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1、高电压试验新技术,清华大学深圳研究生院关志成2013.9,本课的特点,不同于一般的高电压试验技术课 强调“新”考虑有些同学高电压技术基础薄弱 要介绍有关高电压技术的基础知识紧密结合当今电力系统对高电压技术的新需求紧密结合当前我实验室的科研新方向,本课程的主要内容,1.高电压试验技术基础知识2.围绕电力系统发展的高电压试验技术3.交叉学科领域的高电压试验新技术4.国际发展动向,高电压试验基础知识,1.高压试验基础知识（关志成老师）,围绕电力系统发展的试验新技术,特高压输电紧凑型线路导线舞动导线电晕放电流注发展防覆冰电力系统防雷,围绕电力系统发展的试验新技术,在线监测（泄漏电流）内绝缘监测（电机绝
2、缘、电缆绝缘）,交叉学科的高电压试验技术,1.和环境领域交叉（高压脉冲放电在环保中应用）2.和生命领域交叉（脉冲电场食品冷加工技术）3.和材料领域交叉（电纺丝技术及应用）,国际发展动向,关注几个国际会议ISH 2011年德国，2013年韩国GD 2010年德国，2012年中国，2014法国CEIDP 2012年加拿大，2013年中国，2014美国ACED 2012年马来西亚ICPADM 2012印度CMD 2012印尼，2014韩国,高电压是以试验为主的科学技术,国网电科院高电压实验室,西安高压电器研究院特高压实验室,特高压交流试验基地（武汉）,特高压直流试验基地（北京）,高海拔特高压试验基地
3、（昆明）,高海拔试验研究基地（拉萨）,高电压是以试验为主的科学技术,理论还不完善，大多数问题不能抽象出数学、物理模型进行计算受气象条件、周边环境影响很大，靠经验公式进行修正输变电设备绝缘距离的选取还要靠1：1真型试验变压器等电器设备的绝缘设计也要靠试验确定,杆塔间隙确定,高电压的产生,冲击电压发生器工频试验变压器直流发生器冲击电流发生器振荡回路（合成回路）,冲击电压发生器,冲击电压发生器,冲击电压发生器,冲击电压发生器,冲击电压发生器基本原理,冲击电压发生器基本原理,冲击电压发生器原理图,冲击电压发生器的主要作用,产生雷电波 1.2s/50s产生操作冲击波 250s/2500s 100s/25
4、00s,500s/2500s 长波头衰减振荡波(用工频变压器产生）产生截波,雷电冲击电压标准波形,雷电冲击电压截波波形,工频试验变压器,工频试验变压器,工频试验变压器,工频交流试验变压器,工频试验变压器,工频高电压试验的基本线路,工频试验变压器的主要作用,1.产生工频试验电压2.作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器3.产生“长波前”冲击试验电压 波前时间为1000-5000s,串级高压工频试验变压器,高压串联谐振试验设备,对于具有大静电电容量的试品，如电缆、SF6管道、电容器、大容量发电机等，作工频耐压试验时，需采用串联谐振装置。优点：大大减少试验设备容量,变频串联谐振试验装置,变频串联谐振
5、试验装置,串联谐振试验装置,直流电压发生器,直流电压发生器,直流电压发生器,直流试验装置,高压直流发生器,高压直流发生器原理图,串级直流发生器原理图,串级直流电压发生器原理图,直流电压发生器作用,产生直流高电压对直流电源容量的要求直流污秽试验电源,冲击电流发生器,冲击电流发生器的功用,1.研究雷闪电流对绝缘材料和结构以及防雷装置的热能、或电动力的破坏作用2.在电子、离子加速器、核聚变、微波、大功率放电激光等方面的应用3.水击效应、强磁效应,冲击电流的波形,中国和IEC标准规定了4种标准波形1s/20s4s/10s8s/20s30s/80s,冲击电流发生器的充放电回路,冲击电流发生器的结构,振荡
6、回路、合成回路,振荡回路、合成回路的作用,同时产生高电压、大电流用于断路器、组合电器的断路容量试验 例如：500kV、64kA的断路容量试验 要求试验装置能同时提供满足上述要求的电压和电流。,高电压的测量,特点：参数高（高电压、大电流）分压器、分流器暂态过程（微秒、毫秒过程）暂态记录仪 峰值电压表高速摄像仪紫外成像、红外成像,稳态高电压的测量,测量球隙高压静电电压表交流峰值电压表高压交流分压器及标准电容器高压直流分压器,测量球隙,静电电压表,交流峰值电压表,交流分压器和标准电容器,高压直流分压器,冲击电压的测量,球隙分压器峰值电压表 只测峰值，不测波形分压器示波器（暂态记录仪）可同时测出峰值及
