关于高电压技术

关于高电压技术的几点认识关于高电压技术的几点认识【摘要】高电压技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。本文主要是自己学习这门课程的几点认识，其中包括有高电压技术历史、现状和雷电的高电压本质的。【关键词】高电压技术 绝缘 雷电本质【正文】通过几周的高电压技术课程的学习，我对高电压这门技术有了初步的感性认识了，课程中说道，高电压技术虽然 研究范文广，但可以主要的分为两部分：一部分是如何根据需要认为地获得预期的高电压：另一部分是如何确定由于随机干扰因素而引起的外部电压的特性及其变化规律，从而采取相应的措施。核心内容是前者。可见如何获得预期的高电压的重要性了。我学习了这门课程之后主要有以下三个方面的认识，现作简要阐明如下。认识一：高电压技术的发展及现状直到 20 世纪初高电压才逐渐成为一门独立的科学分支。20 世纪以后，随着电能应用的日益广泛，电力系统所覆盖的范围越来越大，输电电压等级不断提高，输电线路经历了 35、60、110、150、230 千伏的高压，287、400、500、735765 千伏的超高压和 1150 千伏的特高压的发展。直流输电也经历了100 、250、400、450、500 以及750 千伏的发展。这几个阶段都与高电压技术解决了输电线路的电晕现象、过电压的防护和限制以及静电场、电磁场对环境的影响等问题密切相关。这一发展过程以及物理学中各种高电压装置的研制又促进了高电压技术的进步。60 年代以后，为了适应大城市电力负荷增长的需要，以及克服城市架空输电线路走廊用地的困难，地下高压电缆输电发展迅速(由 220、275、345 千伏发展到 70 年代的 400、500 千伏电缆线路)；同时为减少变电所占地面积和保护城市环境，全封闭气体绝缘组合电器（GIS） 得到越来越广泛的应用。这些都提出许多高电压技术的新问题 。远距离输电的需求，使电网电压等级迅速向超高压330kV、345kV、400kV、500kV、735kV、750kV、765kV 发展；20 世纪 60 年代末，开始进行1000kV（1100kV、1150kV）电压等级和 1500kV 电压等级特高压输电工程的可行性研究和特高压输电技术的研究和开发。更高电压等级的出现时间用了 1520 年。在 20 世纪 60 年代至 80 年代初，曾规划和建设容量达 500010000MW 的发电中心。核电站按规模经济建设 20006000MW 的发电中心。在远离负荷中心的地区建设大型水电站及梯级电站，从而形成水力发电中心。从超高压和特高压各电压等级的输电能力可看出，大型和特大型机组及相应的大容量电厂的建设更增加了特高压输电的需求。发电能源与用电负荷地理分布不均衡，经济发达地区，用电需求增长快，往往缺乏一次能源；具有丰富一次能源，如矿物燃料，水电资源的地区，用电增长相对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。这种不平衡情况增加了远距离大容量输电和电网互联的需求。在电压等级不变的情况下，远距离输电意味着线路电能耗损的增加。当输送的功率给定时，提高输电电压等级，将减少输电线通过的电流，从而减少有功和电能损耗，提高远距离输送大功率的能力，同时又降低输电电能损耗是推动特高压输电的重要动力。不同容量的电厂按其电力流,应分层、分区接入不同电压等级的电网，以降低电网的短路电流水平。由于特高压的引入，特大容量电厂可直接接入特高压电网。这样，可减少电厂直接接入超高压电网的容量，并改善超高压电网的结构，从而降低超高压电网的短路电流水平。这是发展特高压关于高电压技术的几点认识电网的一个重要因素。认识二：高压、特高压直流输电的特点及应用直流输电架空线路只需正负两极导线，杆塔结构简单，线路走廊窄，造价低，损耗小。直流线路的输送能力强，一回 士 500kV 的直流线路可输送 30003500MW，士 800kV 则可输送 48006400MW；直流线路无电容电流，沿线的电压分布均匀，不需装设并联电抗器。直流电缆线路耐受电压高、输送容量大、输电密度高、损耗小、寿命长，且输送距离不受电容电流的限制。远距离跨海送电和地下电缆送电大多采用直流电缆线路。直流输电两端的交流系统无需同步运行，其输送容量由换流阀电流允许值决定，输送容量和距离不受两端的交流系统同步运行的限制，有利于远距离大容量输电。 