1、高电压工程系: 刘春 Email: 电话：13871018672,第1讲 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,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一盏电灯。1882年，第一家电业公司上海
2、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,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，加拿大建成世界第一条735kV超高压线路。,1.(续）
3、,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500kV电压等级到1150kV电压等级用了20年时间。,1.(
4、续）,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。,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，逐渐形成京津唐110kV输电网。1954年，建成丰满至抚顺李石寨220kV输
5、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）,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3
6、30kV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。1000kV晋东南南阳荆门输电线路工程,2. (续）,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
7、输电工程的要求。,3.高压输电的发展,高压 100kV超高压 1001000kV特高压 1000kV,第二张,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,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、500kV、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。,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
8、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。,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
9、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。,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，经济输电距离可以达到2500km及以上。,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
10、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。,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。,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
11、瓦方案的1.29倍，620kV、380万千瓦方案的1.37倍。,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。,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
12、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。,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220kV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,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
13、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,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,国家电网公司,第二张,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,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
14、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,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,3.过电压防护问题,外过电压 （雷电过电压）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,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,5.电磁环境问题,电磁兼容 更多的
15、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,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5 与其他学科的交叉与渗透性,理工结合的学科内涵,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
16、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,高电压学科的特点,第二张,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用,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）,5.污水处理 利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，
17、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）,7.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,国家自然科学基金重大研究项目,（续）,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
18、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）,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）,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）,激光的产生的必要条件,激光器具有以下三个组成部分(1)激活介质即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也叫激光工作物质。如氖、氩、二氧化
19、碳、红宝石以及钕玻璃等。(2)激励装置即能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，称为激励装置，如各种激光器的电源。(3)光学谐振腔能使光线在其中反复振荡和多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。 激光产生的过程可概括归纳如下： 激励激活介质(工作物质)粒子数反转被激励后的工作物质中偶然发生的自发辐射 其他粒子的受激辐射光放大 光振荡与光放大激光。,高电压技术的应用神光与激光聚变技术（脉冲功率技术）,E = mc2E = mc2,质量亏损变成了能量,著名的爱因斯坦质能关系式,用于激光惯性约束核聚变试验的大型激光器,神光与激光聚变技术,235U,分裂碎片,分裂碎片,能量,裂 变,中子,中子,中子,氦
20、,中子,聚变能最理想的未来能源,神光与激光聚变技术,地球上蕴藏最丰富取之不尽 裂变物质资源有限：铀-235 仅够几十年 铀-238和钍-232 只够几百年 聚变物质资源取之不尽：天然水中含氘(2H)0.003%一公斤海水中含氘相当于300升汽油海水中氘聚变产生的能量可供人类使用100亿年,聚变能最理想的未来能源,神光与激光聚变技术,实现聚变的必要条件,温 度,4千万度,神光与激光聚变技术,激光聚变发电系统概念图,神光与激光聚变技术,激光增强技术,神光与激光聚变技术,激光聚变装置外观,神光与激光聚变技术,神光能源组件,第二张,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
21、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,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Munche
22、n 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 PWRD, 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 Applicati
23、ons International Conference on Plasma Science International Conference on Pulse Power International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,七、研究机构与学术刊物,国内相关刊物,高电压技术高压电器,高压实验室,1 . 输变电设备的状态及绝缘监测预报2. OVT & OCT3. 输变电设备的介质损耗、局部放电测量4. 系统谐振及防止方法5. 电磁兼容问题（“0”在哪里？）6. Lightning的研究、防护方法7. 气体放电理论与应用8. 新绝缘材料研究9. 接地网的优化、地中电流的研究10. 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究11. 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,
