高电压技术（罗滇生）第1章高电压技术-绪论

1、高电压技术第1章 绪论 主讲人：罗滇生 为实现高压输电而形成的一个电力工程分支学科。 高电压技术的主战场是：电力系统1. 研究对象地位 日本小崎正光教授把最高品质能量形态的电能有关知识和技术体系称为电气电子工程学，它可理解为图示的三柱组成的体系。随着学科的扩展目前所有与高电压、高场强相关的电的、物理的、化学的、材料科学等各类理论与实践问题都是高电压技术的研究范围。高电压技术触及的领域： 高能物理（粒子加速器） 医学（基于高电压的医疗器械 X光机、CT ） 环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车尾气处理 ） 食品卫生（杀毒灭菌） 高压静电喷涂2.主要的相关专业理论课程 高电压试验技术、高

2、电压绝缘、电力设备绝缘故障诊断与监测、气体放电理论、电力系统过电压、绝缘测试技术、电介质物理等3. 与之相关的其他课程等离子体理论、电磁兼容、脉冲功率技术、电磁场的数值分析、测控技术及仪器、量子物理以及其他现代科学技术知识等4. 本门课要讲的主要内容：（1）绝缘技术基础（2）高电压试验技术基础（3）过电压及其防护初步5. 教材及参考书目 教材：施围，邱毓昌，张乔根 著高电压工程基础 机械工业出 版社 参考书目：朱德恒，严璋著 高电压绝缘 清华大学出版社 张仁豫等著 高电压试验技术清华大学出版社如何学习？特别是：过电压产生机理、电磁兼容性、电介质特性、各种测量实验手段的学习训练、电力系统过电压防

3、护等，是电气类学生必备知识。学习要点：重点掌握基本概念、分析方法和思路。以课堂所讲内容为重点。特点：工程性、统计性 经验公式、图形、图表计算、各种假设、学说、实验曲线等。第1章 绪论 1.1 高压输电的必要性 1.2 我国电力工业的发展 1.3 电力工业对高电压技术的促进作用 1.4 新材料和新技术在高电压技术中的应用 1.5 高电压技术在其他领域的应用华北南方东北西藏台湾西北华中华东煤电基地水电基地负荷中心我国能源资源分布图 西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公里左右，远距离、大容量输电是我国未来电网发展的必然趋势。 1.1 高压输电的必要性远距离、大容量高压输电15呼辽工程,

4、 300万千瓦, 908公里, 已投运。德宝工程, 300万千瓦, 908公里, 已投运。三上、三常、三沪、三沪II工程 300万千瓦, 葛上工程, 120万千瓦,约1000公里, 1990-2011年陆续投运。三广工程, 300万千瓦，已投运。青藏工程 ,60万千瓦, 1038公里, 已投运。500kV及以下直流工程16宁东-山东 660kV直流工程，4000MW, 1335km, 2011年2月投运。660kV直流工程17向家坝-上海, 640万千瓦, 1,907公里, 水电送出，已投运哈密-郑州, 800万千瓦, 2,210公里, 火电送出，已开工。锦屏-苏南, 720万千瓦, 2,09

5、7公里, 水电送出，双极低端已经投产，今年年底全部投产。溪洛渡-浙西, 800万千瓦, 1,669公里, 水电送出，已开工800kV直流工程远距离、大容量高压输电 线损与发热 不同截面的电缆和架空线都有其最大允许的载流量，电流过大会使线路能量损耗太大，导致导线温度过高而引发事故。 2003年8月14日美国与加拿大的大停电, 就是因为俄亥俄州一条线路过载而使弧垂增大以致触及树枝而引发的。 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交流线路的四分之一。800kV直流线路的电阻损耗是500kV直流线路的39，是6

6、20kV直流线路的60。在电压等级不变得情况下，远距离输电意味着线路电能损耗的增加。当输送的功率给定时，提高输电电压等级，将降低输电电流，从而减少有功和无功电能损耗。 线路电压降 为保持用户的电压在合理的运行范围之内，对线路电压降必须有所限制。从这一点出发，也只有提高输电电压才能增大传输容量。 从电力线路和变压器的等值电路可见，它们的电压降都是因为负荷功率通过其串联阻抗支路而产生。（a）等值电路（b）相量图图 串联阻抗支路等值电路及相量图电网电压降落计算:电力网任意两点电压的向量差称为电压降落，记为 ，由图可得 已知末端功率和电压计算首端电压（设末端电压为参考相量）设末端电压为 ，当阻抗支路中

7、有电流（或功率）传输时，首端电压为式中 称为电压降落的纵分量； 称为电压降落的横分量。其中于是 电力系统稳定性 要增大输送功率或增大传输距离，都必须提高输电电压。 对于远距离输电线路而言，上述三种制约因素中，最重要的约束条件是保证电力系统的稳定。 1000千伏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。 交流输电电压等级的发展 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

8、和输电距离。 1.2 我国电力工业的发展 装机容量 是1949年的238倍，位居世界第二位。 尽管我国电力工业发展如此迅速，但人均装机容量仅为0.34 kW，只有美国人均装机容量的1/10左右。 为此我国电厂建设今后仍将高速发展，预计到2020年我国发电装机容量将达900 GW950GW，但即使到那时我国的人均发电装机容量仍低于世界平均水平。 高压输电技术 我国输电技术的发展电压等级 220 330 500 750 1000出现年份 1943 1974 1981 2005 建设中世界输电技术的发展电压等级 220 380 500 750 1150出现年份 1926 1952 1959 1965

9、 1985 三峡水电站 巴西伊泰普水电站（已经运行20余年）装机容量 18.2 GW 12.6 GW输电电压 500kV；500kV 760kV；600kV滞后！我国交流输电线路的一般输送容量及输电距离 标称电压/kV110220330500750最高运行电压/kV126252363550800输送容量/MW10501005002001000500150010002000输电距离/km1505030010060020010002501500500可见在西北地区发展750kV和在全国发展百万伏级输电线路是十分必要的 能源结构和能源分布 电厂类型火电水电核电其他总计装机容量/GW324.9108.

