重慶大學(xué)高電壓0緒論

高電壓技術(shù)

HighVoltageTechnology重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)系2015.03杜林

高電壓技術(shù)的發(fā)展高電壓技術(shù)的研究對(duì)象本課程的要求緒論1、高電壓技術(shù)的發(fā)展1890年英國(guó)德普福特（Deptford）發(fā)電廠英國(guó)倫敦市中心28英里10kV從這最早的“電氣”時(shí)期開始，人們就體會(huì)到，為了充分發(fā)揮電能生產(chǎn)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，必須使輸電網(wǎng)絡(luò)增加相互連接，使電能生產(chǎn)組合在整體的系統(tǒng)中。---“電網(wǎng)”電能需求量的日益增加輸電線路電壓等級(jí)不斷提高促進(jìn)了高電壓技術(shù)學(xué)科的發(fā)展1891年，俄國(guó)首先建成13.8kV的三相交流輸電線路。1898年，美國(guó)建成33kV輸電線路，全長(zhǎng)120km。1906年，美國(guó)建成110kV輸電線路。1912年，美國(guó)建成150kV交流輸電線路。1923年，美國(guó)建成了230kV交流輸電線路。1937年，美國(guó)建成了287kV輸電線路，全長(zhǎng)455km。1952年，瑞典建成380kV輸電線路。1956年，前蘇聯(lián)建成400kV線路，1959年升壓為500kV線路。1965年，加拿大建成735kV線路。1967年，前蘇聯(lián)建成750kV線路。1969年，美國(guó)建成765kV線路。1985年，前蘇聯(lián)建成特高壓1150kV線路。國(guó)外輸配電發(fā)展(交流)：1951年，前蘇聯(lián)（Moscow

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Kashira）。1954年，瑞典建成±100kV直流輸電線路。1970年，美國(guó)建成±400kV直流輸電線路。1972年，加拿大建成±450kV直流輸電線路。1978年，南非建成±533kV直流輸電線路。1986年，巴西建成±600kV直流輸電線路。國(guó)外輸配電發(fā)展(直流)：1912年，建成22kV石龍壩水電廠至昆明的線路。1921年，建成33kV石景山發(fā)電廠至北京的線路。1933年，建成44kV線路(撫順電廠出線)。1934年，建成66kV線路(延邊至老頭溝)。1935年，建成154kV撫順電廠至鞍山線路。1943年，建成110kV鏡泊湖水電廠至延邊線路。1943年，建成220kV水豐電廠至大連線路。1972年，建成330kV劉家峽－關(guān)中輸電線路，全長(zhǎng)534km。1981年，建成500kV平頂山－武昌輸電線路，全長(zhǎng)595km。2005年9月，在西北地區(qū)建成750kV輸電線路，長(zhǎng)度為140.7km。2007年4月26日，中國(guó)第一條1000kV高壓輸電線路晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程線路工程開工建設(shè)。

2009年1月6日投運(yùn)。我國(guó)輸配電發(fā)展(交流)：1987年，我國(guó)建成全國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的±100kV舟山直流輸電工程。1989年，建成±500kV葛洲壩-上海高壓直流輸電線，全長(zhǎng)1045km，單極容量600MW，雙極1200MW。2009年12月28日，投運(yùn)（單極）世界上第一條±800kV直流輸電線路（云南祿豐-廣東增城），線路全長(zhǎng)1446公里，輸送容量8000MW。

2010年7月8日，投運(yùn)向家壩-上?！?00kV特高壓直流輸電工程，。我國(guó)輸配電發(fā)展(直流)：10kV110kV220kV330kV500kV750kV1150kV500kV800kV促使輸電電壓等級(jí)提高的直接動(dòng)力是對(duì)電力需求的激增及遠(yuǎn)距離輸電。交流線路的輸送容量P與交流輸送電壓U的二次方成正比

