高电压工程的进展及新技术应用全解

高电压工程的进展及新技术应用河南理工高校孙岩洲2005年10月一.前言二.提高输电电压等级的必要性三.我国电力工业及高压输电发展的前景四.高电压技术在多领域中的新应用电气工程学科是工程类的大基础学科，是工科院校较为古老的学科，也是当今世界各种高新技术的母学科：(至今国外很多高校的以下学科仍和在电气学科相互联系）

----电子工程;计算机工程;自动化与仪表技术;

----等离子体技术;激光技术等现代高科技。

我国目前还按老学科方向设置探讨生教化的二级学科：

----电力系统及其自动化(PowerSystemanditsAutomation)，

----电机与电器(ElectricalMachinesandApparatus)，

----高电压技术与绝缘(HighVoltageTech.andInsulations)，

----电力电子与电气传动

(PowerElectronicsandElectricDrives)，

----电工理论及电工新技术

(TheoriesandNewTech.ofElectricEngineering)电气工程本科专业的历史沿革

1993年1998年（基本）1998年（引导）电机电器及其限制（20）电力系统及其自动化（37）高电压与绝缘技术（6）电气技术（55）工业自动化（157）（以上为电工类）自动限制(40)电子工程（69）计算机及应用（190）通信工程（57）（以上为电子与信息类）电气工程及自动化(197)电子信息工程(242)通信工程(153)电子科学与技术(77)计算机科学与技术(415)生物医学工程(42)电气工程信息工程其自动化与自动化（14）（149）(23)一.前言

1.高电压技术的起源

20世纪初美国工程师(F.W.Peek)探讨解决110kV输电线路电晕后，于1915年出版“高电压工程中的电介质”的专著，首次提出“高电压工程”(HighVoltageEngineering)这一术语。这一术语在西方发达国家沿用至今，说明高电压技术与输电工程关系之亲密。2.高电压技术的探讨内容Peek的书名指出了高电压技术的核心内容，只是应修正为“高场强下的电介质现象”，因为绝缘介质的放电主要取决于场强而不是电压。(微电子及纳米技术也须要高压绝缘的学问)广义范围上，1000V(1kV)以上称为高压。中压：1kV~35kV;高压：110kV~220kV;超高压:330kV~750kV;特高压:1000kV及以上高电压技术的基本内容是探讨：－绝缘结构与特性－过电压及其防护－高电压测试技术ε,γ,,Eb

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3.高电压技术的特点:实践性强Peek解决输电线路电晕问题完全接受试验探讨方法计算线路电晕起始场强和电晕损耗的著名的Peek公式是阅历公式，迄今仍被电力设计部门接受迄今高压电气设备的绝缘设计最终仍要靠试验方法确定4.历史上关于高电压技术人才需求的探讨探讨的背景：20世纪80年头西方发达国家主修强电的学生人数锐减1983年在美国电力会议上列为专题进行探讨1986年在美国IEEE的PES冬季会议上其次次探讨1993年在日本横滨召开的第8届国际高电压会议上专题探讨会议的结论：须要培育强电及高电压技术人才5.电力工业的全球复苏2001年初，美国和巴西严峻缺电，对电力工业敲响了警钟2003年8月14日，美国6个州和加拿大2个省大面积长时间停电，损失严峻2003年8月24日，英国伦敦和英格兰东南部停电2小时2003年9月23日，瑞典和丹麦发生大面积停电事故2003年9月28日，意大利大部分地区同时停电，8小时后，罗马地区才复原停电目前世界各国已起先重新关注电力系统的发展6.高电压技术专业仍会不断发展以德国为例,共有十所学校设置高电压技术专业(亚琛、柏林、布伦瑞克、达姆施塔特、德累斯顿、汉诺威、伊尔曼诺、卡尔斯鲁厄、慕尼黑、斯图加特）国际高电压工程学术会议(InternationalSymposiumonHighVoltageEngineering，简称ISH)从1972年以来，已举办了13届，第14届ISH于2005年8月在北京清华高校召开近10年来，我国出版的高电压技术教科书有十余种之多；高压专业毕业生始终供不应求二.提高输电电压等级的必要性

