉冲产生一定向冲 击波，经聚焦后作用于患处将结石击碎(上海交大率先开 发成功，由此成果当事人成为中国工程院院士) 4.除菌及清鲜空气 利用空气中电晕放电，控制产生一定浓度臭氧(强氧化 剂)，达到杀菌及清洁空气的作用(目前空调中所谓的 等离子体空气清新技术) 加工领域医疗保健领域 5.污水处理 利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，与污水作用能够分解 污水中的有机物，去除臭气，实现污水的处理 6.烟气处理 利用高功率脉冲形成高能活性离子，可以实现工厂烟气的 脱硫脱硝，净化排污 （国家863项目） 环保领域 51 五、高电压技术在其它领域中的应用（续） 7.等离子体隐身 利用等离子体与电磁波的作用机制(能够有效吸收大 量的电磁波), 产生覆盖飞行器的等离子体层，能有效 吸收雷达信号，达到隐身的目的 国家自然科学 基金重大研究 项目 微波雷达相关 8.等离子体 表面处理 高压放电产生活性粒子作用于织物等，增强材料表面 活性，不但易于染色和进行表面涂覆等，且处理过程 对环境不会有污染。是当前印染行业十分看好的织物 处理技术 将高功率脉冲电源引至油井下进行瞬间放电，产生 很强的冲击波，此冲击波将地下岩层震裂，使得原 有的缝隙增大(解堵作用)，原油渗出更容易，能提 高油井的产量 9.三次采 油技术 纺织 、能源 52 53 五、高电压技术在其它领域中的应用（续） 10.新概念武器 电磁炮 利用高压脉冲电源瞬间击穿产生高功率脉冲（强电流）产生强 磁场通过电磁力的作用将炮弹发出 微波弹 高压快脉冲重复放电产生强电磁波，对敌方电子设备进行干 扰，能量足够时可导致设备失效 国防科工委重大研究项目 B i v 等离子体推进 利用高压放电产生等离子体，通过等离子体间的电 磁相互作用(排斥力)推进舰艇，具有无声的优点， 可有效避免被敌人的声纳探测 54 激光的产生的必要条件 激光器具有以下三个组成部分 (1)激活介质 即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也叫激光工作物质。如 氖、氩、二氧化碳、红宝石以及钕玻璃等。 (2)激励装置 即能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，称为激励装置，如各 种激光器的电源。 (3)光学谐振腔 能使光线在其中反复振荡和多次被放大的一种由硬质玻璃制成的 谐振腔。 激光产生的过程可概括归纳如下： 激励激活介质(工作物质)粒子数反转被激励后的工作物质中偶然发生 的自发辐射 其他粒子的受激辐射光放大 光振荡与光放大激光 。 11.脉冲功率技术神光与激光聚变技术 用于激光惯性约束核聚变试验的大型激光器 E = mc2 E = mc2 质量亏损变成了能量 著名的爱因斯坦质能关系式 55 235U 分裂碎片 分裂碎片 能量 裂 变 中子 中子 中子 聚 变 能量 氦 中子 聚变能最理想的未来能源 56 裂变物质资源有限： 铀-235 仅够几十年 铀-238和钍-232 只够几百年 聚变物质资源取之不尽： 天然水中含氘(2H)0.003% 一公斤海水中含氘相当于300升汽油 海水中氘聚变产生的能量可供人类使用100亿年 附：氘为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢 聚变能最理想的未来能源 实现聚变的必要条件 约束密度和约束时间的乘积1014秒每立方厘米 温 度 4千万度 57 激光聚变发电系统概念图激光增强技 术 58 激光聚变装置外观 59 神光能源组件 60 五、高电压技术面临的主要问题 提高设备可靠性的技术问题 设备紧凑化高场强的技术问题 新型绝缘材料的开发 大功率电力电子器件在高压中的应用 架空线及变电所的电磁环境 61 1 . 输变电设备的状态及绝缘监测预报 2. OPT & OCT（光学电压、电流互感器） 3. 输变电设备的介质损耗、局部放电测量 4. 系统谐振及防止方法 5. 电磁兼容问题 7. 气体放电理论与应用 8. 新绝缘材料研究 9. 接地网的优化、地中电流的研究 10. 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究 11. 其他领域：环境保护、表面处理、可再生能 源、国防领域等 热门研究课题 62 五、高电压技术面临的主要问题（续） 高压实验室 63 6464 65 电介质的电气强度 电气绝缘与高压电气试验 过电压防护与绝缘配合 本课程是一门重要的专业技术基础课，主要内容 包括： 在电气工程及自动化工程中具有较强的理论性、 实践性的应用价值。 66 七、本课程性质、任务和要求 67 本课程特点 通过本课程的学习，学生应达到以下要求： 获得各种电介质的绝缘特性知识 提高抗电强度的方法 了解高电压试验设备原理、试验方法 掌握波过程的基本理论 68 具有分析计算电力系统中大气过电压、操作过 电压的能力 学会限制各种过电压的措施 理解电力系统中绝缘配合的原则 69 八、教材及相关参考书籍 1、所用教材 高电压技术 浙江大学 赵智大 中国电力出版社 2006 难度适中，内容比较适合非高压专业 70 2、相关参考书目 高电压技术高电压技术 （第三版）（第三版） 周泽存周泽存 中国电力出版社中国电力出版社 20072007 【比较综合比较综合】 理论有点深理论有点深 高电压技术高电压技术 文远芳文远芳 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 20012001 偏重于工程应用偏重于工程应用 71 高电压技术课程说明 一、学时与学分：40+8/3 二、先修课程： 电路理论、模拟电子电路、电机学、 电磁场、电气设备、电气工程基础、电力系统分析 三、课程性质：必修 四、课程教学目标及要求 高电压技术是电气类专业的一门专业基础课，是一门理论性 和实践性都