高電壓技術(shù)在環(huán)保及生物領(lǐng)域中的應(yīng)用

精品文檔高電壓技術(shù)在環(huán)保及生物領(lǐng)域中的應(yīng)用工程上把 1000伏及以上的交流供電電壓稱為高電壓。高電壓技術(shù)所涉及的高電壓類型有直流電壓、工頻交流電壓和持續(xù)時間為毫秒級的操作過電壓、微秒級的雷電過電壓、納秒級的核致電磁脈沖(NEMP)等。 20世紀以來，隨著電能應(yīng)用的日益廣泛，電力系統(tǒng)所覆蓋的范圍越來越大,傳輸?shù)碾娔芤苍絹碓蕉?這就要求電力系統(tǒng)的輸電電壓等級不斷提高。就世界范圍而言，輸電線路經(jīng)歷了 110、150、230千伏的高壓，287、400、500、735765千伏的超高壓和 1150千伏的特高壓（工業(yè)試驗線路）的發(fā)展。直流輸電也經(jīng)歷了100、250、400、450、500以及750千伏的發(fā)展。這幾個階段都與高電壓技術(shù)解決了輸電線路的電暈現(xiàn)象、過電壓的防護和限制以及靜電場、電磁場對環(huán)境的影響等問題密切相關(guān)。這一發(fā)展過程以及物理學(xué)中各種高電壓裝置的研制又促進了高電壓技術(shù)的進步。60年代以來，為了適應(yīng)大城市電力負荷日益增長的需要，以及克服城市架空輸電線路走廊用地的困難，地下高壓電纜輸電發(fā)展迅速（由220、275 、345千伏發(fā)展到70年代的400、500千伏電纜線路）；同時，為減少變電所占地面積和保護城市環(huán)境,全封閉氣體絕緣組合電器(GIS)得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些都提出許多高電壓技術(shù)的新問題。研究電力系統(tǒng)中各種過電壓，以便合理確定其絕緣水平是高電壓技術(shù)的重要內(nèi)容。電力系統(tǒng)的過電壓包括雷電過電壓（又稱大氣過電壓、外部過電壓）和內(nèi)部過電壓。其中雷電過電壓由雷云直接或間接對變電所或輸電線路 (避雷線、桿塔或?qū)Ь€)放電造成。一般雷電過電壓幅值較高,超過系統(tǒng)的 額定工作電壓,但作用時間較短,波頭時間大多數(shù)為1.52微秒，平均波長時間為30微秒，大于50微秒的很少。雷擊除了會威脅輸電線路和電工設(shè)備的絕緣外，還會危害高建筑物、通信線路、天線、飛機、船舶、油庫等設(shè)備的安全。因此，這些方面的防雷也屬于高電壓技術(shù)的研究對象。 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓是因正常操作或故障等原因使電磁狀態(tài)發(fā)生變化，引起電磁能量振蕩而產(chǎn)生的。其中衰減較快、持續(xù)時間較短的稱為操作過電壓；無阻尼或弱阻尼、持續(xù)時間長的稱為暫態(tài)過電壓。對110220千伏電力系統(tǒng)，內(nèi)部過電壓水平一般取 3倍最大工作電壓；對330500千伏電力系統(tǒng)，需要采取一些限制措施，取22.5倍。對特高壓電力系統(tǒng)，進一步限制內(nèi)部過電壓具有巨大的經(jīng)濟價值，從前景來看限制到1.51.8倍最大工作電壓是完全可能的。 60年代后期以來，高電壓技術(shù)在電工以外的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；同時，也不斷采用新技術(shù)以發(fā)展自身。前者主要指高電壓技術(shù)在粒子加速器、大功率脈沖發(fā)生器、受控?zé)岷朔磻?yīng)研究、航空與航天領(lǐng)域的雷電和靜電控制與防護、磁流體發(fā)電、激光技術(shù)、等離子體切割、電水錘進行海底探油、沖擊加工成型、人體內(nèi)結(jié)石的破碎，以及靜電除塵、靜電除菌、靜電噴涂、靜電復(fù)印等方面的應(yīng)用。高電壓領(lǐng)域中采用的新技術(shù)則包括利用電子計算機計算電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和變電所的波過程；采用激光技術(shù)進行高電壓下大電流的測量；采用光纖技術(shù)進行高電壓的傳遞和測量；采用信息技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理等。這一切構(gòu)成了高電壓技術(shù)近年來發(fā)展的一個重要方面。 另一方面，高電壓技術(shù)對于進一步發(fā)展超高壓、特高壓輸電繼續(xù)起著重要的推動作用。