P=U2/Z，（Z為線路阻抗）表2交流輸電各電壓等級(jí)與輸送容量和輸送距離關(guān)系系統(tǒng)電壓

U/kV2203305007501000阻抗

Z/Ω400303278256250輸送容量

P/MW12136090022004000輸電距離

/km100～300200～6001000左右1000以上1000以上表3直流輸電各電壓等級(jí)與輸送容量系統(tǒng)電壓

±Ud/kV±400±500±600±700±800雙極輸送容量

P/MW500~10001000~30002500~40004000~60006000~9000電流

Id/A600~12501000~30002100~33002150~43002800~5600直流線路的輸送容量P：P=2Ud

IdUd－直流一極對(duì)地電壓

Id－每極直流輸電線所流過的電流高電壓技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)初，它是隨著輸電電壓的提高而發(fā)展的一門學(xué)科。

高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)下電力系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列特殊問題，促進(jìn)了高壓學(xué)科的形成。輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高、長(zhǎng)度的增加、高壓電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行的要求等促進(jìn)了高電壓技術(shù)學(xué)科的不斷發(fā)展。輸電線路電壓等級(jí)不斷提高，促進(jìn)了高電壓技術(shù)學(xué)科的發(fā)展“高電壓”是針對(duì)某種極端條件下電磁現(xiàn)象的相對(duì)物理概念，在電壓數(shù)值上尚無確定的劃分限界，工程上(IEC,IET,IEEE)通常將電壓在(1kV/AC,1.5kV/DC)及以上作為高電壓的范疇。對(duì)于輸電線路，國(guó)際上一般認(rèn)為：交流：高壓(HV)：35kV～220kV超高壓(EHV)：330kV及以上1000kV以下特高壓(UHV)：1000kV及以上直流：高壓直流(HVDC)：±600kV及以下特高壓直流(UHVDC)：±600kV以上高電壓絕緣高電壓與絕緣技術(shù)（二級(jí)學(xué)科名稱）電工理論與新技術(shù)電氣工程

電機(jī)電器電力系統(tǒng)及自動(dòng)化高電壓與絕緣技術(shù)