1.输电线路传输容量的制约因素(1)线损与发热电流超过导线最大允许载流量时,导线温度过高会引发事故(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)(2)线路电压降电流较大造成电压偏差过大,不能保证电能质量(3)电力系统稳定:Pmax=U2/X

对远距离输电而言,稳定是最主要的制约因素2.全球沟通输电电压等级发展的状况3.国外750kV输电的发展状况4.国外在特高压输电方面的探讨1985年苏联建成1150kV线路,有5年运行阅历。苏联解体后,输电容量大幅削减,目前降压为500kV运行。日本在20世纪90年头建成三条距离不长的1000kV线路(不超过240km),主要目的是可压缩线路走廊以节约土地资源,因与之配套的大型核电机组推迟投产,目前降压为500kV运行,支配2015年前后升压至1000kV。美国在20世纪70年头建成两条试验线段:一为1500kV;另一为1200kV.由于其后国情变更,暂不发展远距离输电而终止探讨.5.我国输电电压等级发展滞后220kV线路于1943年投运330kV线路于1974年投运500kV线路于1981年投运三峡水电站装机18.2GW(1820万kW),输电电压:AC500kV;DC±500kV巴西伊泰普水电站12.6GW(已经运行20余年),输电电压:AC765kV;DC±600kV三.我国电力及高压输电发展的前景

1.我国发电装机容量增长的状况我国发电机装机容量及发电量预料年份装机容量（亿千瓦）发电量（万亿度）20033.720054.42201062.720209.64.22.人均装机容量的差距2004年我国人均装机容量仅0.34kW约为经济合作与开发组织(OECD)成员国平均值的1/5约为美国的1/102020年我国装机容量将达900~960GW,那时人均装机容量仍低于世界平均水平3.我国沟通输电线路的一般输送容量及输电距离西北330kV电网已饱和，我国第一条750kV工程将在西北兴建（青海官亭－兰州东），2005年建成投运。我国“西电东输”的三大通道:北线通道：联结西北、华北、山东等电网，将三西（山西、陕西、内蒙西部、青海）的煤电基地和黄河上游水电送往京津唐负荷中心。中线通道：以三峡为中心，实现川渝、华中、福建电网联接，沿长江而下，把长江流域水电送往华中，华东以及广东。西线通道：联结云、贵、桂及广东、港澳。把云、贵、桂的水电（贵川火电为补充）向广东及港澳负荷中心送电。4.我国目前发电能源结构状况各国发电的能源结构差别很大,我国以燃煤火力发电为主,其次是水力发电,其他能源的比例很小(而法国核电占80%,丹麦风电占20%)我国2004年各类发电厂装机容量见下表到2020年,预料我国核电装机容量将上升至3.87%,风电上升至2.15%,但那时火电和水电的装机容量仍占93.92%我国台湾地区发电能源结构状况截止到2002年底，我国台湾地区电力系统的总装机容量为3191.5万千瓦其中火力发电厂有31座，装机容量为2225.8万千瓦，占台湾电力总装机容量的69.7%水利发电厂有41座，装机容量为451.1万千瓦，占台湾总装机容量的14.2%核能发电厂有3座，装机容量为514.4万千瓦，占台湾总装机容量的16.1%(核四风波)5.发展中的分布式发电的优点投资少,建设快(不须要高压输电系统,使得基础设施投资削减)运行费用低(输电损耗远低于常规电力系统)供电牢靠－美国近12年来发生过41起因风暴等自然灾难引起的高压线路及铁塔的严峻破坏，损失达1800亿美元－太阳黑子引起的磁暴使得地球磁场变更，因此南北走向的长输电线路可能发生严峻事故－战时的高压输电线路是影响供电牢靠性的一个薄弱环节6.分布式发电不行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),正在探讨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,其普及应用至少还须要5~10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潮汐发电;地热能发电7.水电资源的开发潜力很大位于金沙江的溪洛渡水电站的设计装机容量为12.6GW同在金沙江,距离溪洛渡水电站不远的向家坝水电站,设计装机容量为6GW西藏的雅鲁藏布江水域也大有开发潜力8.京都议定书对今后火力发电的影响2005年2月16日,《京都议定书》正式生效我国是世界上其次大CO2排放国,温室气体排放量占发展中国家排放总量的50%,是全球排放总量的15%我国目前煤炭的45%用于发电,美国是87%以上。今后要加大煤炭用于发电的比例,因为治理集中的污染源远比治理低效的分散污染源更为经济和易于实现出路:发展干净煤燃烧技术9.干净煤发电技术配备烟气脱硫和脱硝的超临界和超超临界发电机组接受循环流化床锅炉接受增压流化床联合循环发电技术接受整体煤气化联合循环发电技术10.超临界和超超临界发电:技术最为成熟和易行四.高电压技术在其他领域的应用

