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1、高电压工程的进展及新技术应用,河南理工大学孙岩洲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：(至今国外很多大学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研究生教育的二级学科：-电力系统及其自动化 (Power System and its Automation)，-电机与电器 (Electrical Machi
2、nes and Apparatus)，-高电压技术与绝缘 (High Voltage Tech. and Insulations)，-电力电子与电气传动 (Power Electronics and Electric Drives)，-电工理论及电工新技术 (Theories and New Tech. of Electric Engineering),电气工程本科专业的历史沿革,1993年 1998年（基本） 1998年（引导）,电机电器及其控制（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）,自动控制(40),电子工程（
3、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)研究解决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”(High Voltage Engineering)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
4、密切。,2.高电压技术的研究内容,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需要高压绝缘的知识)广义范围上，1000V(1kV)以上称为高压。 中压：1kV35kV; 高压：110kV220kV; 超高压: 330kV750kV; 特高压: 1000kV及以上高电压技术的基本内容是研究： 绝缘结构与特性 过电压及其防护 高电压测试技术, Eb, Eb, Eb,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采用实验研究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
5、经验公式，迄今仍被电力设计部门采用迄今高压电气设备的绝缘设计最终仍要靠实验方法确定,4. 历史上关于高电压技术人才需求的讨论,讨论的背景：20世纪80年代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讨论1986年在美国IEEE的PES冬季会议上第二次讨论1993年在日本横滨召开的第8届国际高电压会议上专题讨论会议的结论：需要培养强电及高电压技术人才,5. 电力工业的全球复苏,2001年初，美国和巴西严重缺电，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，损失严重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
6、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，罗马地区才恢复停电目前世界各国已开始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(International Symposium on High Voltage Engineering， 简称ISH)从1972年以来，已举办了13届，第14届ISH于2005年8月在北京清华大学召开近10年来，我国出版的高电压技术教科书有十余种之多
7、；高压专业毕业生一直供不应求,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.全球交流输电电压等级发展的情况,3. 国外750kV输电的发展情况,4. 国外在特高压输电方面的研究,1985年苏联建成1150kV线路,有5年运行经验。苏联解体后, 输电
8、容量大幅减少, 目前降压为500kV运行。日本在20世纪90年代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省土地资源, 因与之配套的大型核电机组推迟投产,目前降压为500kV运行, 计划2015年前后升压至1000kV。美国在20世纪70年代建成两条试验线段: 一为1500kV; 另一为1200kV. 由于其后国情变化,暂不发展远距离输电而终止研究.,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; D
9、C500kV 巴西伊泰普水电站12.6GW(已经运行20余年), 输电电压: AC765kV; DC600kV,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情况,我国发电机装机容量及发电量预测,2. 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900960GW, 那时人均装机容量仍低于世界平均水平,3. 我国交流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
10、”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情况,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, 预计我国核电装机容量将上升至3.87%,
11、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情况,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(不需要高压输电系统, 使得基础设施投资减少)运行费用低(输电损耗远低于常规电力系统)供电可靠 美国近12年来发生过41起因风暴等
12、自然灾害引起的高压线路及铁塔的严重破坏，损失达1800亿美元 太阳黑子引起的磁暴使得地球磁场变化，因此南北走向的长输电线路可能发生严重事故 战时的高压输电线路是影响供电可靠性的一个薄弱环节,6. 分布式发电不可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), 正在研究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, 其普及应用至少还需要510年太阳能光伏发电: 成本还比较高, 目前最大的
13、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第二大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: 发展洁净煤燃烧技术,9. 洁净煤发
14、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采用循环流化床锅炉采用增压流化床联合循环发电技术采用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(Pulsed Power Techno- logy, 简称PPT),研究高电压、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采用从20世纪70年代起, 得到迅速发展, 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
15、; 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发射装置，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控制开关。电磁发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。预计在二十一世纪初将达到实战水平。,美国的电磁轨道炮,华中科技大学的模型,2. 电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, 简称EMC),EMC包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发射，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
16、能力，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除电磁干扰的措施, 即屏蔽、接地、滤波等不少大学将EMC的内容并入高电压技术专业(德国的斯图加特大学与卡尔斯鲁厄大学, 荷兰的埃因霍恩大学等),3. 静电技术,静电是一个专门的技术领域(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害的防治, 都是高电压工作者十分熟悉的用皮
17、带传送电荷的高压静电发生器是20世纪30年代初美国麻省理工学院的Vande Graff 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害的防治,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，奇怪的是这里牧草茂盛、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。简单的化学反应可解释牧草茂盛的原因。,2NO+O2=2NO2然后形成了硝酸盐,成为植物需要的氮肥,美国学者米勒及其实验,气体放电当前的应用,
18、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(上海交通大学,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倍),照片对比显示，经放电处理后，枯草杆菌芽孢经介质阻挡放电作用后，形状呈不规则状，表面出现明显缺损。,放电处理前材料表面的电镜照片,放电处理后材料表面的电镜照片,从图中可以看出，未处理的材料表面光滑，等离子体处理使材料表面受到刻蚀，表面粗糙度增加。,5. 脉冲电场的应用,在食品工业用于牛奶和饮料的灭菌(场强为15kV/cm 30kV/cm), 效果优于高温灭菌和放电灭菌灭菌原理是使细菌的细胞膜感生较大的电位差, 发生不可恢复的击穿生物工程中可用于克隆技术(场强为1kV/cm8kV/cm), 此时细胞膜击穿产生的小孔, 在注入含克隆的基因DNA后, 会在电场消失后自愈,结语,
