1、,一. 前言 二. 提高輸電電壓等級的必要性 三. 我國發(fā)展超高壓和特高壓輸電的前景 四. 電力系統(tǒng)發(fā)展對高電壓技術(shù)的促進 五. 新材料和新技術(shù)應(yīng)用對高電壓技術(shù)的促進 六. 高電壓技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 七. 結(jié)語,一. 前言 1. 高電壓技術(shù)的起源,20世紀初美國工程師(F.W.Peek)研究解決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”(High Voltage Engineering)這一術(shù)語。 這一術(shù)語在西方發(fā)達國家沿用至今，說明高電壓技術(shù)與輸電工程關(guān)系的密切。,2.高電壓技術(shù)的研究內(nèi)容,Peek的書名指出了高電壓技術(shù)的核心內(nèi)容，只

2、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)的放電取決于場強而和電壓無關(guān)。 (電介質(zhì)的四大特性參數(shù)： 、 、 、Eb) 所以高電壓技術(shù)的基本內(nèi)容是研究： 絕緣結(jié)構(gòu)與特性 過電壓及其防護 高電壓測試技術(shù), Eb, Eb, Eb,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采用實驗研究方法 計算線路電暈起始場強和電暈損耗的著名的Peek公式是經(jīng)驗公式，迄今仍被電力設(shè)計部門采用 迄今高壓電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計最終仍要靠實驗方法確定,4. 歷史上關(guān)于高電壓技術(shù)人才需求的討論,討論的背景：20世紀80年代西方發(fā)達國家主修強電的人數(shù)銳減 1983年在美國電力會議上列為專題進行討論 1

3、986年在美國IEEE的PES冬季會議上第二次討論 1993年在日本橫濱召開的第8屆國際高電壓會議上專題討論 會議的結(jié)論：需要培養(yǎng)高電壓技術(shù)人才,5. 電力工業(yè)的全球復(fù)蘇,2001年初，美國和巴西嚴重缺電，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，損失嚴重 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)才恢復(fù)停電 目前世界各國已開始重新關(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

4、術(shù)專業(yè)(亞琛、柏林、布倫瑞克、達姆施塔特、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(International Symposium on High Voltage Engineering， 簡稱ISH)從1972年以來，已舉辦了13屆，今年第14屆ISH將于8月在北京召開 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)生一直供不應(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

5、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 對遠距離輸電而言,穩(wěn)定是最主要的制約因素,2.全球交流輸電電壓等級發(fā)展的情況,3. 國外750kV輸電的發(fā)展情況,4. 國外在特高壓輸電方面的研究,1985年蘇聯(lián)建成1150kV線路,有5年運行經(jīng)驗。蘇聯(lián)解體后, 輸電容量大幅減少, 目前降壓為500kV運行。 日本在20世紀90年代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)省土地資源, 因與之配套的大型核電機組推遲投產(chǎn),目前降壓為500kV運行, 計劃2015年

6、前后升壓至1000kV。 美國在20世紀70年代已建成兩條試驗線段: 一為1500kV; 另一為1200kV. 由于其后國情變化,暫不發(fā)展遠距離輸電而終止研究.,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18.2GW, 輸電電壓: AC500kV; DC500kV 巴西伊泰普水電站12.6GW(已經(jīng)運行20余年), 輸電電壓: AC765kV; DC600kV,三. 我國發(fā)展超高壓和特高壓輸電的 前景 1. 我國發(fā)電裝機容量增長的情況,2. 人均裝機容量的差距,2004年我國人均裝機容量僅0.3

7、4kW 約為經(jīng)濟合作與開發(fā)組織(OECD)成員國平均值的1/5 約為美國的1/10 2020年我國裝機容量將達900950GW, 那時人均裝機容量仍低于世界平均水平,3. 我國交流輸電線路的一般輸送容量及輸電距離,可見在西北地區(qū)發(fā)展750kV和在全國發(fā)展百萬伏級輸電線路是十分必要的,4. 我國目前發(fā)電能源結(jié)構(gòu)情況,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)電廠裝機容量見下表 到2020年, 預(yù)計我國核電裝機容量將上升至3.87%, 風(fēng)電上升至2.15%, 但那時火電和水電的裝機容量

