高电压工程

1.5.1 高电压与绝缘技术的发展

高电压与绝缘技术是随着高电压远距离输电而发展起来的一个电气工程分支学科。高电压与绝缘技术的基本任务是研究高电压的获得以及高电压下电介质及其电力系统的行为和应用。人类对高电压现象的关注已有悠久的历史，但作为一门独立的科学分支是20世纪初为了解决高压输电工程中的绝缘问题而逐渐形成的，美国工程师皮克（F.W.Peek）在1915年出版的《高电压工程中的电介质现象》一书中首次提出“高电压工程”这一术语。20世纪40年代以后，由于电力系统输送容量的扩大，电压水平的提高以及原子物理技术等学科的进步，高电压和绝缘技术得到快速发展，20世纪60年代以来，受超高压、特高压输电和新兴科学技术发展的推动，高电压技术已经扩大了其应用领域，成为电气工程学科中十分重要的一个分支。

世界上最早于1890年在英国建成了一条长达45km的10kV输电线路，1891年，德国建造了一条从腊芬到法兰克福长175km的15.2kV三相交流输电线路，由于升高电压等级可以提高系统的电力的输送能力，降低线路损耗，增加传输距离，还可以降低电网传输单位容量的造价，随后高压交流输电得到迅速发展，电压等级逐次提高，输电线路经历了20kV、35kV、60kV、110kV、150kV、220kV的高压，287kV、330kV、400kV、500kV、735～765kV的超高压。20世纪60年代，国际上开始了对特高压输电的研究。1985年，前苏联首先建成了一条长达1 228km的交流1 150kV输电线路。除此之外，美、意、日、法、巴西等国家也很早就在这方面开始了研究。日本于20世纪90年代建成了一条长300km的1 000kV特高压输电线路。

与此同时，高压直流输电也得到快速发展。1954年，瑞典建成了从本土通往戈特兰岛的世界上第一条工业性直流输电线路，标志着直流输电进入了发展阶段。1972年，晶闸管阀（可控硅阀）在加拿大的伊尔河直流输电工程中得到采用。这是世界上首次采用先进的晶闸管阀取代原先的汞弧阀，从而使得直流输电进入了高速发展阶段。电压等级由±100kV、±250kV、±400kV、±500kV发展到±750kV。一般认为高压直流输电适用于以下范围：长距离、大功率的电力输送，在超过交、直流输电等价距离时最为合适，如图1.5.1所示；海底电缆送电；交、直流并联输电系统中提高系统稳定性（因为HVDC可以进行快速的功率调节）；实现两个不同额定功率或者相同频率电网之间非同步运行的连接；通过地下电缆向用电密度高的城市供电；为开发新电源提供配套技术。

图1.5.1 交、直流输电系统的费用与输电距离的关系

目前国际上高压一般指35～220kV的电压；超高压一般指330kV以上、1 000kV以下的电压；特高压一般指1 000kV及以上的电压。而高压直流（HVDC）通常指的是±600kV及以下的直流输电电压，±600kV以上的则称为特高压直流（UHVDC）。

我国的高电压技术的发展和电力工业的发展是紧密联系的。在1949年新中国成立以前，电力工业发展缓慢，从1908年建成的石龙坝水电站—昆明的22kV线路到1943年建成的镜泊湖水电站—延边的110kV线路，中间出现过的电压等级有33kV、44kV、66kV以及154kV等。输电建设迟缓，输电电压因具体工程不同而不同，没有具体标准，输电电压等级繁多。新中国建立以后，我国才逐渐形成了经济合理的电压等级系列。1952年，我国开始自主建设110kV线路，并逐步形成京津唐110kV输电网。1954年建成丰满－李石寨220kV输电线，接下来的几年逐步形成了220kV东北骨干输电网。1972年，建成330kV刘家峡－关中输电线路，并逐渐形成西北电网330kV骨干网架。1981年，建成500kV姚孟－武昌输电线路，开始形成华中电网500kV骨干网架。1989年，建成±500kV葛洲坝－上海超高压直流输电线路，实现了华中、华东两大区域电网的直流联网。

