高电压技术在环保及生物领域中的应用

精品文档高电压技术在环保及生物领域中的应用工程上把 1000伏及以上的交流供电电压称为高电压。高电压技术所涉及的高电压类型有直流电压、工频交流电压和持续时间为毫秒级的操作过电压、微秒级的雷电过电压、纳秒级的核致电磁脉冲(NEMP)等。 20世纪以来，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,传输的电能也越来越多,这就要求电力系统的输电电压等级不断提高。就世界范围而言，输电线路经历了 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（工业试验线路）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年代以来，为了适应大城市电力负荷日益增长的需要，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。研究电力系统中各种过电压，以便合理确定其绝缘水平是高电压技术的重要内容。电力系统的过电压包括雷电过电压（又称大气过电压、外部过电压）和内部过电压。其中雷电过电压由雷云直接或间接对变电所或输电线路 (避雷线、杆塔或导线)放电造成。一般雷电过电压幅值较高,超过系统的 额定工作电压,但作用时间较短,波头时间大多数为1.52微秒，平均波长时间为30微秒，大于50微秒的很少。雷击除了会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、油库等设备的安全。因此，这些方面的防雷也属于高电压技术的研究对象。 电力系统内部过电压是因正常操作或故障等原因使电磁状态发生变化，引起电磁能量振荡而产生的。其中衰减较快、持续时间较短的称为操作过电压；无阻尼或弱阻尼、持续时间长的称为暂态过电压。对110220千伏电力系统，内部过电压水平一般取 3倍最大工作电压；对330500千伏电力系统，需要采取一些限制措施，取22.5倍。对特高压电力系统，进一步限制内部过电压具有巨大的经济价值，从前景来看限制到1.51.8倍最大工作电压是完全可能的。 60年代后期以来，高电压技术在电工以外的领域得到广泛应用；同时，也不断采用新技术以发展自身。前者主要指高电压技术在粒子加速器、大功率脉冲发生器、受控热核反应研究、航空与航天领域的雷电和静电控制与防护、磁流体发电、激光技术、等离子体切割、电水锤进行海底探油、冲击加工成型、人体内结石的破碎，以及静电除尘、静电除菌、静电喷涂、静电复印等方面的应用。高电压领域中采用的新技术则包括利用电子计算机计算电力系统的暂态过程和变电所的波过程；采用激光技术进行高电压下大电流的测量；采用光纤技术进行高电压的传递和测量；采用信息技术进行数据处理等。这一切构成了高电压技术近年来发展的一个重要方面。 另一方面，高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压，例如15001800千伏特高压输电的科研工作。而美国和苏联的一些学者，则另辟蹊径，利用电力电子技术的新成就，对现有的超高压电网研究技术改造、扩大传输容量的技术。例如，苏联一些学者，研究利用静止补偿装置，对500千伏输电系统进行全补偿。这种输电系统,只存在回路电阻而无感抗，因而已不存在系统稳定问题，传输容量只决定于电阻值和导线载流能力,因而改造后的500千伏输电系统, 其输电能力可达到百万伏级特高压输电系统的水平。这种“内涵发展模式”正在引起科学界的广泛重视。与此相似，美国也正在研究利用静止补偿装置，对存在严重电磁兼容性问题的超高压输电线段施行局部的分段补偿，以解决过去要对全系统进行改造的问题。高电压技术在环保及生物领域中的应用1）建立了高电压环保技术研究新方向，研究采用高电压技术进行废水和废气处理、空气过滤等。其中高电压污水处理深圳的研究得到了深圳市科技项目支持，研究已通过了工业化中试。在新一代纳米二氧化钛等离子体放电催化臭氧发生器方面，发生器采用特殊技术，将纳米二氧化钛负载于传统的微放电型臭氧发生器的介质上，纳米二氧化钛在强电场和等离子体放电的催化作用下，可以产生大量的羟基自由基。又由于二氧化钛的介电系数远大于玻璃、陶瓷等介质，因而在玻璃、陶瓷等介质上负载纳米二氧化钛后，臭氧发生器的电容将有所增大，在同样条件下臭氧的产量将提高。实际上，纳米二氧化钛等离子体放电催化臭氧发生器是一种高效的臭氧与羟基自由基联合发生器，是新一代新型臭氧发生器，具有产量高，杀菌效果好的特点。在等离子体放电催化室内空气净化技术研究方面，研究的等离子体放电催化空气净化器具有创新性和新颖性：等离子体放电本身能产生紫外光，催化纳米材料产生电子空穴对，空穴与水分子反应生成羟基自由基，依靠羟基自由基的强氧化性降解VOCs和灭菌消毒；且等离子体放电不仅产生紫外光，还能产生高能粒子。实践证明，高能粒子也能催化纳米材料。因而在等离子体放电催化空气净化中，不仅等离子体本身净化了空气，而且等离子体放电产生的紫外光和高能粒子共同催化纳米材料进一步对空气净化，或者说等离子体放电催化空气技术是将当前两个最具活力的等离子体空气净化技术和光催化空气净化技术巧妙结合的新型空气净化技术，因而其净化效率显然要高于单独的等离子体或单独的光催化。2) 形成了高电压材料及生物处理技术研究方向，主要应用高压放电技术处理材料和生物(如果蔬、粮食等)，以及生物杀菌等（注：电场的果蔬汁处理的课题即将得到国家十一五支撑计划的资助）。开展了高压电场编制纳米纤维的研究，这一领域的研究申请到了国家自然科学基金和深圳市科技项目，初步的研究成果被国际杂志（IEEE Trans on DEI）录用。在粮食处理方面，得到了国家自然科学基金和留学回国基金的资助，初步取得了大气压条件下等离子体的激发，在生物杀菌方面也取得了初步的成果。成果已应邀在该领域的国际学术会议上作了口头报告。3) 高电压技术的生物应用技术继续得到发展。深入研究低频脉冲电磁场的生物效应方面，承担了深圳市科技项目1项和清华大学985课题“电磁场对骨细胞与骨化作用的影响及在骨质疏松症临床治疗中的应用研究”，系统地研究了不同频率下磁场对改善骨密度特性的研究，发现在不同频率、强度和作用时间下低频脉冲电磁场对影响成骨样细胞生长的窗口效应，并总结归纳出刺激成骨样细胞生长的最佳参数组合；在此基础上研制开发出用于基于脉冲电磁场原理的骨