高電壓技術(shù)發(fā)展的回顧與展望.ppt

1、,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),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”(High Voltage Engineering)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。,2.高電壓技術(shù)的研究?jī)?nèi)容,Peek的書(shū)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(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), Eb, Eb, Eb,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(mén)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,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 1

3、986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(kāi)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,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(kāi)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(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

4、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(International Symposium on High Voltage Engineering， 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(kāi) 近10年來(lái)，我國(guó)出版的高電壓技術(shù)教科書(shū)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(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

5、線路過(guò)載而使弧垂增大以致觸及樹(shù)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,2.全球交流輸電電壓等級(jí)發(fā)展的情況,3. 國(guó)外750kV輸電的發(fā)展情況,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

6、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.,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; DC500kV 巴西伊泰普水電站12.6GW(已經(jīng)運(yùn)行20余年), 輸電電壓: AC765kV; DC600kV,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,2. 人均裝機(jī)容量的差距,2004年我國(guó)人均裝機(jī)容量?jī)H0.3

7、4kW 約為經(jīng)濟(jì)合作與開(kāi)發(fā)組織(OECD)成員國(guó)平均值的1/5 約為美國(guó)的1/10 2020年我國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)900950GW, 那時(shí)人均裝機(jī)容量仍低于世界平均水平,3. 我國(guó)交流輸電線路的一般輸送容量及輸電距離,可見(jiàn)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,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(lèi)發(fā)電廠裝機(jī)容量見(jiàn)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

8、仍占93.92%,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%。,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

9、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),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(kāi)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510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,7. 水電資源的開(kāi)發(fā)潛力很大,位于金沙江的

10、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(kāi)發(fā)潛力,8. 京都議定書(shū)對(duì)今后火力發(fā)電的影響,2005年2月16日, 京都議定書(shū)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),9. 潔凈煤發(fā)電技術(shù),配備煙氣脫硫和脫銷(xiāo)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

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?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)(Integrated Gasification Combined Cycle, 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,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)

12、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,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

13、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),3. 靈活交流輸電系統(tǒng),靈活交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System, 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(Static Var Compensator, 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

14、有SVC),SVC工作原理示意圖,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(kāi)發(fā)出直流斷路器, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)多端電網(wǎng),交直流輸電系統(tǒng)的費(fèi)用和距離的關(guān)系,5. 輕型高壓直流輸電(HVDC Light),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,

15、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,HVDC Light 的應(yīng)用實(shí)例,(1) 1997年瑞典投運(yùn)第一臺(tái)HVDC Light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HVDC Light線路 (3) 目前澳大利亞、丹麥和美國(guó)等國(guó)都有HVDC Light線路在運(yùn)行,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(M

16、etal Oxide Arrester,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,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(kāi)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500 kV直流工程上采用充SF6氣體的硅橡膠套管來(lái)解決套管積

17、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),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500kV XLPE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(shù)枝化放電(電樹(shù)枝、水樹(shù)枝)對(duì)XLPE電纜是個(gè)重要課題,XLPE電纜在變壓器中的應(yīng)用,20世紀(jì)90年代末, ABB公司推出電纜繞組變壓器和電纜繞組電機(jī) 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(shù)脂澆注變壓器無(wú)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(jī)進(jìn)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(dāng),XLPE電纜在電機(jī)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(jī)定子繞組的電壓從30kV升高到輸電電壓等級(jí)(ABB已制成136k