由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重要负荷中心距离很远，因此，我国的送电格局是“西电东送”和“北电南送”。云广特高压±800kV直流输电工程是西电东送项目之一，也是世界首条±800kV直流输电工程。该输电工程西起自云南楚雄变电站，经过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变电站。晋东南—南阳—荆门1 000kV特高压输电工程是北电南送项目之一，全长645km，变电容量两端各3 000kVA。该工程连接华北和华中电网，北起山西的晋东南变电站，经河南南阳开关站，南至湖北的荆门变电站。该电网既可将山西火电输送到华中缺能地区，也可在丰水期将华中富余水电输送到以火电为主的华北电网，使水火电资源分配更加合理。国家电网公司计划在十一五末和十二五期间，建成一个两横两纵的特高压输电线路，两横两纵的线路长度都在2 000km以上，两横中的一条是把四川雅安的水电送到江苏南京，另一条是把内蒙西部的火电送到山东潍坊；两条纵线分别是陕北到长沙，内蒙到上海。之后，逐步建成国家级特高压电网，全国大范围地变输送煤炭为输送电力，比较彻底地解决高峰期各地缺电的问题。预计2020年前后，煤电基地通过特高压电网输送的总容量可以达到1.05×109kW，可有效减轻煤炭运输的压力。特高压电网建成后，我国将形成以1 000kV交流输电网和±800kV直流系统为骨干网架、与各级输配电网协调发展的现代化大电网。

1.5.2 高电压与绝缘技术的研究内容

高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究高电压的产生，在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备与方法，电力系统过电压及其限制措施，电磁环境及电磁污染防护，以及高电压技术的应用等。

1.高电压的产生

根据需要人为地获得预期的高电压是高电压技术中的核心研究内容。这是因为在电力系统中，在大容量、远距离的电力输送要求越来越高的情况下，几十万伏的高电压和可靠的绝缘系统是支撑其实现的必备的技术条件。

电力系统一般通过高电压变压器、高压电路瞬态过程变化产生交流高电压，直流输电工程中采用先进的高压硅堆等作为整流阀把交流电变换成高压直流电。一些自然物理现象也会形成高电压，如雷电、静电。高电压试验中的试验高电压由高电压发生装置产生，通常有发电机、电力变压器以及专门的高电压发生装置。常见的高电压发生装置有：由工频试验变压器、串联谐振实验装置和超低频试验装置等组成的交流高电压发生装置；利用高压硅堆等作为整流阀的直流高电压发生装置；模拟雷电过电压或操作过电压的冲击电压电流发生装置。图1.5.2所示为户外高电压发生装置。

图1.5.2 户外高电压发生装置

2.高电压绝缘与电气设备

在高电压技术研究领域内，不论是要获得高电压，还是研究高电压下系统特性或者在随机干扰下电压的变化规律，都离不开绝缘的支撑。

高电压设备的绝缘应能承受各种高电压的作用，包括交流和直流工作电压、雷电过电压和内过电压。研究电介质在各种作用电压下的绝缘特性、介电强度和放电机理，以便合理解决高电压设备的绝缘结构问题。电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用的，按其物质形态，可分为气体介质、液体介质和固体介质三类。在实际应用中，对高压电气设备绝缘的要求是多方面的，单一电介质往往难以满足要求，因此，实际的绝缘结构由多种介质组合而成。电气设备的外绝缘一般由气体介质和固体介质联合组成，而设备的内绝缘则往往由固体介质和液体介质联合组成。

过电压对输电线路和电气设备的绝缘是个严重的威胁，为此，要着重研究各种气体、液体和固体绝缘材料在不同电压下的放电特性。

3.高电压试验

高电压领域的各种实际问题一般都需要经过试验来解决，因此，高电压试验设备、试验方法以及测量技术在高电压技术中占有格外重要的地位。电气设备绝缘预防性试验已成为保证现代电力系统安全可靠运行的重要措施之一。这种试验除了在新设备投入运行前在交接、安装、调试等环节中进行外，更多的是对运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查，以便及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然。

绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，就其存在的形态而言，绝缘缺陷可分为两大类。第一类是集中性缺陷，这是指电气设备在制造过程中形成的局部缺损，如绝缘子瓷体内的裂缝、发电机定子绝缘层因挤压磨损而出现的局部破损、电缆绝缘层内存在的气泡等，这一类缺陷在一定条件下会发展扩大，波及整体。第二类是分散性缺陷，这是指高压电气设备整体绝缘性能下降，如电机、变压器等设备的内绝缘材料受潮、老化、变质等。

绝缘内部有了缺陷后，其特性往往要发生变化，因此，可以通过实验测量绝缘材料的特性及其变化来查出隐藏的缺陷，以判断绝缘状况。由于缺陷种类很多、影响各异，所以绝缘预防性试验的项目也就多种多样。高电压试验可分为两大类，即非破坏性试验和破坏性试验。

电气设备绝缘试验主要包括绝缘电阻及吸收比的测量，泄漏电流的测量，介质损失角正切tanδ的测量，局部放电的测量，绝缘油的色谱分析，工频交流耐压试验，直流耐压试验，冲击高电压试验，电气设备的在线检测等。每个项目所反映的绝缘状态和缺陷性质亦各不相同，故同一设备往往要接受多项试验，才能作出比较准确的判断和结论。

