高电压技术发展的回顾与展望

一.前言二.提高输电电压等级的必要性三.我国发展超高压和特高压输电的前景四.电力系统发展对高电压技术的促进五.新材料和新技术应用对高电压技术的促进六.高电压技术在其他领域中的应用七.结语一.前言1.高电压技术的起源20世纪初美国工程师(F.W.Peek)研究解决110kV输电线路电晕后，于1915年出版“高电压工程中的电介质”的专著，首次提出“高电压工程”(HighVoltageEngineering)这一术语。这一术语在西方发达国家沿用至今，说明高电压技术与输电工程关系的密切。2.高电压技术的研究内容Peek的书名指出了高电压技术的核心内容，只是应修正为“高场强下的电介质现象”，因为绝缘介质的放电取决于场强而和电压无关。(电介质的四大特性参数：、、、Eb)所以高电压技术的基本内容是研究：－绝缘结构与特性－过电压及其防护－高电压测试技术ε,γ,,Ebtg,,,Ebtg,,,Ebtg,,tg,,tgtgtg3.高电压技术的特点:实践性强Peek解决输电线路电晕问题完全采用实验研究方法计算线路电晕起始场强和电晕损耗的著名的Peek公式是经验公式，迄今仍被电力设计部门采用迄今高压电气设备的绝缘设计最终仍要靠实验方法确定4.历史上关于高电压技术人才需求的讨论讨论的背景：20世纪80年代西方发达国家主修强电的人数锐减1983年在美国电力会议上列为专题进行讨论1986年在美国IEEE的PES冬季会议上第二次讨论1993年在日本横滨召开的第8届国际高电压会议上专题讨论会议的结论：需要培养高电压技术人才5.电力工业的全球复苏2001年初，美国和巴西严重缺电，对电力工业敲响了警钟2003年8月14日，美国6个州和加拿大2个省大面积长时间停电，损失严重2003年8月24日，英国伦敦和英格兰东南部停电2小时2003年9月23日，瑞典和丹麦发生大面积停电事故2003年9月28日，意大利大部分地区同时停电，8小时后，罗马地区才恢复停电目前世界各国已开始重新关注电力系统的发展6.高电压技术专业仍会不断发展以德国为例,共有十所学校设置高电压技术专业(亚琛、柏林、布伦瑞克、达姆施塔特、德累斯顿、汉诺威、伊尔曼诺、卡尔斯鲁厄、慕尼黑、斯图加特）国际高电压工程学术会议(InternationalSymposiumonHighVoltageEngineering，简称ISH)从1972年以来，已举办了13届，今年第14届ISH将于8月在北京召开近10年来，我国出版的高电压技术教科书有十余种之多；高压专业毕业生一直供不应求二.提高输电电压等级的必要性1.输电线路传输容量的制约因素(1)线损与发热电流超过导线最大允许载流量时,导线温度过高会引发事故(2003年8月14日美国与加拿大的大停电,就是因为俄亥俄州一条线路过载而使弧垂增大以致触及树枝而引发的)(2)线路电压降电压偏差过大,不能保证电能质量(3)电力系统稳定:Pmax=U2/X对远距离输电而言,稳定是最主要的制约因素2.全球交流输电电压等级发展的情况3.国外750kV输电的发展情况4.国外在特高压输电方面的研究1985年苏联建成1150kV线路,有5年运行经验。苏联解体后,输电容量大幅减少,目前降压为500kV运行。日本在20世纪90年代建成三条距离不长的1000kV线路(不超过240km),主要目的是可压缩线路走廊以节省土地资源,因与之配套的大型核电机组推迟投产,目前降压为500kV运行,计划2015年前后升压至1000kV。美国在20世纪70年代已建成两条试验线段:一为1500kV;另一为1200kV.由于其后国情变化,暂不发展远距离输电而终止研究.5.我国输电电压等级发展滞后220kV线路于1943年投运330kV线路于1974年投运500kV线路于1981年投运三峡水电站装机18.2GW,输电电压:AC500kV;DC±500kV巴西伊泰普水电站12.6GW(已经运行20余年),输电电压:AC765kV;DC±600kV三.