高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望課件

一.前言二.提高輸電電壓等級(jí)的必要性三.我國(guó)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(duì)高電壓技術(shù)的促進(jìn)五.新材料和新技術(shù)應(yīng)用對(duì)高電壓技術(shù)的促進(jìn)六.高電壓技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用七.結(jié)語(yǔ)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望一.前言

1.高電壓技術(shù)的起源20世紀(jì)初美國(guó)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”(HighVoltageEngineering)這一術(shù)語(yǔ)。這一術(shù)語(yǔ)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家沿用至今，說(shuō)明高電壓技術(shù)與輸電工程關(guān)系的密切。高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望2.高電壓技術(shù)的研究?jī)?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(chǎng)強(qiáng)下的電介質(zhì)現(xiàn)象”，因?yàn)榻^緣介質(zhì)的放電取決于場(chǎng)強(qiáng)而和電壓無(wú)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(guò)電壓及其防護(hù)－高電壓測(cè)試技術(shù)ε,γ,,Eb

,,,Eb

,,,Eb

,,

,,

高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望3.高電壓技術(shù)的特點(diǎn):實(shí)踐性強(qiáng)Peek解決輸電線路電暈問(wèn)題完全采用實(shí)驗(yàn)研究方法計(jì)算線路電暈起始場(chǎng)強(qiáng)和電暈損耗的著名的Peek公式是經(jīng)驗(yàn)公式，迄今仍被電力設(shè)計(jì)部門采用迄今高壓電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)最終仍要靠實(shí)驗(yàn)方法確定高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望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(jì)80年代西方發(fā)達(dá)國(guó)家主修強(qiáng)電的人數(shù)銳減1983年在美國(guó)電力會(huì)議上列為專題進(jìn)行討論1986年在美國(guó)IEEE的PES冬季會(huì)議上第二次討論1993年在日本橫濱召開的第8屆國(guó)際高電壓會(huì)議上專題討論會(huì)議的結(jié)論：需要培養(yǎng)高電壓技術(shù)人才高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望5.電力工業(yè)的全球復(fù)蘇2001年初，美國(guó)和巴西嚴(yán)重缺電，對(duì)電力工業(yè)敲響了警鐘2003年8月14日，美國(guó)6個(gè)州和加拿大2個(gè)省大面積長(zhǎng)時(shí)間停電，損失嚴(yán)重2003年8月24日，英國(guó)倫敦和英格蘭東南部停電2小時(shí)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(shí)停電，8小時(shí)后，羅馬地區(qū)才恢復(fù)停電目前世界各國(guó)已開始重新關(guān)注電力系統(tǒng)的發(fā)展高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望6.高電壓技術(shù)專業(yè)仍會(huì)不斷發(fā)展以德國(guó)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(guó)際高電壓工程學(xué)術(shù)會(huì)議(InternationalSymposiumonHighVoltageEngineering，簡(jiǎn)稱ISH)從1972年以來(lái)，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(lái)，我國(guó)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)求高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望二.提高輸電電壓等級(jí)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(guò)導(dǎo)線最大允許載流量時(shí),導(dǎo)線溫度過(guò)高會(huì)引發(fā)事故(2003年8月14日美國(guó)與加拿大的大停電,就是因?yàn)槎砗ザ碇菀粭l線路過(guò)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(guò)大,不能保證電能質(zhì)量(3)電力系統(tǒng)穩(wěn)定:Pmax=U2/X

對(duì)遠(yuǎn)距離輸電而言,穩(wěn)定是最主要的制約因素高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望2.全球交流輸電電壓等級(jí)發(fā)展的情況高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望3.國(guó)外750kV輸電的發(fā)展情況高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望4.國(guó)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。蘇聯(lián)解體后,輸電容量大幅減少,目前降壓為500kV運(yùn)行。日本在20世紀(jì)90年代建成三條距離不長(zhǎng)的1000kV線路(不超過(guò)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(jī)組推遲投產(chǎn),目前降壓為500kV運(yùn)行,計(jì)劃2015年前后升壓至1000kV。美國(guó)在20世紀(jì)70年代已建成兩條試驗(yàn)線段:一為1500kV;另一為1200kV.由于其后國(guó)情變化,暫不發(fā)展遠(yuǎn)距離輸電而終止研究.高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望5.我國(guó)輸電電壓等級(jí)發(fā)展滯后220kV線路于1943年投運(yùn)330kV線路于1974年投運(yùn)500kV線路于1981年投運(yùn)三峽水電站裝機(jī)18.2GW,輸電電壓:AC500kV;DC±500kV巴西伊泰普水電站12.6GW(已經(jīng)運(yùn)行20余年),輸電電壓:AC765kV;DC±600kV高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望三.我國(guó)發(fā)展超高壓和特高壓輸電的