4.电力系统过电压及其防护

图1.5.3 金属氧化物避雷器

研究电力系统中各种过电压，以便合理确定其绝缘水平是高电压技术的重要内容之一。电力系统的过电压包括雷电过电压（又称大气过电压）和内部过电压。雷击除了威胁输电线路和电气设备的绝缘外，还会危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶和油库等设施的安全。目前，人们主要是设法去躲避和限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈和自动重合闸等防雷保护装置。避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压。避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压，有管型和阀型两种。现在广泛采用金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器），如图1.5.3所示。电力系统对输电线路、发电厂和变电所的电气装置都要采取防雷保护措施。

电力系统内过电压是因正常操作或故障等原因使电路状态或电磁状态发生变化，引起电磁能量振荡而产生的。其中，衰减较快、持续时间较短的称为操作过电压；无阻尼或弱阻尼、持续时间长的称为暂态过电压。

过电压与绝缘配合是电力系统中一个重要的课题，首先需清楚过电压的产生和传播规律，然后根据不同的过电压特征决定其防护措施和绝缘配合方案。随着电力系统输电电压等级的提高，输变电设备的绝缘部分占总设备投资的比重越来越大。因此，采用何种限压措施和保护措施，使之在不增加过多的投资前提下，既可以保证设备安全使系统可靠地运行，又可以减少主要设备的投资费用，这个问题归结为绝缘如何配合的问题。

1.5.3 高电压与绝缘技术的应用

高电压与绝缘技术在电气工程以外的领域得到广泛的应用，如在粒子加速器、大功率脉冲发生器、受控热核反应研究、磁流体发电、静电喷涂和静电复印等都有应用。下面作简单的介绍。

1.等离子体技术及其应用

所谓等离子体，指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有几乎相同数量的自由电子和阳极电子。等离子体可分为两种，即高温和低温等离子体。高温等离子体主要应用有温度为102～104eV（1～10亿摄氏度，1eV＝11 600K）的超高温核聚变发电。现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域：等离子体电视；等离子体刻蚀，如电脑芯片中的蚀刻；等离子体喷涂；制造新型半导体材料；纺织、冶炼、焊接、婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性；等离子体隐身技术在军事方面还可应用于飞行器的隐身。

2.静电技术及其应用

静电感应、气体放电等效应用于生产和生活等多方面的活动，形成了静电技术，它广泛应用于电力、机械、轻工等高技术领域，如静电除尘广泛用于工厂烟气除尘，静电分选可用于粮食净化、茶叶挑选、冶炼选矿、纤维选拣等，静电喷涂、静电喷漆广泛应用于汽车、机械、家用电器，静电植绒，静电纺纱，静电制版，还有静电轴承、静电透镜、静电陀螺仪和静电火箭发电机等应用。

3.在环保领域的应用

在烟气排放前，可以通过高压窄脉冲电晕放电来对烟气进行处理，以达到较好的脱硫脱硝效果。并且在氨注入的条件下，还可以生成化肥。在处理汽车尾气方面，国际上也在尝试用高压脉冲放电产生非平衡态等离子体来处理。在污水处理方面，采用水中高压脉冲放电的方法，对废水中的多种燃料能够达到较好的降解效果。在杀毒灭菌方面，通过高压脉冲放电产生的各种带电粒子和中性粒子发生的复杂反应，能够产生高浓度的臭氧和大量的活性自由基来杀毒灭菌。通过高电压技术人工模拟闪电，能够在无氧状态下，用强带电粒子流破坏有毒废弃物，将其分解成简单分子，并在冷却中和冷却后形成高稳定性的玻璃体物质或者有价金属等，此技术对于处理固体废弃物中的有害物质效果显著。

4.在照明技术中的应用

气体放电光源是利用气体放电时发光的原理制成的光源。气体放电光源中，应用较多的是辉光放电和弧光放电现象。辉光放电用于霓虹灯和指示灯，弧光放电有很强的光通量，用于照明光源，常用的有荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和氙灯等气体放电灯。气体放电用途极为广泛，在摄影、放映、晒图、照相复印、光刻工艺、化学合成、荧光显微镜、荧光分析、紫外探伤、杀菌消毒、医疗、生物栽培、等方面也都有广泛的应用。

此外，在生物医学领域，静电场或脉冲电磁场对于促进骨折愈合效果明显。在新能源领域，受控核聚变、太阳能发电、风力发电以及燃料电池等新能源技术得到飞跃发展。