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1、高电压工程的进展及 新技术应用河南理工大学 孙岩洲 2012年4月一. 前言 二. 提高输电电压等级的必要性 三. 我国电力工业及高压输电发展的前景 四. 高电压技术在多领域中的新应用 1882年9月第一个完整的直流电力系统由Thomas Edison在纽约建成并投入，电压110V,输送距离 1.5km。 1889年9月第一个单相交流输电系统在美国俄勒 冈州投入运行，电压4000V,输送距离21km。 1893年第一个三相交流输电系统在美国南加州投 入运行，电压2300V,输送距离12km。1831年（英）法拉第电磁感应(磁生电) 电机和 电灯的发明 电力系统(1870-1880)w 国外大学
2、设置电气工程专业的时间哥伦比亚大学 1882年康乃尔大学 1883年普林斯顿大学 1889年德州大学 1895年麻省理工学院 1902年w 1908年，交通大学（南洋大学堂）设立了电机专科 ，这是我国最早的电气类专业。 w 1912年，同济大学设立电机科。 w 1920年，浙江大学设立电机科。 w 1923年，东南大学设立电机工程系。 w 1932年，清华大学设立电机系。 w 1933年，北洋大学（天津大学）设立电机工程系。1993年（引导） 1998年（基本） 1998年电机电器及其控制（20） 电力系统及其自动化（37）高电压与绝缘技术（6）电气技术（55） 工业自动化（157）（以上为电
3、工类） 自动控制（以上为电子与信息类）电气工程及自动化电子信息工程通信工程电子科学与技术计算机科学与技术生物医学工程电气工程信息工程其自动化与自动化（14）（149）(23)1993年 1998年 1998（引导）（工业自动化） （157）自动控制 （40）自动化 （197） 电子工程 （69） 应用电子技术 （70） 信息工程 （28） 电磁场与微波技术 （11）电子信息工程 （242）通信工程 （57）信息工程 （23）计算机软件 （74）计算机及应用 （190）通信工程(153)计算机科学教育 （28） 电子材料与之器件 （16） 微电子技术 （25） 物理电子技术 （10） 光电子技术
4、 （20） 生物医学工程 （19）生物医学工程 （42）计算机科学与技术 （415）（77）电子科学技术电气工程学科是工程类的大基础学科，是工科院校较为古 老的学科，也是当今世界各种高新技术的母学科：(至今国外很多大学的以下学科仍和在电气学科相互联系） -电子工程; 计算机工程; 自动化与仪表技术;-等离子体技术; 激光技术等现代高科技。我国目前还按老学科方向设置研究生教育的二级学科： -电力系统及其自动化 (Power System and its Automation)， -电机与电器 (Electrical Machines and Apparatus)，-高电压技术与绝缘 (High
5、Voltage Tech. and Insulations)， -电力电子与电气传动 (Power Electronics and Electric Drives)，-电工理论及电工新技术(Theories and New Tech. of Electric Engineering)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”(High Voltage Engineering)这一术语。这一术语在西方发达国家沿用至今， 说明高电压工程技术与输电工程关系之密
6、切 。2.高电压技术的研究内容w Peek的书名(高电压工程中的电介质)指出了 高电压技术的核心内容，只是应该修正为“ 高场强下的电介质现象”，因为绝缘介质的 放电主要取决于场强而不是电压。(微电子及纳米技术也需要高压绝缘的知识) w 广义范围上，1000V(1kV)以上称为高压。中压：1kV35kV; 高压：110kV220kV; 超高压: 330kV750kV; 特高压: 1000kV及以上, Eb , Eb , Eb , , 3.高电压技术的特点: 实践性强w Peek解决输电线路电晕问题完全采用实验研 究方法 w 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
7、电力设计部 门采用 w 迄今高压电气设备的绝缘设计最终仍要靠实 验方法确定 w 武汉高压研究所, 西安高压研究所4. 历史上关于强电技术人才需求的讨论w 讨论的背景：20世纪80年代西方发达国家主修强电 的学生人数减少 w 1983年在美国电力会议上列为专题进行讨论 w 1986年在美国IEEE的冬季会议上第二次讨论 w 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 w 会议的结论：需要培养强电及高电压技术人才 w 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 w 目前世界各国已开始重新关注供电系统的发展5. 高电压等强电技术专业仍会不断发展w 以德
8、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 ）w 第12届亚洲放电会议(Asian Conference on Discharge)于2004年11月在中国深圳清华大学研究 生院举办。 w 第14届国际高电压工程学术会议(International Symposium on High Voltage Engineering) 于2005年 8月在北京清华大学召开 w 第16届气体放电及其应用国际会议(International Conference on Gas Discharges and thei
