高电压技术

高电压技术HighVoltageTechnology2绪论¾学科地位¾本课程性质和内容¾主要参考书3一学科地位电能与人类的生存、发展有密切关系，而高电压与绝缘技术是其中一个很重要的知识体系，它是支撑电能应用的一根有力的支柱。4二本课程性质和内容高电压技术主要研究高电压、强电场下各种电气物理问题，是电工学科的一门重要的专业基础课，是获得“高电压与绝缘技术”二级学科基础知识的主要渠道。采用高电压技术将电能大容量、远距离、低损耗地输送，提高电力系统运行的经济效益，防止过电压，提高耐压水平，保持电网运行的安全可靠性。5电能与电力系统电能是现代社会中昀重要、昀方便的能源。电能具有许多优点，如：9可以方便地转化为其他形式的能量。如：机械能、热能、光能、化学能等；9输送和分配易于实现；9应用规模灵活。6电力工业作为能源工业的主力而受到极大重视，在发达国家的能源消费比例中，电能占一多半。7动力系统、电力系统和电力网示意图如下图所示：动力系统、电力系统和电力网示意图8高压输电的发展过程¾1890英国出现从Deptford到伦敦长达45km的10kV输电线路¾1891德国出现从Lauffen到法兰克福长达170km的15kV三相输电线路9交流输电各电压等级首次出现的时间电压等级/kV10501102202873805257351150首次出现年份18901907191219261936195219591965198510高压电网等级„高压输电电压：35、63、110、220kV超高压输电电压：330、500、750kV特高压输电电压：交流1000kV,直流±800kV及以上„华北电网的电压系列是500／220／110／35／10kV东北电网的电压系列是500／220／63／10kV西北电网的电压系列是750／330／110kV11我国电网分布12高压电网13高压电网建设1972年我国第一条330KV超高压输变电工程—刘家峡经天水到陕西关中全长534km的线路投产。1981年又建成了从河南平顶山—湖北武汉的我国第一条全长595km的500kv线路。1985年全部采用国产设备的辽宁锦州到辽阳的500kv输变电工程投产。14高压电网建设1989年，我国第一条±500千伏葛洲坝—上海高压直流输电线路投运。2005年，我国第一条长达141公里750千伏示范输电线路(青海官亭—兰州东)投运。2004年底国家电网公司启动特高压输电项目，2006年8月晋东南到南阳到荆门645km交流特高压试验示范工程奠基开工建设，2009年1月6日投入运行。2010年7月8日向家坝—上海±800千伏特高压直流示范工程全线投入运行。15高压电网建设16高压电网建设17特高压电网建设18直流电压因为不能利用变压器，所以交流输电昀先得到迅速发展。¾直流输电20世纪50年代中期以来，随着各方面的技术的进步，直流输电的优越性逐步得到体现，许多国家又逐步开始发展直流输电。我国多条远距离的西电东送线路即为直流输电线路。19技术评估：由于直流输电可进行快速控制，因此能够完全控制所传输的功率，具有增强与之相连的交流系统稳定性的能力。此外，直流输电克服了交流输电中如下一些问题：稳定极限：交流输电的输电能力与距离成反比，而直流输电的输电能力与输电距离无关；电压控制：由于线路充电和电压降落的原因，交流输电的电压控制比较复杂，而直流输电线不需要任何无功功率；20线路补偿：为了克服长距离交流输电线路的充电和稳定极限问题，需要进行线路补偿，直流输电无需这样的补偿。交流互联问题：两个电力系统通过交流联络线互联时，协调控制很复杂，而且交流联络线的运行还可能存在功率振荡、故障增加、扰动从一个系统传到另一个系统等问题。直流输电中，对潮流的快速控制克服了所有上述问题。可利用直流系统实现两个交流系统的异步互联。接地阻抗：交流输电具有较高的接地阻抗。不允许稳态时出现地（零序）电流。对直流电流，可忽略接地阻抗，直流输电可以仅由一条输电线和大地构成回路运行（单级运行）。而交流输电的单相运行（或任何不对称运行）不能超过1s。21直流输电的应用受到下列因素的限制：1.换流设备的高成本2.无法用变压器改变电压水平；3.产生谐波；4.换流站需要无功功率；5.控制复杂；22直流输电的应用由于直流输电在成本和原理上的特点，大多数实际工程属于下列四种类型之一：1.地下或水下电缆（超过40~50km的等价距离后，直流电缆具有显著优势）2.长距离大功率输电；3.交流系统的异步互联；4.大型电力系统的稳定；23对直流输电的评价虽然技术上的进步和多端直流（MTDC）系统的引入有望提供直流输电的应用范围，但未来不可能出现直流电网替代交流电网的现象；原因：首先，MTDC系统的控制和保护很复杂，直流网络无法改变电压的性质，会引起经济上的不足。其次，随着电力电子技术的进展，FACTS装置（采用静止无功系统和静止移相器）的采用使得交流输电系统的性能得到了明显的提高。24高电压、高场强下的特殊问题¾绝缘问题没有可靠的绝缘，高电压高场强甚至无法实现。在一定的电压形式下，必须选合适的绝缘材料，设计合理的绝缘结构。25¾高电压试验问题高电压工程是一门工程性很强的学科，实验是必不可少的。高电压试验面临诸如以下问题：¾如何产生高压？¾如何对电气设备进行高压试验？¾如何测量高压？26¾过电压保护问题电力系统运行过程中，经常会导致比工作电压高得多的电压产生，如：自然界的雷击、电力系统本身操作导致的操作过电压等。为了保护电力系统中的电力设备，必须研究：¾各种过电压的特点及形成条件¾各种保护装置及其保护特性¾电压、绝缘、保护三者之间的绝缘配合27¾电磁环境问题电磁兼容：高电压高场强下各种电磁干扰信号更强，电磁兼容问题也更加突出。生态效应：研究强电场、强磁场下对生物生活环境的影响。28高电压下特殊现象及其应用高电压学科的特有现象可以举出很多，其中一些已得到应用，并有很好的发展前景，已成为国内外广泛开展研究的方向。¾静电技术及应用利用静电技术人们制成静电除尘器，其除尘效率达99%以上。29¾液电效应及应用液电效应是液体电介质在高电压、大电流放电时伴随产生的力、声、光、热等效应的总称。利用此原理可以制成碎石机、铸件清砂装置等，已得到广泛应用。30¾线爆技术及应用强大的电流通过金属线时，会使金属线熔化、气化、爆炸，可以对难熔金属、难镀材料喷涂，也可用线爆来模拟高空核爆炸或地下核爆炸。