電力電子與電氣傳動(dòng)保持高電壓要依靠絕緣；而絕緣介質(zhì)在高電壓下會(huì)被破壞；這是一對(duì)相互依存的矛盾體。各種形態(tài)的高電壓交流高壓直流高壓沖擊電壓2、高電壓技術(shù)的研究對(duì)象和各種性能的絕緣介質(zhì)。高電壓技術(shù)研究對(duì)象是：氣體液體固體介質(zhì)放電與絕緣擊穿,高電壓的產(chǎn)生、測(cè)量與控制,過電壓及其防護(hù)等構(gòu)成了高電壓技術(shù)學(xué)科的研究體系高電壓絕緣高電壓試驗(yàn)技術(shù)電力系統(tǒng)的過電壓與絕緣配合三者之間的關(guān)系？沒有可靠的絕緣，高電壓、高場(chǎng)強(qiáng)無法實(shí)現(xiàn)。高電壓絕緣是高電壓工程的物理基礎(chǔ)。高電壓技術(shù)是一門工程性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。高電壓的產(chǎn)生？高電壓的測(cè)量？高電壓試驗(yàn)？由于多種原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)比正常工作電壓高得多的電壓的產(chǎn)生—過電壓。絕緣問題高電壓試驗(yàn)問題過電壓防護(hù)問題（解決高電壓與絕緣的矛盾）（定量獲得絕緣性能）（技術(shù)經(jīng)濟(jì)的絕緣配合）高電壓絕緣絕緣是將電位不等的導(dǎo)體分隔開，使導(dǎo)體沒有電氣連接，從而保持不同的電位。絕緣是電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。絕緣和按照一定要求組成的絕緣系統(tǒng)（絕緣結(jié)構(gòu)）是維持高電壓的基礎(chǔ)，電氣設(shè)備只有具有可靠的絕緣結(jié)構(gòu)，才能夠可靠地工作。絕緣是高電壓技術(shù)中的核心研究?jī)?nèi)容。具有絕緣作用的材料稱為絕緣材料（電介質(zhì)）電介質(zhì)按其形態(tài)分為：氣體、液體、固體。如：氣體：空氣、氮?dú)?、SF6氣體等；液體：礦物油，植物油等；固體：木材、紙板、陶瓷、玻璃、聚乙烯等。為什么要研究“高電壓絕緣”電壓等級(jí)→設(shè)備絕緣費(fèi)用→開發(fā)新型絕緣材料及新的絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣是電氣設(shè)備安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，絕緣故障是導(dǎo)致設(shè)備失效的主要原因。高電壓絕緣的主要內(nèi)容絕緣材料：研究各種絕緣材料在高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)下的各種性能、各種現(xiàn)象以及相應(yīng)的過程和理論，尤其是絕緣擊穿破壞的過程和理論，在此基礎(chǔ)上選擇優(yōu)良的絕緣材料，開發(fā)新材料，進(jìn)而大幅度提高性能。絕緣結(jié)構(gòu)（電場(chǎng)結(jié)構(gòu)）：絕緣材料的性能并不代表絕緣結(jié)構(gòu)的性能，絕緣結(jié)構(gòu)的性能才是實(shí)際設(shè)備使用的性能，同一材料在不同的絕緣結(jié)構(gòu)下其性能不相同，研究絕緣結(jié)構(gòu)是要更好地利用材料的性能。電壓形式對(duì)絕緣性能的影響：研究絕緣結(jié)構(gòu)不能離開電壓形式（如工頻或高頻交流電壓、直流電壓、沖擊電壓等），同樣的材料、結(jié)構(gòu)在不同電壓形式下絕緣性能并不相同。220kV電力變壓器吊罩后局部照片我國(guó)的750kV輸電線路高壓電氣設(shè)備--SF6斷路器和全封閉組合電器（GIS）高壓電氣設(shè)備--油浸式電力變壓器高電壓技術(shù)的研究對(duì)象是各種形態(tài)的高電壓和各種性能的介質(zhì)，需要有各種高電壓的測(cè)試設(shè)備來研究各種介質(zhì)在各種高電壓下的物理現(xiàn)象；關(guān)于介質(zhì)擊穿的機(jī)理不是很清楚，許多實(shí)際問題需要依靠試驗(yàn)來解決；為檢驗(yàn)絕緣是否具有應(yīng)有的耐受電壓水平，還必須按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣進(jìn)行試驗(yàn)。高電壓試驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)技術(shù)的研究?jī)?nèi)容如何產(chǎn)生各種高電壓（試驗(yàn)設(shè)備）研究各種不同參數(shù)、功能的高電壓發(fā)生裝置如何進(jìn)行高電壓試驗(yàn)（試驗(yàn)方法）研究對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高電壓試驗(yàn)的方法如何測(cè)量各種高電壓（測(cè)量方法）高強(qiáng)量、微弱量、快速量輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——試驗(yàn)設(shè)備交流污穢試驗(yàn)電源裝置（2000kVA/500kV）

直流污穢試驗(yàn)電源裝置（600kV/0.5A）

沖擊電壓發(fā)生器（2400kV）電力系統(tǒng)過電壓“過電壓”是指電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的對(duì)絕緣有危害的電壓升高和電位差升高。根本原因：系統(tǒng)中電磁能量發(fā)生變化。過電壓的危害過電壓的作用時(shí)間很短，但其數(shù)值卻大大超過正常工作電壓，易造成絕緣的破壞。過電壓的分類雷電過電壓（外部過電壓）：由于設(shè)備受雷擊造成的(直接雷過電壓)或在設(shè)備附近發(fā)生雷擊而感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓(感應(yīng)雷過電壓)。內(nèi)部過電壓：在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作或系統(tǒng)故障等原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，再由此引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化或傳遞的過渡過程中，將在系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓，這種過電壓稱為內(nèi)部過電壓。內(nèi)部過電壓的幅值與額定電壓、狀態(tài)發(fā)生變化的瞬間和系統(tǒng)的組成等因素有關(guān)。在系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)中，特別重要的兩個(gè)方面：確定外部、內(nèi)部過電壓作用狀況，絕緣應(yīng)耐受此電壓；確定絕緣在承受此電壓作用時(shí)的特性，絕緣上的電壓和該絕緣的介質(zhì)強(qiáng)度之間的協(xié)調(diào)配合—絕緣配合。主要研究?jī)?nèi)容過電壓產(chǎn)生的機(jī)理和它發(fā)展的物理過程、影響因素；提出降低或限制作用在設(shè)備上過電壓的措施；電壓、絕緣、保護(hù)設(shè)備三者的絕緣配合。絕緣配合

綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種作用電壓(工作電壓及過電壓)、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐受特性，合理地確定設(shè)備必要的絕緣水平，以使設(shè)備的造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備故障引起的事故損失。達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高。絕緣配合的目的：學(xué)會(huì)正確處理電力系統(tǒng)過電壓與絕緣這一對(duì)矛盾在運(yùn)行條件下，電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣不但長(zhǎng)期處于工作電壓下，而且會(huì)受到各種過電壓作用；絕緣不僅要能夠耐受工作電壓的長(zhǎng)期作用，而且還必須能耐受可能出現(xiàn)的各種過電壓；從兩方面入手解決保證和提高絕緣的耐受電壓－－加強(qiáng)絕緣設(shè)法降低和限制過電壓－－過電壓限制措施高壓電氣設(shè)備--金屬氧化物避雷器（MOA）高電壓絕緣1、2電力系統(tǒng)過電壓4～10高電壓試驗(yàn)技術(shù)3絕緣子放電雷擊輸電線路沖擊電壓發(fā)生器第一篇第二篇中國(guó)電力工業(yè)的現(xiàn)狀與展望發(fā)電量：53233億度(2014年全國(guó)總量)裝機(jī)容量：136019萬，其中火電91569萬千瓦；水電30183萬千瓦，核電1988萬千瓦，風(fēng)電7548萬千瓦，太陽能2653萬千瓦。電壓等級(jí)：

交流：

1000kV/(750kV)500kV/(330kV)220kV/110kV/(66kV)35kV/10kV

直流：±500kV/±660kV/±800kV

全國(guó)220千伏及以上輸電線路回路長(zhǎng)度達(dá)到44.27萬千米，220千伏及以上變電設(shè)備容量達(dá)到19.74億kVA。國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃能源科技發(fā)展思路：把節(jié)約能源放在首位，促進(jìn)節(jié)能型社會(huì)的建立；以煤炭為主體，以電力為中心，加快發(fā)展水電、核電，保障油氣安全；堅(jiān)持遠(yuǎn)近結(jié)合，積極推進(jìn)可再生能源和新能源的發(fā)展。電力工業(yè)發(fā)展方針提高能源效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，大力發(fā)展水電，優(yōu)化發(fā)展煤電，推進(jìn)核電建設(shè)，穩(wěn)定發(fā)展天然氣發(fā)電，加快新能源發(fā)電，促進(jìn)裝備工業(yè)發(fā)展，深化體制改革。輸煤還是輸電商品運(yùn)行的一般環(huán)節(jié)：生產(chǎn)、流通、消費(fèi)?！半姟笔且惶厥獾纳唐罚翰豢蓛?chǔ)存！電力系統(tǒng)的許多特點(diǎn)由此決定。我國(guó)電力資源的分布：西部。電力負(fù)荷中心：中東部。能源的輸送方式：輸電、輸煤發(fā)展大煤電、大水電、大核電和特高壓交直流輸電，實(shí)行輸電輸煤并舉，優(yōu)先發(fā)展輸電是我國(guó)優(yōu)化能源輸送方式的戰(zhàn)略選擇。為什么要建設(shè)特高壓電網(wǎng)？長(zhǎng)期以來，我國(guó)電力發(fā)展的主要方式是以就地平衡為主。這種發(fā)展方式帶來資源浪費(fèi)、環(huán)境惡化、運(yùn)輸緊張等問題。當(dāng)前電力發(fā)展存在的環(huán)境和運(yùn)輸瓶頸等問題，歸根結(jié)底是電源布置不合理造成的。Ⅰ電力需要大發(fā)展緩解能源運(yùn)輸瓶頸