9、r Applications) 2006年由西安交通大学电力设备电气 绝缘国家重点实验室主办二. 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w (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 )w (2) 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w 1985年苏联建成1150kV线路,有5年运行经验。苏联 解体
10、后, 输电容量大幅减少, 目前降压为500kV运行 。w 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。w 美国在20世纪70年代建成两条试验线段: 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w 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。 w 1981年又建成了从河南平顶山湖北
11、武汉的 我国第一条全长595km的500kV线路。 w 西北330kV电网已饱和，我国第一条750kV工 程（青海官亭兰州东），2005年建成投运 。w 三峡水电站装机18.2GW(1820万kW), 输电电 压: AC500kV; DC500kV巴西伊泰普水电站12.6GW(已经运行20余年), 输电电压: AC765kV; DC600kV6. 我国在特高压输电的规划w 我国首个1000kV交流特高压试验示范工程 ，线路全长约650千米，包括三站两线，起 于山西省长治的1000千伏变电站，经河南省 南阳开关站，止于湖北省荆门变电站，联接 华北、华中两大电网，将于2008-2009年建 成。
12、w 纵贯南北的百万伏级输电通道将把华北和华 中紧密联系起来。到2020年前后，国家电网 特高压骨干网架基本形成，国家电网跨区输 送能力将超过亿千瓦，占全国总装机容量 的以上。三. 我国电力及高压输电发展的前景1. 我国发电装机容量增长的情况我国发电机装机容量及发电量预测年份装机容量（亿千瓦）发电量（万亿度）20033.720054.42201062.720209.64.22. 人均装机容量的差距w 2004年我国人均装机容量仅0.34kW w 约为经济合作与开发组织(OECD)成员国平 均值的1/5 w 约为美国的1/10 w 2020年我国装机容量将达900960GW, 那时 人均装机容量仍
13、低于世界平均水平3. 我国“西电东输”的三大通道:w 北线通道：联结西北、华北、山东等电网，将三 西（山西、陕西、内蒙西部、青海）的煤电基地 和黄河上游水电送往京津唐负荷中心。w 中线通道：以三峡为中心，实现川渝、华中、福 建电网联接，沿长江而下，把长江流域水电送往 华中，华东以及广东。w 西线通道：联结云、贵、桂及广东、港澳。把云 、贵、桂的水电（贵川火电为补充）向广东及港 澳负荷中心送电。4. 我国目前发电能源结构情况w 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%) w 我国2004年各类发电厂装
14、机容量见下表w 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%5. 我国台湾地区发电能源结构情况w 截止到2002年底，我国台湾地区电力系统的总装机 容量为3191.5万千瓦 w 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% w 水利发电厂有41座，装机容量为451.1万千瓦，占台 湾总装机容量的14.2% w 核能发电厂有3座，装机容量为514.4万千瓦，占台 湾总装机容量的16.1% (核四风波)6. 可再生能源发电(容量小,成本高)w 风力发电: 是新能源发电技术中
15、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130万kW) , 发电成 本约为火电的2倍. w 太阳能光伏发电: 成本还比较高, 目前最大的 太阳能社区仅1MW,发电成本约为火电的5倍 . w 潮汐发电; 地热能发电风力发电示意图7. 水电资源的开发潜力很大w 位于金沙江的溪洛渡水电站的设计装机 容量为12.6GW w 同在金沙江, 距离溪洛渡水电站不远的向 家坝水电站,设计装机容量为6GW w 西藏的雅鲁藏布江水域也大有开发潜力 w 金沙江下游四个水电站总装机容量达 3800万千瓦，其中一期工程包括溪洛渡 和向家坝两个梯级水电站，距离负荷中 心1000-2000公里，必须采用具备长距离 、大容量送电能力的特高压输电方式。四. 高电压技术在其他领域的应用1. 脉冲功率技术(Pulsed Power Techno-logy, 简称PPT)w 研究高电压、强电流、大功率脉冲的产生、传输和 应用的技术, 过去主要用于军事工业, 目前在民用工 业中也广泛采用 w 从20世纪70年代起, 得到迅速发展, 第一届IEEE脉冲 功率技术国际会议于1976年在美国召开, 现已成为
