1高电压技术绪论第一章.ppt

1、高电压技术,High Voltage Technology,Teacher: 钟云,Cell Phone:office: 信工楼c206 Office hour:每周四上午9-12点,1,如何解释下列典型现象,2,1） 一群顽童在火车站玩耍，当他们在铁道上追逐并攀爬一停靠货场的车厢时，一九龄女童遭车厢上方高压电电击不幸身亡，而电击火花又留下隐患，一个多小时后，车载货物燃起大火。 车厢上方高压电对刘艺放电，电弧引燃了孩子身上的衣服，她顿时变成了一个火人，惨叫声、呼救声令人心碎。强大的电流瞬间夺走了刘艺年幼的生命。,3,220kV线路绝缘子 500kV线路绝缘子,2）绝缘

2、子串、隔离开关安装特点（220kV & 500kV）,4,220kV隔离开关 500kV隔离开关,5,6,3） 电弧现象,7,4） CVT、变压器套管特点,电容式电压互感器 主变压器,8,9,5）变压器套管绝缘和电缆头绝缘结构特点？,10,6. 高压电缆结构？,11,7）大型变压器为什么装电扇 ？,12,8）专劈奶牛的雷：雷击牛棚后，奶牛应声倒地（或被击死），而处于同一地点的人则无事，为什么？ 9）变电站中通常要安装避雷器，为什么？ 10）为什么在发电机高压母线上装设电容器？ 11） 中性点不接地系统中，为什么有时会出现电磁式电压互感器的严重过热、进而冒油、烧损、爆炸？ 12） 在中性点不接地

3、系统中，如含有大量的电力电缆线路，则系统中的单相短路故障容易发展成相间短路故障，为什么？,13,绪论,一、高压输电的发展历史 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、高电压技术的主要研究内容 五、高电压技术的应用 六、高电压技术面临的主要问题,14,1.电网发展历史 1875年，法国巴黎北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

4、一盏电灯。1882年，第一家电业公司上海电气公司成立（1台12kW直流) 。 100多年来，输电电压由最初的13.8kV逐步发展到20，35，66，110，134，220，330，345，400，500，735，750，765，1000kV。,一、高压输电的发展,15,1908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。 1952年，瑞典建成世界上第一条380kV超高压线路。 1965年，加拿

5、大建成世界第一条735kV超高压线路。,1.(续）,16,1952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。 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。 1985年，前苏联建成世界上第一条1150kV特高压输电线路。从500k

6、V电压等级到1150kV电压等级用了20年时间。,1.(续）,17,2.中国电网发展历史 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： 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。,18,中国， 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： 1952年，用自主技术建设了110kV输电线路，逐渐形

7、成京津唐110kV输电网。 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。 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。 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。,2. (续）,19,1983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。 1989年建成500kV葛洲坝-上海高压直流输电线，实现了华中-华东两大区的直流联网。 中国，在

8、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。 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。 2008年12月 1000kV晋东南南阳荆门输电线路工程建成,2. (续）,20,电网发展的历史表明 ： 相邻两个电压等级的级差，在一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

9、电线路的运行表明： 特高压输电技术和设备，经过20年的研究和开发，到20世纪80年代中期，已达到用于实际的特高压输电工程的要求。,3.高压输电的发展,21,高压 100kV 超高压 1001000kV 特高压 1000kV,22,高压输电,23,二、发展特高压的必要性,1.特高压定义 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,24,2.我国不同电压等级电网的分类 高压电网：110kV和220kV电网。 超高压电网：由交流330kV、500k

10、V、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。,25,3.特高压输电的优点,提高输送容量 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： 一回1000kV特高压输电线路的自然功率接近500万千瓦，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640万千瓦，是500kV高压直流的2.1倍，是620kV高压直流的1.7倍。,26,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

11、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。,27,缩短电气距离，提高稳定极限 交流线路的输送功率可按下式计算： 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

12、电距离可以达到2500km及以上。,28,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交流线路四分之一。 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。,29,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。,30,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

13、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。,31,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

14、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。,32,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。,33,34,4.新发展,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220

15、kV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,35,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。,第二张,36,三、中国电力工业的现状与发展,电压等级 已建成交流500kV、330kV、220kV、110kV、35kV及直流500kV电压等级，西北正在建设750kV线路，规划建设百万伏级交流和750千伏级直流系统组成的

16、输电网络 我国电网基本框架 发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施,37,国家电网公司,38,39,四、高电压工程的主要研究的 问题,电力工业与高电压技术密切相关,40,1.绝缘问题,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,41,2.试验问题,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,42,3.过电压防护问题,外过电压 （雷电

17、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 谐振过电压 操作过电压,43,4.绝缘配合,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,44,5.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,45,1 与应用物理的联系紧密 2 实验/经验性 3 理论探索性 4 瞬变性