8、仍占93.92%,我國臺灣地區(qū)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)情況,截止到2002年底，臺灣電力系統(tǒng)的總裝機容量為3191.5萬千瓦，其中火力發(fā)電廠有31座，裝機容量為2225.8萬千瓦，占臺灣電力總裝機容量的69.7%；水利發(fā)電廠有41座，裝機容量為451.1萬千瓦，占臺灣總電量的14.2%；核能發(fā)電廠有3座，裝機容量為514.4萬千瓦，占臺灣總電量的16.1%。,5. 發(fā)展中的分布式發(fā)電的優(yōu)點,投資少, 建設(shè)快(不需要高壓輸電系統(tǒng), 使得基礎(chǔ)設(shè)施投資減少) 運行費用低(輸電損耗遠低于常規(guī)電力系統(tǒng)) 供電可靠 美國近12年來發(fā)生過41起因風(fēng)暴等自然災(zāi)害引起的高壓線路及鐵塔的嚴重破壞，損失達1800億美元 太陽黑

9、子引起的磁暴使得地球磁場變化，因此南北走向的長輸電線路可能發(fā)生嚴重事故 戰(zhàn)時的高壓輸電線路是影響供電可靠性的一個薄弱環(huán)節(jié),6. 分布式發(fā)電不可能取代遠距離大容量輸電,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,單機容量已從數(shù)百kW發(fā)展到MW級,但目前最大的單機容量也僅5MW (火力發(fā)電的超超臨界機組的最大單機容量為1.3GW) 燃料電池: 已商品化的單個裝置容量為200kW(磷酸型), 正在研究開發(fā)的熔融碳酸鹽型和固體氧化物 型可達到數(shù)MW及更大的容量, 其普及應(yīng)用至少還需要510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,7. 水電資源的開發(fā)潛力很大,位于金沙江的

10、溪洛渡水電站的設(shè)計裝機容量為12.6GW 同在金沙江的向家壩水電站,設(shè)計裝機容量為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 我國是世界上第二大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比治理低效的分散污染源更為經(jīng)濟和易于實現(xiàn) 出路: 發(fā)展?jié)崈裘喝紵夹g(shù),9. 潔凈煤發(fā)電技術(shù),配備煙氣脫硫和脫銷的超臨界和超超臨界發(fā)電機組 采用循環(huán)流化床鍋爐 采用增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

11、技術(shù) 采用整體煤氣化聯(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,11.聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù),12.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù),使用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電可克服燃氣輪機和蒸汽輪機各自熱力循環(huán)的局限性, 從而使熱效率高于兩者單獨使用的情況 常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)使用天然氣或油作為燃料 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle, 簡稱IGCC) 用煤作燃料, 所以要再增添氣化爐和煤氣凈化設(shè)備 山東煙臺將建IGCC示范廠,四. 電力系統(tǒng)發(fā)展對高電壓技術(shù)的促 進 1. 新的更高電壓參數(shù)的應(yīng)用,以電暈為例, 配電線路不需采取特殊措施; 但對

12、特高壓線路就是線路設(shè)計的大問題。如日本東京電力公司的1000kV線路, 采用8根截面為810mm2 的導(dǎo)線構(gòu)成分裂間距為40cm的8分裂導(dǎo)線, 才能將電暈的噪聲降至500kV線路的水平(50dB) 以過電壓防護為例, 決定配電線路絕緣水平的是雷電過電壓; 但對超高壓和特高壓線路而言, 操作過電壓和工頻過電壓是更為重要的因素,2. 緊湊型輸電技術(shù)的應(yīng)用,特點: 取消桿塔的相間接地構(gòu)架, 而將三相線路置于同一塔窗中 優(yōu)點: (1) L, C, Z, 所以線路自然功率增大, 提高 了輸送能力 (2) 線路走廊減小 昌平-房山500kV緊湊線路長83km, 于1999年11月投運(線路走廊從24.6m

13、減少到6.7m, 自然功率提高34%) 絕緣設(shè)計不同于一般線路(一般線路采用4根截面為400mm2的4分裂導(dǎo)線, 此緊湊線路為6根截面為240mm2的6分裂導(dǎo)線),3. 靈活交流輸電系統(tǒng),靈活交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System, 簡稱FACTS)是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強系統(tǒng)可控性和增大傳輸能力的輸電系統(tǒng) FACTS的概念是20世紀80年代末提出來的, 但有些FACTS的裝置, 如靜止型無功補償器(Static Var Compensator, 簡稱SVC)早已在系統(tǒng)中應(yīng)用(我國1981年投運的第一條500kV線路末端的鳳凰山變電站就裝