10、266.840.7440.7占总装机量的73.7224.571.550.16100(1)进一步发展大容量远距离输电;(2)采取有效措施，减少火力发电厂的CO2的排放。 . 发展中的分布式发电的优点投资少, 建设快(不需要高压输电系统, 使得基础设施投资减少)运行费用低(输电损耗远低于常规电力系统)供电可靠 美国近12年来发生过41起因风暴等自然灾害引起的高压线路及铁塔的严重破坏，损失达1800亿美元 太阳黑子引起的磁暴使得地球磁场变化，因此南北走向的长输电线路可能发生严重事故 战时的高压输电线路是影响供电可靠性的一个薄弱环节 分布式发电不可能取代远距离大容量输电风力发电: 是新的可再生能源发电

11、技术中最成熟的,单机容量已从数百kW发展到MW级,但目前最大的单机容量也仅5MW (火力发电的超超临界机组的最大单机容量为1.3GW)燃料电池: 已商品化的单个装置容量为200kW(磷酸型), 正在研究开发的熔融碳酸盐型和固体氧化物 型可达到数MW及更大的容量, 其普及应用至少还需要510年太阳能光伏发电: 成本还比较高, 目前最大的太阳能社区仅1MW可再生能源的高效开发利用风电规模迅猛发展 2008年，我国新增风电装机容量630万千瓦，占全球新增装机容量的22%，预计到2020年，我国风电装机容量将达到1亿kW亿kW； 大规模可再生能源集约式开发 未来我国陆地风能、太阳能将以大规模集约化开发

12、为主，规划在西部、北部等偏远地区建设千万千瓦级风电场，在沿海建设百兆瓦级海上风电场。我国风电场规划工程分布图1.3 电力工业对高电压技术发展的促进作用 新的更高电压等级的应用以电晕为例, 配电线路不需采取特殊措施; 但对特高压线路就是线路设计的大问题。 如日本东京电力公司的1000kV线路, 采用8根截面为810mm2 的导线构成分裂间距为40cm的8分裂导线, 才能将电晕的噪声降至500kV线路的水平(50dB)。以过电压防护为例, 决定配电线路绝缘水平的是雷电过电压; 但对超高压和特高压线路而言, 操作过电压和工频过电压是更为重要的因素。 紧凑型输电技术 紧凑型输电线路的特点是取消常规线路

13、杆塔的相间接地构架而将三相线路置于同一塔窗中，使导线相间距离显著减小。 因此，与常规线路相比，紧凑型输电线路的电感减小，电容增大，即线路的波阻抗减小，从而增大了输电线路的自然功率，也就是说可以有效地提高线路的输送能力。紧凑型输电的另一个显著优点是线路走廊减小，因而占地减少。 交流线路的自然功率是表征其送电能力的一项指标，其计算公式如下 灵活交流输电技术 灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System 简写为FACTS）是指装有电力电子型或其它静止型控制器以加强系统可控性和增大传输能力的交流输电系统。 静止补偿器（SVC）中既装有用来提高功率因数的并联电容器以保

14、证重载时用户端的电压不致太低，又装有并联电抗器以降低线路轻载或空载时长线末端出现的工频过电压。 SVC的电抗可从电容性到电感性按需要调节，从而使SVC安装点的电压保持在一定的范围内。 高压直流与轻型高压直流输电 高压直流（HVDC）在远距离输电工程中有很大的优势，因为它不像交流输电有系统稳定的问题。高压直流除了在远距离输电方面的优势外，还有其他的特殊用途，如用作两个交流电力系统的互联和实现海底电缆输电等。 直流输电系统中的绝缘技术和过电压防护技术不同于交流输电系统，所以高压直流输电的发展对高电压技术的进步是有促进作用的。 当输电距离超过等价距离时直流输电更经济 高压直流输电 1远距离输电及跨海

15、输电； 2联接两个不同频率的电网，并可实现定电流控制，限制短路电流。 1远距离输电及跨海输电 跨海输电及远距离输电容量大，如采用交流输电的话，由于距离长，线路感抗也将增大，从而限制了输送容量，而且造成运行不稳定。另外，由于交流线路存在分布电抗和对地分布电容，会引起线路电压在很大范围内发生变化，必须投入无功补偿设备，投资增加。若采用直流输电，则不存在此类问题。 直流输电线路具有架设方便、能耗小、导线截面可得到充分利用及绝缘强度高等优点，使其更适宜于远距离大容量输电。 2联接两个不同频率的电网，并可实现定电流控制，限制短路电流。若将电能从交流系统A输送到交流系统B，则换流装置把交流整流成直流，通过

16、直流电网输送给换流装置，换流装置再把直流逆变为与交流系统B同频率同相位的交流电馈送给交流系统B。 1.4 新材料和新技术在高电压技术中的应用 新材料的应用阀式避雷器（碳化硅） 金属氧化物避雷器（氧化锌）粘性浸渍的油纸电缆、充油电缆交联聚乙烯电缆 新技术的应用超导技术、光电技术、绝缘检测技术等常规电缆 常温介质超导电缆 低温介质超导电缆传输容量/MVA 220 500 1000 线路损耗% 100 100 67 环境保护的要求高电压学科的特点 461.5 高电压技术中在其他领域的应用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 2.电火花加工 利用火花放电时的放电能量处理

17、加工材料473.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)485.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 497.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508.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