18、5 与其他学科的交叉与渗透性,理工结合的学科内涵,46,高电压学科的特点,人类最先观察到的电现象是高电压现象 人类最初研制出来的电气装置是产生高电压的摩擦起电装置 人类最先应用电的实例是利用高压放电给人治病 电学的发展史：高电压低电压高电压 高电压技术实现远距离大功率输电的前提条件 建立现代大电力系统的前提条件 我国西电东送必须解决的关键技术问题 高海拔、沙尘暴、永冻土环境下的高压输电 开辟新领域的先锋,47,高电压学科的特点,第二张,48,1.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加工材料,五、高电压技术在其它领域中的应

19、用,49,3.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),（续）,50,5.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）,（续）,51,7.等离子体隐身 利用等离子体与电磁波的作用机制(

20、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,（续）,52,8.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,9.三次采油技术 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,（续）,53,10.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

21、 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,（续）,54,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,（续）,55,六、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,56,大学、企业、科研、刊物、会议等 美国电力公司（AEP）、邦德维尔（BPA）电力局、通用电力公司和美国电力研究院（EPRI），俄罗斯电气研究院、列宁格勒直流

22、研究院、全苏线路设计院；中央电力研究所（CRIEPI）、东京电力公司（TEPCO）和NGK绝缘子公司，意大利电力公司，加拿大魁北克水电局高压试验室；中国电力科学研究院、武汉高压研究所，电力建设研究所 美MIT、Ohio State University等 英Oxford University、UMIST、Southampton Univ.等 德Munchen Tech. Univ.、Tech. Univ. of Dresden等 加Univ. of British Columbia等 日：名古屋大学等 刊物： 美国IEEE系列期刊：Trans. on Plasma Science, on PW

23、RD, on EMC, on EI等 英国IEE系列期刊：Proc. IEE等 日本电气学会论文志：Trans. IEE Japan 会议： International Symposium on High Voltage Engineering International Conference on Gas Discharges and Their Applications International Conference on Plasma Science International Conference on Pulse Power International Conference on

24、Properties and Applications of Dielectric Materials,七、研究机构与学术刊物,57,国内相关刊物,高电压技术 高压电器,58,高压实验室,59,60,61,1 . 输变电设备的状态及绝缘监测预报 2. 输变电设备的介质损耗、局部放电测量 3. 系统谐振及防止方法 4. 电磁兼容问题（“0”在哪里？） 气体放电理论与应用 6. 新绝缘材料研究 7. 接地网的优化、地中电流的研究 8. 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究 9. 其他领域：环境保护、表面处理、可再生能 源、国防领域等,八、研究课题,62,高电压技术的主要研究内容,1）高电压绝缘技术 2

25、）高电压试验技术 3）电网过电压与防护技术,63,高电压绝缘,64,第一章 电介质的基本电气特性,电气特性可以概括为极化特性、电导特性、损耗特性和击穿特性。 电气特性的基本物理参数是相对介电常数、电导率、介质损耗因数和击穿电场强度。,65,第一节 电介质的极化,一、电介质的极化和相对介电常数,图1-1 电介质的极化 (a)极间为真空 (b)极间放入介质,66,C与C0的比值成为该电介质的相对介电常数 式中， 为填充介质的介电常数， 为真空的介电常数（8.8610-14F/cm）。 是表示电介质极化强度的一个物理参数。,67,二、极化的基本形式,1.电子式极化,图1-2 电子式极化 （a）无外加

26、电场；（b）有外加电场,68,电子式极化的特点： 电子式极化存在于所有电介质中。 由于电子异常轻小，完成极化所需的时间极短，约10-15s，极化响应速度极快，通常相当于紫外线频率范围。 电子式极化具有弹性。一旦外电场减小时，依靠正、负电荷之间的吸引力，其作用中心立即重合而恢复成中性。 电子式极化所消耗的能量可忽略不计，称为“无损极化”。,69,2. 离子式极化,图1-3 离子式极化 （a）无外加电场；（b）有外加电场,70,完成离子式极化所需的时间也很短，约10-13s ，其极化响应速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。 离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化。,71,3. 偶极子式

27、极化有损极化,图1-4 偶极子式极化 （a）无外加电场；（b）有外加电场,72,图1-6 极性介质 与温度的关系,图1-5 极性介质r与频率的关系,73,4. 空间电荷极化-有损极化,由于电介质中会存在一些可以迁徙的电子或离子，因而在电场作用下这些带电质点将会发生移动，并聚积在电极附近的介质界面上，形成客观的空间电荷积累，因此这种极化称为空间电荷极化。,74,5.夹层极化-有损极化,75,极化特性的实用意义,在制造电容器时，选择适当的电介质。为了追求一定的电容器具有较大的电容量，应选择介电常数较大的电介质。 设计某些绝缘结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗，这时就不宜选择介电常数太大的电介质。 交流及冲击电压下，多层串联介质中的场强按电容分布，因此可利用不同的介质适当组合来改善绝缘中的电场分布，使之尽可能趋于均匀，以充分利用电介质的绝缘强度，优化绝缘结构。,76,第二节 电介质的电导,