前景

1.我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)的情況高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望2.人均裝機(jī)容量的差距2004年我國(guó)人均裝機(jī)容量?jī)H0.34kW約為經(jīng)濟(jì)合作與開發(fā)組織(OECD)成員國(guó)平均值的1/5約為美國(guó)的1/102020年我國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)900~950GW,那時(shí)人均裝機(jī)容量仍低于世界平均水平高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望3.我國(guó)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(guó)發(fā)展百萬(wàn)伏級(jí)輸電線路是十分必要的高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望4.我國(guó)目前發(fā)電能源結(jié)構(gòu)情況各國(guó)發(fā)電的能源結(jié)構(gòu)差別很大,我國(guó)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(guó)核電占80%,丹麥風(fēng)電占20%)我國(guó)2004年各類發(fā)電廠裝機(jī)容量見下表到2020年,預(yù)計(jì)我國(guó)核電裝機(jī)容量將上升至3.87%,風(fēng)電上升至2.15%,但那時(shí)火電和水電的裝機(jī)容量仍占93.92%高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)情況截止到2002年底，臺(tái)灣電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為3191.5萬(wàn)千瓦，其中火力發(fā)電廠有31座，裝機(jī)容量為2225.8萬(wàn)千瓦，占臺(tái)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(wàn)千瓦，占臺(tái)灣總電量的14.2%；核能發(fā)電廠有3座，裝機(jī)容量為514.4萬(wàn)千瓦，占臺(tái)灣總電量的16.1%。高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望5.發(fā)展中的分布式發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行費(fèi)用低(輸電損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)電力系統(tǒng))供電可靠－美國(guó)近12年來(lái)發(fā)生過(guò)41起因風(fēng)暴等自然災(zāi)害引起的高壓線路及鐵塔的嚴(yán)重破壞，損失達(dá)1800億美元－太陽(yáng)黑子引起的磁暴使得地球磁場(chǎng)變化，因此南北走向的長(zhǎng)輸電線路可能發(fā)生嚴(yán)重事故－戰(zhàn)時(shí)的高壓輸電線路是影響供電可靠性的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望6.分布式發(fā)電不可能取代遠(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(jí),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(gè)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(dá)到數(shù)MW及更大的容量,其普及應(yīng)用至少還需要5~10年太陽(yáng)能光伏發(fā)電:成本還比較高,目前最大的太陽(yáng)能社區(qū)僅1MW高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望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(jì)裝機(jī)容量為12.6GW同在金沙江的向家壩水電站,設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為6GW西藏的雅魯藏布江水域也大有開發(fā)潛力高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望8.京都議定書對(duì)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(guó)是世界上第二大CO2

排放國(guó),溫室氣體排放量占發(fā)展中國(guó)家排放總量的50%,是全球排放總量的15%我國(guó)目前煤炭的45%用于發(fā)電,美國(guó)是87%以上。今后要加大煤炭用于發(fā)電的比例,因?yàn)橹卫砑械奈廴驹催h(yuǎn)比治理低效的分散污染源更為經(jīng)濟(jì)和易于實(shí)現(xiàn)出路:發(fā)展?jié)崈裘喝紵夹g(shù)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望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(jī)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)電技術(shù)采用整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望10.超臨界和超超臨界發(fā)電:技術(shù)最為成熟和易行高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望11.聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望12.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)使用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電可克服燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)各自熱力循環(huán)的局限性,從而使熱效率高于兩者單獨(dú)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)(IntegratedGasificationCombinedCycle,簡(jiǎn)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(tái)將建IGCC示范廠高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望四.電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)高電壓技術(shù)的促

進(jìn)