采用直流输电实现电力系统非同步联网，不增加被联接电网的短路容量，不需要因短路容量问题而更换被联接电网的断路器以及对电缆采取限流措施；被联电网可以是额定频率不同（50Hz 和 60Hz） ，或额定频率相同但非同步运行的电网；被联电网可保持各自的频率和电压而独立运行，不受联网的影响；被联电网之间交换的功率可方便快速地进行控制，有利于运行和管理。 直流输电输送的有功和换流器吸收的无功均可方便快速地控制，可利用这种快速控制改善交流系统的运行性能。对于交直流并联输电系统，可以利用直流的快速控制以阻尼交流系统的低频振荡，提高与其并联的交流线路的输送能力。 直流输电可利用大地（或海水）为回路，省去一极的导线，同时大地电阻率低、损耗小。对于双极直流系统，大地回路通常作为备用导线，当一极故障时，可自动转为单极方式运行，提高了输电系统的可靠性。直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。双极直流工程可按极分为两期，当每极采用两组基本换流单元时，则可分为四期。 直流输电换流站比交流变电所的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也相应降低。换流站造价比同等规模交流变电所要高出数倍。换流器运行时在交流侧和直流侧产生一系列的谐波，为降低谐波的影响，在两侧需分别装设交流滤波器和直流滤波器，使得换流站的占地面积、造价和运行费用均大幅度提高。 晶闸管换流阀组成的电网换相换流器将吸收大量的无功，除交流滤波器提供的无功外，有时还需装设静电电容器、调相机或静止无功补偿器。电流过零点可利用，灭弧问题难以解决，给直流输电中间抽能带来困难，并且使多端直流输电工程发展缓慢。 直流输电利用大地（或海水）为回路将带来接地极附近地下金属构件、管道等埋设物的电腐蚀、直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和、以及对通信系统和航海磁罗盘的干扰等问题。当地表面电阻率很高时，接地极址的选择比较困难。 由于直流电的静电吸附作用，使直流输电线路和换流站设备的污秽问题比交流输电严重，给外绝缘问题带来困难，这也是特高压直流输电需要研究的重点问题。在电网建设中，经过严格的技术经济论证，采用直流输电相对比较有利的场合有以下几种：远距离大容量输电；电力系统联网；直流电缆送电；轻型直流输电的应用。从 1954 年到 2000 年，世界上共有 63 项直流输电工程投入运行，其中架空线路 17 项，电缆线路 8项，架空和电缆混合线路 12 项，背靠背直流工程 26 项。其中单项架空线路的最高电压和最大输送容量为 士 600kV， 3150MW（巴西伊泰普直流工程） 。士 500kV，输送容量（3000MW ）最大的工程在中国有三个。 特高压直流输电的现状在上世纪 7080 年代，前苏联哈萨克斯坦的埃基巴斯图兹火电基地向其欧洲部分负荷中心的送电、巴西亚马逊河水电群向其东南部和东北部的送电以及印度和非洲的远距离大容量送电，都曾经对特高压直流关于高电压技术的几点认识输电的应用进行过研究，并发表了不少研究报告。研究结论是：士 800kV 的直流输电工程在技术上是可行的；士 1000kV 不经过很大努力进行研究是困难的；士 1200kV 没有重大的突破是不可能的。只有前苏联围绕实际工程，开展了大量的试验研究和设备研制工作，其他国家由于工程项目不落实，而停留在研究阶段。前苏联于 1978 年确定建设埃基巴斯图兹-唐波夫750kV， 6000MW， 2414km 的直流输电工程。试制出工程所用的全套设备，并通过了现场试验。两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作。直流输电线路己建成 1090km（约占全线的 45） 。由于经济原因，火电基地建设放慢，原计划在埃基巴斯图兹建设 4个 4000MW（8 台 500MW 机组）的火电站，在 1992 年仅建成 1 个，第 2 个电站仅有 1 台机运行。与此同时，在前苏联欧洲部分由于核电的发展，也降低了对外来电力的需求,因此该项工程被迫停建。 特高压交、直流输电方式比较 特高压交流输电的主要技术特点 1) 特高压交流输电中间可以落点，具有网络功能，可以根据电源分布、负荷布点、输送电力、电力交换等实际需要构成国家特高压骨干网架。2) 随着电力系统互联电压等级的提高和装机容量增加，等值转动惯量加大，电网同步功率系数将逐步加强。 