1.脉冲功率技术(PulsedPowerTechno-

logy,简称PPT)探讨高电压、强电流、大功率脉冲的产生、传输和应用的技术,过去主要用于军事工业,目前在民用工业中也广泛接受从20世纪70年头起,得到快速发展,第一届IEEE脉冲功率技术国际会议于1976年在美国召开,现已成为一个大型的国际系列会议PPT中与高电压技术有关的工作:Marx发生器;放电开关;高电压及强电流脉冲的测量电磁轨道炮电磁炮是用电能或以电能为主要能源将弹丸加速到极高速度的电磁放射装置，是新概念兵器之一，在拦截导弹、防空及穿甲等方面的优势远高于目前以化学能驱动的兵器。走向实战的难点是脉冲电源及其限制开关。电磁放射电源属大功率脉冲源，工作电流峰值在几万甚至几十万安培，工作时间几微秒，对开关的要求极苛刻。预料在二十一世纪初将达到实战水平。美国的电磁轨道炮华中科技高校的模型2.电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,简称EMC)EMC包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁放射，不致影响其它设备或系统的功能；而本设备或系统的抗干扰实力，又足以使本设备或系统的功能不受其它干扰的影响。EMC在诸多领域均有要求,如:电气工程、电子工程、计算机工程、信息与通信、铁路交通等(我国第一届EMC学术会议于1984年由中国通信学会、中国电子学会、中国电机工程学会、中国铁道学会共同主办)欧盟体对EMC的要求是以法律形式加以规定的高电压工作者熟悉消退电磁干扰的措施,即屏蔽、接地、滤波等不少高校将EMC的内容并入高电压技术专业(德国的斯图加特高校与卡尔斯鲁厄高校,荷兰的埃因霍恩高校等)3.静电技术静电是一个特地的技术领域(国际上有静电杂志,日本有静电学会),不管是静电的应用还是静电灾难的防治,都是高电压工作者特别熟悉的用皮带传送电荷的高压静电发生器是20世纪30年头初美国麻省理工学院的VandeGraff教授开发出来的静电除尘、静电喷涂、静电植绒等都是静电应用的例子解决高压输电线路下静电感应问题则属于静电灾难的防治4.气体放电的应用在新疆和青海的交界处，有一处山谷，每当牧民和牲畜进入后，风和日丽的晴天顷刻电闪雷鸣，人、畜遭雷击而倾毕，惊异的是这里牧草茂密、四季常青，被当地人称为魔鬼谷。最近地质工作者揭开了谜底:该地质表层处有一巨大磁铁矿,当人畜进入后形成尖端放电。简洁的化学反应可说明牧草茂密的缘由。N2+O2==2NO2NO+O2==2NO2然后形成了硝酸盐,成为植物须要的氮肥美国学者米勒及其试验

1953年米勒工作照气体放电当前的应用脉冲电晕放电用于烟气的脱硫脱硝介质阻挡放电用于臭氧产生、材料表面改性及医疗卫生灭菌液体介质中冲击大电流放电产生的液电效应用于油井解堵及岩石粉碎人体碎石(上海交通高校,肾结石体外粉碎机)细菌正常时电镜照片(5000倍)放电处理后的电镜照片(5000