31¾脉冲功率技术及应用脉冲功率技术在许多高科技领域、尖端武器领域得到广泛应用，目前脉冲功率技术正向着高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。32本课程主要内容包括：¾高压电气绝缘¾高压电气试验¾电力系统过电压及其保护331.提高绝缘能力电介质理论研究—介质特性放电过程研究—放电机理高电压试验技术—高压产生、测量2.降低过电压雷击或操作→暂态过程→产生高电压→绝缘破坏→故障研究过电压的形成及防止措施过电压种类：大气过电压内部过电压3.绝缘配合使作用电压的数值、保护电器的特性和绝缘的电气特性之间相互协调以保证电气设备的可靠经济运行。34塔型？接地装置设计？档中最小对地高度？空气间距？绝缘子型式？片数？线间距离？档中导地线间距离？避雷线根数？单导线？分裂导线？高压架空输电线路设计：35三参考书目赵智大，高电压技术，中国电力出版社周泽存等，高电压技术，中国电力出版社小崎正光，高电压与绝缘技术，科学出版社朱德恒，严璋，高电压绝缘，清华大学出版社姚宗干，黄镜明，高电压试验技术，水利电力出版社36梁曦东等，高电压工程，清华大学出版社文远芳，高电压技术，华中科技大学出版社肖如泉，高电压试验工程，清华大学出版社张纬钹，何金良等，过电压防护与绝缘配合解广润，电力系统过电压，水利电力出版社37中国电机工程学报电工技术学报高电压技术高压电器IEEETrans.onPowerSystemIEEETrans.onPowerDeliveryIEEETrans.onDielectricsandElectricalInsulation38小结¾高电压技术是一门重要的专业基础课；¾随着电力行业的发展，高压输电问题越来越得到人们的重视；¾高电压、高场强下存在着一些特殊的物理现象；¾高电压试验在高电压工程中起着重要的作用。1第一篇电介质的电气强度电介质(dielectric)：指通常条件下导电性能极差的物质，在电力系统用作绝缘材料。电介质中正负电荷束缚得很紧，内部可自由移动的电荷极少，因此导电性能差。电介质－从贮存电能的角度看绝缘材料－从隔离电流角度看电介质气体电介质液体电介质固体电介质2★常用高压工程术语击穿(breakdown)：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。放电(discharge)：气体绝缘的击穿过程闪络(flashover)：沿固体介质表面发展的气体放电（沿面放电）电晕(coronadischarge)：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的昀低临界电压击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的昀小平均电场强度。Eb＝Ｕb／Ｓ（Ｓ：极间距离）3▲一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度，电介质就会丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象：1.在弱电场下，主要有极化、电导、介质损耗等2.在强电场下，主要有放电、闪络、击穿等4第一章气体放电的基本物理过程研究气体放电的目的：●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质演变成导体的过程●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法气体放电的基本理论：●汤逊理论●流注理论5基本概念回顾：—原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。●电离●电离能—电离过程所需要的能量称为电离能，也可用电离电位反映。)(eVWi)(VUi6施加能量WWi自由电子电离激励施加能量光子激励施加能量自由电子分级电离施加能量7●自由行程—粒子在每两次碰撞之间自由地通过的距离λ平均自由行程：粒子自由行程的平均值是一个随机量，具有很大的分散性，与气体分子的半径和密度有关是一个随机量，具有很大的分散性，与气体分子的半径和密度有关λxexP−=)(实际粒子的自由行程长度等于或大于某一距离的概率为：x8Nre21πλ=电子的平均自由行程长度为：kTpN=∵r为气体分子的半径，N为气体分子的密度r为气体分子的半径，N为气体分子的密度∴prkTe2πλ=温度，K温度，K气压，Pa气压，Pak为波尔茨曼常数，1.38╳10－23J/K9§1.1气体中带电粒子的产生与消失一.带电粒子的产生(电离过程）根据引起电离所需的能量来源不同，对应如下几种电离形式●碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。是气体中产生带电粒子的昀重要的形式是气体中产生带电粒子的昀重要的形式10条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能⑵一定的相互作用的时间和条件通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换动能、位能动能、位能主要的碰撞电离由电子完成电子引起碰撞电离的条件：qEx≥≥iW⇒qEWxii=x≥≥即电子为了造成碰撞电离而必须飞越的昀小距离即电子为了造成碰撞电离而必须飞越的昀小距离11●光电离：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电子称为光电子必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能νh≥≥iW⇒λ≤≤iWhc光辐射能够引起光电离的临界波长光辐射能够引起光电离的临界波长可见光（400～750nm）不能使气体直接发生光电离可见光（400～750nm）不能使气体直接发生光电离光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线异号粒子复合也产生光子12●热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞电离和光电离，能量来自气体分子的热能。Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合温度超过10000K时（如电弧放电）才需要考虑热电离，在温度达到