高電壓工程的進(jìn)展及新技術(shù)應(yīng)用全解

高電壓工程的進(jìn)展及新技術(shù)應(yīng)用河南理工高校孫巖洲2005年10月一.前言二.提高輸電電壓等級的必要性三.我國電力工業(yè)及高壓輸電發(fā)展的前景四.高電壓技術(shù)在多領(lǐng)域中的新應(yīng)用電氣工程學(xué)科是工程類的大基礎(chǔ)學(xué)科，是工科院校較為古老的學(xué)科，也是當(dāng)今世界各種高新技術(shù)的母學(xué)科：(至今國外很多高校的以下學(xué)科仍和在電氣學(xué)科相互聯(lián)系）

----電子工程;計算機(jī)工程;自動化與儀表技術(shù);

----等離子體技術(shù);激光技術(shù)等現(xiàn)代高科技。

我國目前還按老學(xué)科方向設(shè)置探討生教化的二級學(xué)科：

----電力系統(tǒng)及其自動化(PowerSystemanditsAutomation)，

----電機(jī)與電器(ElectricalMachinesandApparatus)，

----高電壓技術(shù)與絕緣(HighVoltageTech.andInsulations)，

----電力電子與電氣傳動

(PowerElectronicsandElectricDrives)，

----電工理論及電工新技術(shù)

(TheoriesandNewTech.ofElectricEngineering)電氣工程本科專業(yè)的歷史沿革

1993年1998年（基本）1998年（引導(dǎo)）電機(jī)電器及其限制（20）電力系統(tǒng)及其自動化（37）高電壓與絕緣技術(shù)（6）電氣技術(shù)（55）工業(yè)自動化（157）（以上為電工類）自動限制(40)電子工程（69）計算機(jī)及應(yīng)用（190）通信工程（57）（以上為電子與信息類）電氣工程及自動化(197)電子信息工程(242)通信工程(153)電子科學(xué)與技術(shù)(77)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(415)生物醫(yī)學(xué)工程(42)電氣工程信息工程其自動化與自動化（14）（149）(23)一.前言

1.高電壓技術(shù)的起源

20世紀(jì)初美國工程師(F.W.Peek)探討解決110kV輸電線路電暈后，于1915年出版“高電壓工程中的電介質(zhì)”的專著，首次提出“高電壓工程”(HighVoltageEngineering)這一術(shù)語。這一術(shù)語在西方發(fā)達(dá)國家沿用至今，說明高電壓技術(shù)與輸電工程關(guān)系之親密。2.高電壓技術(shù)的探討內(nèi)容Peek的書名指出了高電壓技術(shù)的核心內(nèi)容，只是應(yīng)修正為“高場強下的電介質(zhì)現(xiàn)象”，因為絕緣介質(zhì)的放電主要取決于場強而不是電壓。(微電子及納米技術(shù)也須要高壓絕緣的學(xué)問)廣義范圍上，1000V(1kV)以上稱為高壓。中壓：1kV~35kV;高壓：110kV~220kV;超高壓:330kV~750kV;特高壓:1000kV及以上高電壓技術(shù)的基本內(nèi)容是探討：－絕緣結(jié)構(gòu)與特性－過電壓及其防護(hù)－高電壓測試技術(shù)ε,γ,,Eb