7、波形光电测量系统,高速摄影机、摄像机,紫外测量仪,红外测量仪,高电压试验注意事项,高电压设备的使用操作方法 详细了解设备的使用方法及注意事项数据的正确读取和处理 有效数据的问题 气象数据的记录安全操作规程 详细了解 严格执行,高电压试验的安全问题,1.高电压试验需2个人2.接地杆的作用3.直流试验问题4.历年事故分析,国际发展动向,绝缘材料的研究可替代SF6 气体的研究替代矿物油的植物油新型固体绝缘材料特高压输电技术及高压电器设备极端恶劣气象条件下的绝缘问题在线监测问题放电过程的数字模拟,电力系统防雷,雷电危害,雷电放电过程,雷电放电由带电荷的雷云引起大多数的放电发生在雷云之间不危险少数的放电
8、发生在雷云和大地之间危险对地放电的雷云大多数带负电荷，实测（7590）理解以下几点：1 雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放 被击物体的电位取决于雷电流和被击物体阻抗的乘 积2 从电源性质看，相当于一个电流源的作用过程3 人们能够测知的电量，重要是流过被击物体的电流,雷电参数的统计数据,实测雷电流波头长度1s5s 取2.6s实测雷电流波长20s100s 取50s平均雷电日Td：90 强雷区；40 多雷区；15 少雷区地面落雷密度 r每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数 r0.023Td,避雷线和避雷针,保护原理：引导雷电向避雷针（线）放电，通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，
9、从而使被保护物体免遭雷击保护范围：按保护概率为99.9确定保护角避雷线和外侧导线的连线与垂线之间的夹角保护角越小，对绕击雷的保护效果越好,避雷器,作用原理实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，限制了过电压的发展类型保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器基本要求良好的伏秒特性，实现合理的绝缘配 合 好的绝缘强度自恢复能力，利于快速 切断工频续流，使电力系统得以继续 运行 硅橡胶护套氧化锌线路避雷器已取得良好应用效果,接地和接地电阻,接地装置分为防雷接地、工作接地和保护接地 工作接地：电力系统正常运行方式的需要,如三相系统中性点接地
10、保护接地：为保证人身安全，将高压电器设备的金属外壳接地防雷接地：针对防雷保护的需要，降低雷电流通过时的地电位升高输电线路防雷接地，每一杆塔都应敷设接地装置，并与避雷线牢固连接,评价接地装置的参数：接触电压、跨步电压、接地电阻（阻抗）,输电线路的雷电过电压及防护,直击雷过电压雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压感应雷过电压雷击线路附近大地，由电磁感应在导线上产生的过电压（只对35kV以下线路有危险）直击雷过电压：反击雷击杆塔或避雷线 绕击雷电击中导线衡量线路防雷性能的优劣 耐雷水平线路遭受雷击所能耐受不至于引起闪络的最大雷电流（kA）雷击跳闸率每100km线路每年因雷击引起的线路跳闸次
11、数,雷击导线绕击时的过电压,绕击率：平原线路 山区线路 Pa绕击率；a保护角；h杆塔高度绕击过电压：UA100I绕击耐雷水平UA U50绕击线路的耐雷水平很低 500kV线路27.4kA 220kV12kA 110kV7kA 110kV以上线路要求全线架避雷线,雷击塔顶反击过电压,雷击塔顶造成绝缘子接地端电位比导线高，称反击 还必须考虑工频电压的作用以及触发相位,反击耐雷水平,ha杆塔高度 hc导线高度,反击耐雷水平与导线地线间的耦合系数k，杆塔分流系数，杆塔冲击接地电阻Ri，杆塔等值电感Lt以及绝缘子串的50放电电压U50等因素有关，通常以降低Ri，提高k为提高反击耐雷水平的主要手段,雷电对