我国发展超高压和特高压输电的前景1.我国发电装机容量增长的情况65.980.1115.5166.5236.5319.4440.70501001502002503003504004505001980198419881992199620002004年份GW2.人均装机容量的差距2004年我国人均装机容量仅0.34kW约为经济合作与开发组织(OECD)成员国平均值的1/5约为美国的1/102020年我国装机容量将达900~950GW,那时人均装机容量仍低于世界平均水平3.我国交流输电线路的一般输送容量及输电距离可见在西北地区发展750kV和在全国发展百万伏级输电线路是十分必要的4.我国目前发电能源结构情况各国发电的能源结构差别很大,我国以燃煤火力发电为主,其次是水力发电,其他能源的比例很小(而法国核电占80%,丹麦风电占20%)我国2004年各类发电厂装机容量见下表到2020年,预计我国核电装机容量将上升至3.87%,风电上升至2.15%,但那时火电和水电的装机容量仍占93.92%我国台湾地区发电能源结构情况截止到2002年底，台湾电力系统的总装机容量为3191.5万千瓦，其中火力发电厂有31座，装机容量为2225.8万千瓦，占台湾电力总装机容量的69.7%；水利发电厂有41座，装机容量为451.1万千瓦，占台湾总电量的14.2%；核能发电厂有3座，装机容量为514.4万千瓦，占台湾总电量的16.1%。5.发展中的分布式发电的优点投资少,建设快(不需要高压输电系统,使得基础设施投资减少)运行费用低(输电损耗远低于常规电力系统)供电可靠－美国近12年来发生过41起因风暴等自然灾害引起的高压线路及铁塔的严重破坏，损失达1800亿美元－太阳黑子引起的磁暴使得地球磁场变化，因此南北走向的长输电线路可能发生严重事故－战时的高压输电线路是影响供电可靠性的一个薄弱环节6.分布式发电不可能取代远距离大容量输电风力发电:是新的可再生能源发电技术中最成熟的,单机容量已从数百kW发展到MW级,但目前最大的单机容量也仅5MW(火力发电的超超临界机组的最大单机容量为1.3GW)燃料电池:已商品化的单个装置容量为200kW(磷酸型),正在研究开发的熔融碳酸盐型和固体氧化物型可达到数MW及更大的容量,其普及应用至少还需要5~10年太阳能光伏发电:成本还比较高,目前最大的太阳能社区仅1MW7.水电资源的开发潜力很大位于金沙江的溪洛渡水电站的设计装机容量为12.6GW同在金沙江的向家坝水电站,设计装机容量为6GW西藏的雅鲁藏布江水域也大有开发潜力8.京都议定书对今后火力发电的影响2005年2月16日,《京都议定书》正式生效我国是世界上第二大CO2排放国,温室气体排放量占发展中国家排放总量的50%,是全球排放总量的15%我国目前煤炭的45%用于发电,美国是87%以上。今后要加大煤炭用于发电的比例,因为治理集中的污染源远比治理低效的分散污染源更为经济和易于实现出路:发展洁净煤燃烧技术9.洁净煤发电技术配备烟气脱硫和脱销的超临界和超超临界发电机组采用循环流化床锅炉采用增压流化床联合循环发电技术采用整体煤气化联合循环发电技术10.超临界和超超临界发电:技术最为成熟和易行11.联合循环发电技术12.整体煤气化联合循环发电技术使用燃气-蒸汽联合循环发电可克服燃气轮机和蒸汽轮机各自热力循环的局限性,从而使热效率高于两者单独使用的情况常规的联合循环使用天然气或油作为燃料整体煤气化联合循环(IntegratedGasificationCombinedCycle,简称IGCC)用煤作燃料,所以要再增添气化炉和煤气净化设备山东烟台将建IGCC示范厂四.电力系统发展对高电压技术的促进1.新的更高电压参数的应用以电晕为例,配电线路不需采取特殊措施;但对特高压线路就是线路设计的大问题。