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3.高電壓技術(shù)的特點:實踐性強Peek解決輸電線路電暈問題完全接受試驗探討方法計算線路電暈起始場強和電暈損耗的著名的Peek公式是閱歷公式，迄今仍被電力設(shè)計部門接受迄今高壓電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計最終仍要靠試驗方法確定4.歷史上關(guān)于高電壓技術(shù)人才需求的探討探討的背景：20世紀(jì)80年頭西方發(fā)達(dá)國家主修強電的學(xué)生人數(shù)銳減1983年在美國電力會議上列為專題進(jìn)行探討1986年在美國IEEE的PES冬季會議上其次次探討1993年在日本橫濱召開的第8屆國際高電壓會議上專題探討會議的結(jié)論：須要培育強電及高電壓技術(shù)人才5.電力工業(yè)的全球復(fù)蘇2001年初，美國和巴西嚴(yán)峻缺電，對電力工業(yè)敲響了警鐘2003年8月14日，美國6個州和加拿大2個省大面積長時間停電，損失嚴(yán)峻2003年8月24日，英國倫敦和英格蘭東南部停電2小時2003年9月23日，瑞典和丹麥發(fā)生大面積停電事故2003年9月28日，意大利大部分地區(qū)同時停電，8小時后，羅馬地區(qū)才復(fù)原停電目前世界各國已起先重新關(guān)注電力系統(tǒng)的發(fā)展6.高電壓技術(shù)專業(yè)仍會不斷發(fā)展以德國為例,共有十所學(xué)校設(shè)置高電壓技術(shù)專業(yè)(亞琛、柏林、布倫瑞克、達(dá)姆施塔特、德累斯頓、漢諾威、伊爾曼諾、卡爾斯魯厄、慕尼黑、斯圖加特）國際高電壓工程學(xué)術(shù)會議(InternationalSymposiumonHighVoltageEngineering，簡稱ISH)從1972年以來，已舉辦了13屆，第14屆ISH于2005年8月在北京清華高校召開近10年來，我國出版的高電壓技術(shù)教科書有十余種之多；高壓專業(yè)畢業(yè)生始終供不應(yīng)求二.提高輸電電壓等級的必要性

1.輸電線路傳輸容量的制約因素(1)線損與發(fā)熱電流超過導(dǎo)線最大允許載流量時,導(dǎo)線溫度過高會引發(fā)事故(2003年8月14日美國與加拿大的大停電,就是因為俄亥俄州一條線路過載而使弧垂增大以致觸及樹枝而引發(fā)的)(2)線路電壓降電流較大造成電壓偏差過大,不能保證電能質(zhì)量(3)電力系統(tǒng)穩(wěn)定:Pmax=U2/X

對遠(yuǎn)距離輸電而言,穩(wěn)定是最主要的制約因素2.全球溝通輸電電壓等級發(fā)展的狀況3.國外750kV輸電的發(fā)展?fàn)顩r4.國外在特高壓輸電方面的探討1985年蘇聯(lián)建成1150kV線路,有5年運行閱歷。蘇聯(lián)解體后,輸電容量大幅削減,目前降壓為500kV運行。日本在20世紀(jì)90年頭建成三條距離不長的1000kV線路(不超過240km),主要目的是可壓縮線路走廊以節(jié)約土地資源,因與之配套的大型核電機(jī)組推遲投產(chǎn),目前降壓為500kV運行,支配2015年前后升壓至1000kV。美國在20世紀(jì)70年頭建成兩條試驗線段:一為1500kV;另一為1200kV.由于其后國情變更,暫不發(fā)展遠(yuǎn)距離輸電而終止探討.5.我國輸電電壓等級發(fā)展滯后220kV線路于1943年投運330kV線路于1974年投運500kV線路于1981年投運三峽水電站裝機(jī)18.2GW(1820萬kW),輸電電壓:AC500kV;DC±500kV巴西伊泰普水電站12.6GW(已經(jīng)運行20余年),輸電電壓:AC765kV;DC±600kV三.我國電力及高壓輸電發(fā)展的前景