12、电力系统的危害,雷电是影响输电线路可靠性的首要因素CIGRE:12个国家275-500kV总长为32700km输电线路连续三年的运行结果，雷害事故占总事故60%我国:超高压线路雷击事故占线路总跳闸事故40-70%2008年南方电网110kV及以上输电线路共计跳闸2599次，其中雷击跳闸1588次，占总跳闸数的61.1%。雷电跳闸率达1.007次/百公里年。在500kV线路中，雷击更是线路跳闸的决定性因素,电网的防雷,1）雷电是自然界的天气现象，“惹不起，躲不过”2）雷电活动对电力系统影响巨大，对输电线路影响最为直接 3）现代电网，超、特高压输电线路由于自身特点，防雷问题更具挑战性 4）防雷问题
13、是当前输电线路故障的突出问题，人类对于雷电活动规律有待加强探索 5）防雷是技术问题，也是管理问题和技术经济比较问题,输电线路雷击形态,反击雷击线路杆塔或者避雷线时，杆塔或者避雷线的电位高于导线（绝对值）导致的闪络绕击雷击导线 800kV、500kV 及超、特高压交流反 击故障减少，但雷电 绕击问题突出,输电线路雷击形态,输电线路主要防雷措施,安装避雷线，减小避雷线的屏蔽角提高线路绝缘水平降低杆塔接地电阻双回输电线路采用不平衡绝缘线路避雷器架设耦合地线在绝缘子串加装并联保护间隙,输电线路的防雷保护措施,架设避雷线：引导雷电向避雷线放电，通过杆塔和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击
14、防止直接雷击导线分流减少经杆塔入地电流，降低塔顶电位降低感应过电压交流110kV以上应全线架设避雷线,输电线路的防雷保护措施,降低杆塔接地电阻土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混凝土杆的自然接地电阻 土壤电阻率高的地区，可采用多根放射形接地体或连续伸长接地体以及垂直接地电极等措施土壤电阻率高的地区，有难度，而且效果不明显,输电线路的防雷保护措施,架设耦合地线在降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线。它具有分流作用，又加强了避雷线对导线的耦合。运行经验表明，该措施可降低雷击跳闸率50左右加强绝缘对个别大跨越、高杆塔，落雷机会多等情况，可增加绝缘子片数采用不平衡绝缘方式针对同杆并
15、架双回线路，一回普通绝缘，一回加强绝缘,输电线路的防雷保护措施,装设线路避雷器,线路避雷器的防雷保护效果,防止输电线路雷击闪络的常规措施效果是有限的，国内外工程实践表明，线路避雷器防止反击、饶击雷电过电压的效果都是非常明显的。1980年美国AEP和GE开发出线路防雷用MOA，75支138kV避雷器用于25个杆塔上（接地电阻100），取得无雷击闪络的良好效果。1986年日本开发出带串联间隙的线路MOA，截止到1993年，日本在66、77、275、500kV线路上运行的MOA已达3万支，取得良好效果。,线路避雷器的防雷保护效果,日本总结77kV各种防雷措施的效果，统计出：增加绝缘、架设耦合地线、减
16、少杆塔接地电阻，可使雷击跳闸次数分别降至62%、56%、45%，安装MOA后可消除雷击跳闸事故。我国电科院对220kV安装MOA的防雷效果计算表明：未安装MOA的反击耐雷水平仅32kA安装MOA的反击耐雷水平达350kA,线路避雷器的应用,线路避雷器的投资较大，难以普遍采用，建议优先安装在下列条件杆塔：山区线路易击段、易击点的杆塔山区线路接地电阻超过100 且发生过闪络的杆塔水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔大跨越高杆塔多雷区双回线路易击段、易击点的一回线路上,输电线路的防雷保护措施,并联保护间隙防雷方式优点：提高系统重合闸成功率，降低线路的雷击事故率 保护绝缘子不受损，可以不巡线，减轻劳动
17、强度 相应的经济效益 缺点：短接了部分绝缘子长度，带来相应的技术和经济问题,在绝缘子串上并联保护间隙（在绝缘子串两端并联的一对金属电极，又称招弧角或引弧角）,应对输电线路雷击的系统措施,交流线路线路受雷击闪络并建弧后，断路器跳闸,自动重合闸直流线路雷击闪络并建弧后，在控制系统下，自动快速地完成降压、去能、灭弧、再起动等程序，消除故障，恢复送电为了提高再起动的成功率，可采用“多次自动再起动”或“降压再起动”。其间只要在线路去能后保证一段无压时间(约0.20.6s)，让弧柱充分去游离而恢复其绝缘强度,当前防雷分析技术,雷电活动特性分析:雷电定位系统、雷电波形监测系统 反击过电压及其分析：电磁暂态分