如日本东京电力公司的1000kV线路,采用8根截面为810mm2的导线构成分裂间距为40cm的8分裂导线,才能将电晕的噪声降至500kV线路的水平(50dB)以过电压防护为例,决定配电线路绝缘水平的是雷电过电压;但对超高压和特高压线路而言,操作过电压和工频过电压是更为重要的因素2.紧凑型输电技术的应用特点:取消杆塔的相间接地构架,而将三相线路置于同一塔窗中优点:(1)L↓,C↑,Z↓,所以线路自然功率增大,提高了输送能力(2)线路走廊减小昌平-房山500kV紧凑线路长83km,于1999年11月投运(线路走廊从24.6m减少到6.7m,自然功率提高34%)绝缘设计不同于一般线路(一般线路采用4根截面为400mm2的4分裂导线,此紧凑线路为6根截面为240mm2的6分裂导线)3.灵活交流输电系统灵活交流输电系统(FlexibleACTransmissionSystem,简称FACTS)是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统可控性和增大传输能力的输电系统FACTS的概念是20世纪80年代末提出来的,但有些FACTS的装置,如静止型无功补偿器(StaticVarCompensator,简称SVC)早已在系统中应用(我国1981年投运的第一条500kV线路末端的凤凰山变电站就装有SVC)SVC工作原理示意图4.高压直流(HVDC)输电20世纪70年代初大功率晶闸管阀取代了过去的汞弧阀优点:(1)线路造价和运行费用比交流输电低(2)适用于联系两个不同的交流系统(3)可实现海底电缆输电缺点:(1)换流站造价贵且要消耗大量无功功率(2)需要装滤波装置(3)尚未开发出直流断路器,无法实现多端电网交直流输电系统的费用和距离的关系5.轻型高压直流输电(HVDCLight)特点:用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压源换流器取代传统的晶闸管的相控换流器(PCC)优点:(1)可不装设换流变压器,滤波器和无功补偿也可简化,所以经济性好(2)对受控系统无要求,故可用于向小容量系统或不含旋转电极的系统供电适用:(1)向偏远地区供电(2)向海岛或海上石油钻井平台供电(3)作为主网与清洁能源发电的互联方式HVDCLight的应用实例(1)1997年瑞典投运第一台HVDCLight线路,长10km,V=±10kV,P=3MW(2)1999年瑞典投运长70km,V=±80kV,P=3MW的HVDCLight线路(3)目前澳大利亚、丹麦和美国等国都有HVDCLight线路在运行五.新材料和新技术应用对高电压技术的促进1.新材料的应用(1)金属氧化物避雷器(MetalOxideArrester,简称MOA)取代碳化硅(SiC)避雷器,MOA有以下特点:MOA可以没有灭弧间隙,而SiC避雷器则必须有灭弧间隙MOA可以限制操作过电压,而SiC避雷器则不能MOA在运行中电阻片中有阻性电流流过,而SiC避雷器则无此种电流MOA电阻片有相当大的电容量,而SiC电阻片是纯阻性的复合绝缘子的应用(2)复合绝缘子于20世纪60年代开始使用,目前与陶瓷绝缘子并存,但前者的应用日益广泛,有明显优于后者的特点优异的防污性能:复合绝缘子在国外已用于735kV线路,国内天广±500kV直流工程上采用充SF6气体的硅橡胶套管来解决套管积污问题重量轻,强度高复合绝缘子要进一步解决老化和芯棒脆断等问题(广东的佛山和汕头等地都发生过500kV线路的复合绝缘子芯棒脆断事故)交联聚乙烯(XLPE)电缆的应用(3)交联聚乙烯(XLPE)电缆的应用始于20世纪60年代,已取代配电网中粘性浸渍的油纸电缆,并在输电网等级逐步取代充油电缆(日本已有500kVXLPE电缆在运行)XLPE电缆的制造与敷设比油纸电缆简单特别适用于有高落差甚至垂直敷设的情况对XLPE电缆不能做直流耐压实验防止树枝化放电(电树枝、水树枝)对XLPE电缆是个重要课题XLPE电缆在变压器中的应用20世纪90年代末,ABB公司推出电缆绕组变压器和电缆