1.我國發(fā)電裝機(jī)容量增長的狀況我國發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量及發(fā)電量預(yù)料年份裝機(jī)容量（億千瓦）發(fā)電量（萬億度）20033.720054.42201062.720209.64.22.人均裝機(jī)容量的差距2004年我國人均裝機(jī)容量僅0.34kW約為經(jīng)濟(jì)合作與開發(fā)組織(OECD)成員國平均值的1/5約為美國的1/102020年我國裝機(jī)容量將達(dá)900~960GW,那時人均裝機(jī)容量仍低于世界平均水平3.我國溝通輸電線路的一般輸送容量及輸電距離西北330kV電網(wǎng)已飽和，我國第一條750kV工程將在西北興建（青海官亭－蘭州東），2005年建成投運。我國“西電東輸”的三大通道:北線通道：聯(lián)結(jié)西北、華北、山東等電網(wǎng)，將三西（山西、陜西、內(nèi)蒙西部、青海）的煤電基地和黃河上游水電送往京津唐負(fù)荷中心。中線通道：以三峽為中心，實現(xiàn)川渝、華中、福建電網(wǎng)聯(lián)接，沿長江而下，把長江流域水電送往華中，華東以及廣東。西線通道：聯(lián)結(jié)云、貴、桂及廣東、港澳。把云、貴、桂的水電（貴川火電為補充）向廣東及港澳負(fù)荷中心送電。4.我國目前發(fā)電能源結(jié)構(gòu)狀況各國發(fā)電的能源結(jié)構(gòu)差別很大,我國以燃煤火力發(fā)電為主,其次是水力發(fā)電,其他能源的比例很小(而法國核電占80%,丹麥風(fēng)電占20%)我國2004年各類發(fā)電廠裝機(jī)容量見下表到2020年,預(yù)料我國核電裝機(jī)容量將上升至3.87%,風(fēng)電上升至2.15%,但那時火電和水電的裝機(jī)容量仍占93.92%我國臺灣地區(qū)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)狀況截止到2002年底，我國臺灣地區(qū)電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為3191.5萬千瓦其中火力發(fā)電廠有31座，裝機(jī)容量為2225.8萬千瓦，占臺灣電力總裝機(jī)容量的69.7%水利發(fā)電廠有41座，裝機(jī)容量為451.1萬千瓦，占臺灣總裝機(jī)容量的14.2%核能發(fā)電廠有3座，裝機(jī)容量為514.4萬千瓦，占臺灣總裝機(jī)容量的16.1%(核四風(fēng)波)5.發(fā)展中的分布式發(fā)電的優(yōu)點投資少,建設(shè)快(不須要高壓輸電系統(tǒng),使得基礎(chǔ)設(shè)施投資削減)運行費用低(輸電損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)電力系統(tǒng))供電牢靠－美國近12年來發(fā)生過41起因風(fēng)暴等自然災(zāi)難引起的高壓線路及鐵塔的嚴(yán)峻破壞，損失達(dá)1800億美元－太陽黑子引起的磁暴使得地球磁場變更，因此南北走向的長輸電線路可能發(fā)生嚴(yán)峻事故－戰(zhàn)時的高壓輸電線路是影響供電牢靠性的一個薄弱環(huán)節(jié)6.分布式發(fā)電不行能取代遠(yuǎn)距離大容量輸電風(fēng)力發(fā)電:是新的可再生能源發(fā)電技術(shù)中最成熟的,單機(jī)容量已從數(shù)百kW發(fā)展到MW級,但目前最大的單機(jī)容量也僅5MW(火力發(fā)電的超超臨界機(jī)組的最大單機(jī)容量為1.3GW)燃料電池:已商品化的單個裝置容量為200kW(磷酸型),正在探討開發(fā)的熔融碳酸鹽型和固體氧化物型可達(dá)到數(shù)MW及更大的容量,其普及應(yīng)用至少還須要5~10年太陽能光伏發(fā)電:成本還比較高,目前最大的太陽能社區(qū)僅1MW潮汐發(fā)電;地?zé)崮馨l(fā)電7.水電資源的開發(fā)潛力很大位于金沙江的溪洛渡水電站的設(shè)計裝機(jī)容量為12.6GW同在金沙江,距離溪洛渡水電站不遠(yuǎn)的向家壩水電站,設(shè)計裝機(jī)容量為6GW西藏的雅魯藏布江水域也大有開發(fā)潛力8.京都議定書對今后火力發(fā)電的影響2005年2月16日,《京都議定書》正式生效我國是世界上其次大CO2排放國,溫室氣體排放量占發(fā)展中國家排放總量的50%,是全球排放總量的15%我國目前煤炭的45%用于發(fā)電,美國是87%以上。今后要加大煤炭用于發(fā)電的比例,因為治理集中的污染源遠(yuǎn)比治理低效的分散污染源更為經(jīng)濟(jì)和易于實現(xiàn)出路:發(fā)展干凈煤燃燒技術(shù)9.干凈煤發(fā)電技術(shù)配備煙氣脫硫和脫硝的超臨界和超超臨界發(fā)電機(jī)組接受循環(huán)流化床鍋爐接受增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)接受整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)10.超臨界和超超臨界發(fā)電:技術(shù)最為成熟和易行四.高電壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