18、析技术（EMTP、PSCAD/EMTDC、Matlab）绕击过电压及其分析：传统方法、雷电先导发展模型、雷电分形模型,特高压输电线路的特点及防雷问题,杆塔高引雷半径大，暴露面积大大地对杆塔的屏蔽效果差 从导线表面产生的迎面先导发展的随机性凸显出来相间尺寸大 容易引起绕击大地对杆塔的影响大线路长 全线地形复杂 防雷设计困难、问题突出绝缘水平高反击闪络问题不突出，饶击是主要问题线路运行电压高导线对雷电下行先导的诱导作用增强,特高压输电线路的特点,云广800kV特高压直流线路输电距离1417km向家坝-上海800kV特高压直流输电线路全长1916.5km杆塔高度60-70m,特高压输电线路的特点,1
19、000kV晋东南-南阳-荆门输电线路长度660.657km杆塔高度达到约80-90m,特高压输电线路的特点,交流1000kV双回路杆塔图杆塔高度达到100m,特高压输电线路防雷的特殊性,特高压输电线路引雷能力增强，导致输电线路被雷电击中的概率提高特高压线路的绝缘水平很高，雷击避雷线或塔顶而发生反击闪络的可能性较低工作电压对雷电的诱导作用及迎面先导的随机性的增加导致绕击成为线路跳闸的主要原因采用负保护角后三相水平排列的特高压线路避雷线宽度超过60m,导致可能出现中相绕击的新问题1000kV晋东南-南阳-荆门输电线路进线段采用三避雷线,特高压输电线路的防雷问题,绕击是特高压线路雷击跳闸的主要原因。
20、应重点研究特高压线路易遭绕击的原因，并提出相应的防雷措施建立更为符合雷电发展规律的特高压输电线路绕击研究模型是特高压输电线路防雷的需求交流特高压输电线路塔形和500kV比较，有新特点，防止出现中相绕击问题,防雷技术研究和思考,1）防雷的基础研究需要加强 人们对于雷电活动规律掌握不充分。如何加强防雷的基础研究应有创新的思维 加大科研投入，开展基础研究，包括：雷电试验、雷电监测、雷电测量、研究方法开发、防雷措施研发 研究和完善防雷分析方法，如输电线路雷电暂态特性的全波过程分析方法、绕击分析选用的不同电压等级的电气几何模型、先导发展模型和分形模型等的精确性。,防雷技术研究和思考,2）输电线路防雷问题
21、要取得突破 输电线路有两大问题：防污秽和防雷。前者由于采用合成材料有了突破性进展，现在要下功夫解决防雷问题。3）雷电活动具有明显的地域性，需要坚持不懈地做好最基础的工作，充分利用雷电定位系统、雷电流波形监测装置 目前很多防雷研究不是根据地形及地段对整条线路进行分类，对各种地形条件下的雷击闪络率进行分别研究计算，没有考虑实际对象，只在数学方法上用功夫，所谓的与运行结果吻合好也只是在改变地面倾斜角上做文章,防雷技术研究和思考,4）需要有新思路，研究新的防雷措施 在试验的基础上，建立新理论、新模型、新的计算方法，新的防雷措施 5）关于防雷管理我国：考核的是雷击闪络率方法：堵的方法维护：复杂，困难国外
22、：考核的是雷击故障率方法：疏的方法维护：简单我国应开展输电线路防雷间隙的试点运行工作，从考核雷击闪络率向考核雷击故障率转变,防雷技术研究和思考,6）利用雷电定位系统监测数据，统计分析不同区域的年雷电日、地面落雷密度及雷电流幅值特性加强雷电定位系统建设，为电力系统防雷提供科学决策依据加强对海量雷电数据的分析与统计工作各级生产运行部门力求准确、科学统计分析雷击数据,防雷技术研究和思考,7）科学进行线路防雷设计，适当提高线路防雷设计标准 力求逐基杆塔建立微地形特性，结合雷电参数的地域特性，综合评估线路的防雷特性 在雷害严重区域增强线路耐雷设计水平 在雷害不同区域采用不同的耐雷设计 科学设计输电线路杆塔接地装置,防雷技术研究和思考,8）防雷是技术问题，也是管理问题，也是技术经济比较问题 从技术经济角度考量对不同输电线路，采取不同的防雷措施 例如：全线安装线路避雷器（一次投资高，但可以适当降低对接地电阻和保护角的要求）在输电线路沿线附近安装避雷线（可以消除线路的雷害事故，还可以取消线路本身的避雷线，但一次投资更高，交流特高压全线采取三避雷线的投资已经很高，只在进线端使用）,