14、有SVC),SVC工作原理示意圖,4. 高壓直流(HVDC)輸電,20世紀70年代初大功率晶閘管閥取代了過去的汞弧閥 優(yōu)點: (1) 線路造價和運行費用比交流輸電低 (2) 適用于聯(lián)系兩個不同的交流系統(tǒng) (3) 可實現(xiàn)海底電纜輸電 缺點: (1) 換流站造價貴且要消耗大量無功功率 (2) 需要裝濾波裝置 (3) 尚未開發(fā)出直流斷路器, 無法實現(xiàn)多端電網(wǎng),交直流輸電系統(tǒng)的費用和距離的關(guān)系,5. 輕型高壓直流輸電(HVDC Light),特點: 用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電壓源換流器取代傳統(tǒng)的晶閘管的相控換流器(PCC) 優(yōu)點: (1) 可不裝設(shè)換流變壓器, 濾波器和無功補償也 可簡化,

15、所以經(jīng)濟性好 (2) 對受控系統(tǒng)無要求, 故可用于向小容量系統(tǒng) 或不含旋轉(zhuǎn)電極的系統(tǒng)供電 適用: (1) 向偏遠地區(qū)供電 (2) 向海島或海上石油鉆井平臺供電 (3) 作為主網(wǎng)與清潔能源發(fā)電的互聯(lián)方式,HVDC Light 的應(yīng)用實例,(1) 1997年瑞典投運第一臺HVDC Light線路, 長10km, V=10kV, P=3MW (2) 1999年瑞典投運長70km , V=80kV , P=3MW的HVDC Light線路 (3) 目前澳大利亞、丹麥和美國等國都有HVDC Light線路在運行,五. 新材料和新技術(shù)應(yīng)用對高電壓技 術(shù)的促進 1.新材料的應(yīng)用,(1) 金屬氧化物避雷器(M

16、etal Oxide Arrester,簡稱MOA) 取代碳化硅(SiC)避雷器, MOA有以下特點: MOA可以沒有滅弧間隙, 而 SiC避雷器則必須有滅弧間隙 MOA可以限制操作過電壓,而 SiC避雷器則不能 MOA在運行中電阻片中有阻性電流流過,而 SiC避雷器則無此種電流 MOA電阻片有相當大的電容量,而 SiC電阻片是純阻性的,復(fù)合絕緣子的應(yīng)用,(2) 復(fù)合絕緣子于20世紀60年代開始使用,目前與陶瓷絕緣子并存, 但前者的應(yīng)用日益廣泛,有明顯優(yōu)于后者的特點 優(yōu)異的防污性能: 復(fù)合絕緣子在國外已用于735kV線路, 國內(nèi)天廣500 kV直流工程上采用充SF6氣體的硅橡膠套管來解決套管積

17、污問題 重量輕, 強度高 復(fù)合絕緣子要進一步解決老化和芯棒脆斷等問題(廣東的佛山和汕頭等地都發(fā)生過500kV線路的復(fù)合絕緣子芯棒脆斷事故),交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的應(yīng)用,(3) 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的應(yīng)用始于20世紀60年代,已取代配電網(wǎng)中粘性浸漬的油紙電纜,并在輸電網(wǎng)等級逐步取代充油電纜(日本已有500kV XLPE電纜在運行) XLPE電纜的制造與敷設(shè)比油紙電纜簡單 特別適用于有高落差甚至垂直敷設(shè)的情況 對XLPE電纜不能做直流耐壓實驗 防止樹枝化放電(電樹枝、水樹枝)對XLPE電纜是個重要課題,XLPE電纜在變壓器中的應(yīng)用,20世紀90年代末, ABB公司推出電纜繞組變壓器和電纜繞組電機 電纜繞組變壓器是一種新式防火防爆的變壓器, 匝絕緣與主絕緣具有相同的絕緣水平, 其產(chǎn)品的電壓和容量是環(huán)氧樹脂澆注變壓器無法做到的(例如145kV、150MVA) 但電纜繞組變壓器必須用高可靠性的風(fēng)機進行冷卻 電纜繞組外部的半導(dǎo)電層電阻率的選擇必須適當,XLPE電纜在電機中的應(yīng)用,用XLPE電纜代替定子繞組所用云母絕緣的線棒, 可使大型發(fā)電機定子繞組的電壓從30kV升高到輸電電壓等級(ABB已制成136k