目前我國(guó)總發(fā)電量已位居世界前列，但人均用電量還遠(yuǎn)不如世界發(fā)達(dá)國(guó)家。

電能缺口矛盾突出，這必將使我國(guó)要加快電力發(fā)展的步伐。美國(guó)日本英國(guó)韓國(guó)中國(guó)人均生活用電量246kWh1/71/31/41/31/201/61/101/5中國(guó)人均占用電量2149kWh2006年統(tǒng)計(jì)“西電東送”三大通道及主干電網(wǎng)示意積極擴(kuò)大“西電東送”規(guī)模－輸電北通道：山西、蒙西向京津冀魯送電，2010年約20GW，2020年約40GW；中通道：三峽及四川水電向華東、華中電網(wǎng)送電，2010年約21GW，2020年45～50GW；南通道：云南、貴州水電及火電向廣東、廣西送電，2010年約20.8GW，2020年約40GW。研究結(jié)果表明：特高壓電網(wǎng)具有具有大容量、長(zhǎng)距離和低損耗送電特點(diǎn)。加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為重點(diǎn)、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)的國(guó)家電網(wǎng)，對(duì)解決我國(guó)能源發(fā)展面臨的突出問題，構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全的能源供應(yīng)體系具有十分重要的意義。發(fā)展和建設(shè)特高壓輸電的必要性和緊急性：從現(xiàn)在起到2020年我國(guó)需新裝機(jī)約5億千瓦，年均超過3000萬千瓦，但我國(guó)3/4以上可開發(fā)水能資源（3.95億千瓦）分布在川、云、藏，探明的煤炭資源保有儲(chǔ)量3/5以上分布在晉、陜、蒙；而全國(guó)電力負(fù)荷2/3分布在京廣線以東地區(qū)，能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不平衡；雖然全國(guó)“西電東送”500kV超高壓骨干網(wǎng)架已經(jīng)形成，但500kV跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，輸電能力有限，難以滿足西部和北部能源基地大規(guī)模、遠(yuǎn)距離電力外送需求，必須采用更高一級(jí)電壓等級(jí)的輸電技術(shù)。Ⅱ

解決現(xiàn)有電網(wǎng)問題2007年，電源結(jié)構(gòu)調(diào)整，水電建設(shè)步伐加快，三峽電站已有26臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，發(fā)電能力達(dá)1872萬千瓦。龍灘、小灣、構(gòu)皮灘、瀑布溝、錦屏、拉西瓦、向家壩、溪洛渡等一批大型水電站相繼開工建設(shè)，其中一些項(xiàng)目的部分工程投產(chǎn)發(fā)電；金沙江水電開發(fā)全面啟動(dòng)，溪洛渡電站于11月8日實(shí)現(xiàn)截流；核電方面，隨著田灣核電站兩臺(tái)核電機(jī)組投產(chǎn)，全國(guó)核電裝機(jī)容量已達(dá)885萬千瓦，紅沿河核電項(xiàng)目已開始啟動(dòng)；風(fēng)力發(fā)電取得突破性進(jìn)展，中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司、中國(guó)大唐集團(tuán)公司風(fēng)電裝機(jī)容量相繼超過百萬千瓦，內(nèi)蒙古自治區(qū)成為全國(guó)首個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量突破百萬千瓦的省份。11月8日，我國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電站在渤海油田順利投產(chǎn)，拉開了我國(guó)有效利用海上風(fēng)能的序幕；一批生物質(zhì)發(fā)電廠建成投產(chǎn)，光伏發(fā)電和煤層氣開發(fā)積極推進(jìn)。

國(guó)內(nèi)外通過對(duì)高于500kV的各種電壓等級(jí)輸電方案與現(xiàn)有的500kV交直流系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的比較：1000kV級(jí)交流或±800kV直流輸電方案的單位輸送容量投資為500kV交流或直流的70％左右；一回100萬級(jí)交流線路輸送能力是500kV線路的5倍，一回±800kV直流線路輸送能力是±500kV線路的2倍。

因此，建設(shè)交流1000kV級(jí)和直流±800kV級(jí)特高壓輸電系統(tǒng)