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(duì)特高壓線路就是線路設(shè)計(jì)的大問(wèn)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(guò)電壓防護(hù)為例,決定配電線路絕緣水平的是雷電過(guò)電壓;但對(duì)超高壓和特高壓線路而言,操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓是更為重要的因素高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望2.緊湊型輸電技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn):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(diǎn):(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(zhǎng)83km,于1999年11月投運(yùn)(線路走廊從24.6m減少到6.7m,自然功率提高34%)絕緣設(shè)計(jì)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)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望3.靈活交流輸電系統(tǒng)靈活交流輸電系統(tǒng)(FlexibleACTransmissionSystem,簡(jiǎn)稱FACTS)是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強(qiáng)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(jì)80年代末提出來(lái)的,但有些FACTS的裝置,如靜止型無(wú)功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,簡(jiǎn)稱SVC)早已在系統(tǒng)中應(yīng)用(我國(guó)1981年投運(yùn)的第一條500kV線路末端的鳳凰山變電站就裝有SVC)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望SVC工作原理示意圖高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望4.高壓直流(HVDC)輸電20世紀(jì)70年代初大功率晶閘管閥取代了過(guò)去的汞弧閥優(yōu)點(diǎn):(1)線路造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用比交流輸電低(2)適用于聯(lián)系兩個(gè)不同的交流系統(tǒng)(3)可實(shí)現(xiàn)海底電纜輸電缺點(diǎn):(1)換流站造價(jià)貴且要消耗大量無(wú)功功率(2)需要裝濾波裝置(3)尚未開發(fā)出直流斷路器,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多端電網(wǎng)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望交直流輸電系統(tǒng)的費(fèi)用和距離的關(guān)系高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望5.輕型高壓直流輸電(HVDCLight)特點(diǎn):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?fù)Q流器(PCC)優(yōu)點(diǎn):(1)可不裝設(shè)換流變壓器,濾波器和無(wú)功補(bǔ)償也可簡(jiǎn)化,所以經(jīng)濟(jì)性好(2)對(duì)受控系統(tǒng)無(wú)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(yuǎn)地區(qū)供電(2)向海島或海上石油鉆井平臺(tái)供電(3)作為主網(wǎng)與清潔能源發(fā)電的互聯(lián)方式高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望HVDCLight的應(yīng)用實(shí)例(1)1997年瑞典投運(yùn)第一臺(tái)HVDCLight線路,長(zhǎng)10km,V=±10kV,P=3MW(2)1999年瑞典投運(yùn)長(zhǎng)70km,V=±80kV,P=3MW的HVDCLight線路(3)目前澳大利亞、丹麥和美國(guó)等國(guó)都有HVDCLight線路在運(yùn)行高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望五.新材料和新技術(shù)應(yīng)用對(duì)高電壓技

術(shù)的促進(jìn)

1.新材料的應(yīng)用(1)金屬氧化物避雷器(MetalOxideArrester,簡(jiǎn)稱MOA)取代碳化硅(SiC)避雷器,MOA有以下特點(diǎn):MOA可以沒(méi)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(guò)電壓,而SiC避雷器則不能MOA在運(yùn)行中電阻片中有阻性電流流過(guò),而SiC避雷器則無(wú)此種電流MOA電阻片有相當(dāng)大的電容量,而SiC電阻片是純阻性的高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望復(fù)合絕緣子的應(yīng)用(2)復(fù)合絕緣子于20世紀(jì)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(diǎn)優(yōu)異的防污性能:復(fù)合絕緣子在國(guó)外已用于735kV線路,國(guó)內(nèi)天廣±500kV直流工程上采用充SF6氣體的硅橡膠套管來(lái)解決套管積污問(wèn)題重量輕,強(qiáng)度高復(fù)合絕緣子要進(jìn)一步解決老化和芯棒脆斷等問(wèn)題(廣東的佛山和汕頭等地都發(fā)生過(guò)500kV線路的復(fù)合絕緣子芯棒脆斷事故)高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望交聯(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(jì)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(jí)逐步取代充油電纜(日本已有500kVXLPE電纜在運(yùn)行)XLPE電纜的制造與敷設(shè)比油紙電纜簡(jiǎn)單特別適用于有高落差甚至垂直敷設(shè)的情況對(duì)XLPE電纜不能做直流耐壓實(shí)驗(yàn)防止樹