3) 特高压交流线路产生的充电无功功率约为 500kV 的 5 倍，为了抑制工频过电压，线路必须装设并联电抗器。 适时引入 1000kV 特高压输电，可为直流多馈入的受端电网提供坚强的电压和无功支撑，有利于从根本上解决 500kV 短路电流超标和输电能力低的问题。特高压直流输电的主要技术特点 1) 特高压直流输电系统中间不落点，点对点、大功率、远距离直接将电力送往负荷中心。 2) 特高压直流输电可以减少或避免大量过网潮流，按照送受两端运行方式变化而改变潮流。 3) 特高压直流输电的电压高、输送容量大、线路走廊窄，适合大功率、远距离输电。4) 在交直流并联输电的情况下，利用直流有功功率调制（如双侧频率调制利用直流电流反相位调制） ，可以有效抑制与其并列的交流线路的功率振荡，包括区域性低频振荡，明显提高交流系统的暂态、 （动态）稳定性。5) 大功率直流输电，当发生直流系统闭锁时，两端交流系统将承受大的功率冲击。国内外应用实例：（1 美国邦德维尔电力局（BPA）前期规划：BPA 公司于 1970 年作出规划，拟用 1100kV 远距离输电线路，将喀斯喀特山脉东部煤矿区的坑口发电厂群的电力输送到西部用电负荷中心，输送容量为 8001000万千瓦。 电压等级：1100kV试验设施：莱昂斯电气试验场（2.1km）莫洛机械试验线段（1.8km）试验内容：电晕和电场、生态和环境、操作和雷电冲击绝缘研究；可听噪声、无线电杂音、电视干扰、电晕损失和臭氧的观测。机械和结构试验；对变电站设备进行试验，变压器、避雷器和 SF6 气体设备的性能评价等。（2 美国电力公司 （AEP）关于高电压技术的几点认识前期规划：AEP 公司为了减少输电线路走廊用地和环境问题，规划在已有的 765KV 电网之上迭加一个 1500kV 特高压输电骨干电网 。 电压等级：1500kV试验条件：雷诺特高压试验场（线路长 523 米） 试验内容：操作冲击试验，污秽绝缘子工频电压试验，可听噪声、电晕损失、电视干扰、地面场强和臭氧发生量。 认识三：雷电的高电压本质一般雷电过电压幅值远超过系统的额定工作电压，但作用时间较短，平均波长时间为 30 微秒。雷击除了威胁输电线路和电工设备的绝缘外，还会危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等设施的安全。因此，这些方面的防雷也属于高电压技术的研究对象。认识雷电的高电压本质，认识雷电高电压的产生与来源，认识雷电高电压的属性，我们才能正确的认识和分析防雷问题，分析防雷保护的要点和防雷保护的内容，才能做好防雷方案，才能设计正确的和合理的防雷保护措施。雷电的本质，就是高电压。雷电高电压就是大气高电压。雷电放电的本质，就是高电压的放电。雷电击伤人，击死人，以及雷电击毁设备，袭击房屋，导致的各种灾害，等，都是雷电高电压对人或目标物的袭击造成的结果。我们知道，雷电有一次雷与二次雷之分。一次雷就是直击雷，二次雷是感应雷。它们都是高电压，只是数值的高低有所不同。雷电放电，就是高电压放电。直击雷的放电的主要形式是击穿。在高电压工程中，击穿是指在空气（间隙）中的放电。击穿后强大的雷电电流通过空气，形成强烈的电弧，同时伴随着剧烈的光亮与声响。感应雷电压比直击雷电压低很多，感应雷的放电除击穿外，还有沿面闪络、滑闪以及火花放电等形式。雷电的击穿又分在空气中的击穿，和在物体中的击穿。空气被雷电击穿后，其绝缘强度很快又会恢复；物体被雷电击穿后就会受到了永久性破坏而不能恢复。雷电高电压的来源有三：1、电荷产生：主要的，大量的雷电高电压的产生根源为一堆电荷。天上的雷电，即一次雷电，其高电压是源于雷云中的电荷，各种线路里的感应雷，即二次雷电，其高电压大多数也是源于线路里的感应电荷。2、雷电流的电磁感应生成：雷电流的感应，或称雷电电磁辐射干扰，也会产生感应电压。3 电磁辐射对长线路的感应与干扰。雷电流的压降：1、接触电压：接触电压是指引下线上的某个电压。它是根据人身体的特点来定义的。人站在接地网里，引下线旁，脚步离引下线 0.8m，人的手伸出在离地高度为 1.8m 的地方接触引下线，则在人手与脚步之间的电压称为“接触电压” 。2、跨步电压：跨步电压不仅与雷电流的大小有关，还与离开引下线（即电流注入点）的距离有关。离引下线越近，跨步电压越大；离引下线越远，跨步电压也越小。具体分析人（畜）的跨步电压时，还与跨步的大小有关