一些國家正在沿著傳統(tǒng)的“外沿發(fā)展模式”，繼續(xù)開展更高一級電壓，例如15001800千伏特高壓輸電的科研工作。而美國和蘇聯(lián)的一些學(xué)者，則另辟蹊徑，利用電力電子技術(shù)的新成就，對現(xiàn)有的超高壓電網(wǎng)研究技術(shù)改造、擴大傳輸容量的技術(shù)。例如，蘇聯(lián)一些學(xué)者，研究利用靜止補償裝置，對500千伏輸電系統(tǒng)進行全補償。這種輸電系統(tǒng),只存在回路電阻而無感抗，因而已不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，傳輸容量只決定于電阻值和導(dǎo)線載流能力,因而改造后的500千伏輸電系統(tǒng), 其輸電能力可達到百萬伏級特高壓輸電系統(tǒng)的水平。這種“內(nèi)涵發(fā)展模式”正在引起科學(xué)界的廣泛重視。與此相似，美國也正在研究利用靜止補償裝置，對存在嚴重電磁兼容性問題的超高壓輸電線段施行局部的分段補償，以解決過去要對全系統(tǒng)進行改造的問題。高電壓技術(shù)在環(huán)保及生物領(lǐng)域中的應(yīng)用1）建立了高電壓環(huán)保技術(shù)研究新方向，研究采用高電壓技術(shù)進行廢水和廢氣處理、空氣過濾等。其中高電壓污水處理深圳的研究得到了深圳市科技項目支持，研究已通過了工業(yè)化中試。在新一代納米二氧化鈦等離子體放電催化臭氧發(fā)生器方面，發(fā)生器采用特殊技術(shù)，將納米二氧化鈦負載于傳統(tǒng)的微放電型臭氧發(fā)生器的介質(zhì)上，納米二氧化鈦在強電場和等離子體放電的催化作用下，可以產(chǎn)生大量的羥基自由基。又由于二氧化鈦的介電系數(shù)遠大于玻璃、陶瓷等介質(zhì)，因而在玻璃、陶瓷等介質(zhì)上負載納米二氧化鈦后，臭氧發(fā)生器的電容將有所增大，在同樣條件下臭氧的產(chǎn)量將提高。實際上，納米二氧化鈦等離子體放電催化臭氧發(fā)生器是一種高效的臭氧與羥基自由基聯(lián)合發(fā)生器，是新一代新型臭氧發(fā)生器，具有產(chǎn)量高，殺菌效果好的特點。在等離子體放電催化室內(nèi)空氣凈化技術(shù)研究方面，研究的等離子體放電催化空氣凈化器具有創(chuàng)新性和新穎性：等離子體放電本身能產(chǎn)生紫外光，催化納米材料產(chǎn)生電子空穴對，空穴與水分子反應(yīng)生成羥基自由基，依靠羥基自由基的強氧化性降解VOCs和滅菌消毒；且等離子體放電不僅產(chǎn)生紫外光，還能產(chǎn)生高能粒子。實踐證明，高能粒子也能催化納米材料。因而在等離子體放電催化空氣凈化中，不僅等離子體本身凈化了空氣，而且等離子體放電產(chǎn)生的紫外光和高能粒子共同催化納米材料進一步對空氣凈化，或者說等離子體放電催化空氣技術(shù)是將當前兩個最具活力的等離子體空氣凈化技術(shù)和光催化空氣凈化技術(shù)巧妙結(jié)合的新型空氣凈化技術(shù)，因而其凈化效率顯然要高于單獨的等離子體或單獨的光催化。2) 形成了高電壓材料及生物處理技術(shù)研究方向，主要應(yīng)用高壓放電技術(shù)處理材料和生物(如果蔬、糧食等)，以及生物殺菌等（注：電場的果蔬汁處理的課題即將得到國家十一五支撐計劃的資助）。開展了高壓電場編制納米纖維的研究，這一領(lǐng)域的研究申請到了國家自然科學(xué)基金和深圳市科技項目，初步的研究成果被國際雜志（IEEE Trans on DEI）錄用。在糧食處理方面，得到了國家自然科學(xué)基金和留學(xué)回國基金的資助，初步取得了大氣壓條件下等離子體的激發(fā)，在生物殺菌方面也取得了初步的成果。成果已應(yīng)邀在該領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)會議上作了口頭報告。3) 高電壓技術(shù)的生物應(yīng)用技術(shù)繼續(xù)得到發(fā)展。深入研究低頻脈沖電磁場的生物效應(yīng)方面，承擔了深圳市科技項目1項和清華大學(xué)985課題“電磁場對骨細胞與骨化作用的影響及在骨質(zhì)疏松癥臨床治療中的應(yīng)用研究”，系統(tǒng)地研究了不同頻率下磁場對改善骨密度特性的研究，發(fā)現(xiàn)在不同頻率、強度和作用時間下低頻脈沖電磁場對影響成骨樣細胞生長的窗口效應(yīng)，并總結(jié)歸納出刺激成骨樣細胞生長的最佳參數(shù)組合；在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)出用于基于脈沖電磁場原理的骨