1.脈沖功率技術(shù)(PulsedPowerTechno-

logy,簡稱PPT)探討高電壓、強電流、大功率脈沖的產(chǎn)生、傳輸和應(yīng)用的技術(shù),過去主要用于軍事工業(yè),目前在民用工業(yè)中也廣泛接受從20世紀(jì)70年頭起,得到快速發(fā)展,第一屆IEEE脈沖功率技術(shù)國際會議于1976年在美國召開,現(xiàn)已成為一個大型的國際系列會議PPT中與高電壓技術(shù)有關(guān)的工作:Marx發(fā)生器;放電開關(guān);高電壓及強電流脈沖的測量電磁軌道炮電磁炮是用電能或以電能為主要能源將彈丸加速到極高速度的電磁放射裝置，是新概念兵器之一，在攔截導(dǎo)彈、防空及穿甲等方面的優(yōu)勢遠(yuǎn)高于目前以化學(xué)能驅(qū)動的兵器。走向?qū)崙?zhàn)的難點是脈沖電源及其限制開關(guān)。電磁放射電源屬大功率脈沖源，工作電流峰值在幾萬甚至幾十萬安培，工作時間幾微秒，對開關(guān)的要求極苛刻。預(yù)料在二十一世紀(jì)初將達(dá)到實戰(zhàn)水平。美國的電磁軌道炮華中科技高校的模型2.電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,簡稱EMC)EMC包括兩個方面的含義，即設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁放射，不致影響其它設(shè)備或系統(tǒng)的功能；而本設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾實力，又足以使本設(shè)備或系統(tǒng)的功能不受其它干擾的影響。EMC在諸多領(lǐng)域均有要求,如:電氣工程、電子工程、計算機(jī)工程、信息與通信、鐵路交通等(我國第一屆EMC學(xué)術(shù)會議于1984年由中國通信學(xué)會、中國電子學(xué)會、中國電機(jī)工程學(xué)會、中國鐵道學(xué)會共同主辦)歐盟體對EMC的要求是以法律形式加以規(guī)定的高電壓工作者熟悉消退電磁干擾的措施,即屏蔽、接地、濾波等不少高校將EMC的內(nèi)容并入高電壓技術(shù)專業(yè)(德國的斯圖加特高校與卡爾斯魯厄高校,荷蘭的埃因霍恩高校等)3.靜電技術(shù)靜電是一個特地的技術(shù)領(lǐng)域(國際上有靜電雜志,日本有靜電學(xué)會),不管是靜電的應(yīng)用還是靜電災(zāi)難的防治,都是高電壓工作者特別熟悉的用皮帶傳送電荷的高壓靜電發(fā)生器是20世紀(jì)30年頭初美國麻省理工學(xué)院的VandeGraff教授開發(fā)出來的靜電除塵、靜電噴涂、靜電植絨等都是靜電應(yīng)用的例子解決高壓輸電線路下靜電感應(yīng)問題則屬于靜電災(zāi)難的防治4.氣體放電的應(yīng)用在新疆和青海的交界處，有一處山谷，每當(dāng)牧民和牲畜進(jìn)入后，風(fēng)和日麗的晴天頃刻電閃雷鳴，人、畜遭雷擊而傾畢，驚異的是這里牧草茂密、四季常青，被當(dāng)?shù)厝朔Q為魔鬼谷。最近地質(zhì)工作者揭開了謎底:該地質(zhì)表層處有一巨大磁鐵礦,當(dāng)人畜進(jìn)入后形成尖端放電。簡潔的化學(xué)反應(yīng)可說明牧草茂密的緣由。N2+O2==2NO2NO+O2==2NO2然后形成了硝酸鹽,成為植物須要的氮肥美國學(xué)者米勒及其試驗

1953年米勒工作照氣體放電當(dāng)前的應(yīng)用脈沖電暈放電用于煙氣的脫硫脫硝介質(zhì)阻擋放電用于臭氧產(chǎn)生、材料表面改性及醫(yī)療衛(wèi)生滅菌液體介質(zhì)中沖擊大電流放電產(chǎn)生的液電效應(yīng)用于油井解堵及巖石粉碎人體碎石(上海交通高校,腎結(jié)石體外粉碎機(jī))細(xì)菌正常時電鏡照片(5000倍)放電處理后的電鏡照片(5000