高电压与绝缘技术概述ppt课件

高电压技术 1 1 世界电压等级的发展与提高 2 高压电网向特高压电网发展的历程 1875年 法国巴黎建成世界上第一座发电厂 标志着世界电力时代的到来 1891年 在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机 它发出的三相交流电通过第一条13 8kV输电线将电力输送到远方用电地区 使电力既用于照明 又用于动力 从而开始了高压输电的时代 1879年 中国上海公共租界点亮了第一盏电灯 1882年 第一家电业公司 上海电气公司成立 100多年来 输电电压由最初的13 8kV逐步发展到20 35 66 110 134 220 330 345 400 500 735 750 765 1000kV 3 输电电压一般分高压 超高压和特高压 高压 HV 35 220kV 超高压 EHV 330 750kV 特高压 UHV 1000kV及以上 高压直流 HVDC 600kV及以下 特高压直流 UHVDC 600kV以上 包括 750kV 和 800kV 1908年 美国建成了世界第一条110kV输电线路 经过15年 于1923年 第一条230kV线路投入运行 1954年建成第一条345kV线路 从230kV电压等级到345kV电压等级经历了31年 在345kV投运15年后 1969年建成了765kV线路 高压电网向特高压电网发展的历程 4 1952年 瑞典建成世界上第一条380kV超高压线路 1965年 加拿大建成世界第一条735kV超高压线路 1952年 前苏联建成第一条330kV线路 1956年建成400kV线路 1967年建成750kV线路 从330kV电压等级发展到750kV电压等级用了15年时间 欧洲和美国 在超高压输电方面 主要发展345kV 380kV和750kV电压级 500kV线路发展比较慢 1964年 美国建成第一条500kV线路 从230kV到500kV输电 时间间隔达36年 前苏联的500kV电压等级是在400kV基础上升级发展起来的 1964年 建成完善的500kV输电系统 高压电网向特高压电网发展的历程 5 1985年 前苏联建成世界上第一条1150kV特高压输电线路 从500kV电压等级到1150kV电压等级用了20年时间 中国 1949年前 电力工业发展缓慢 输电电压按具体工程决定 电压等级繁多 1908年建成22kV石龙坝水电站至昆明线路 1921年建成33kV石景山电厂至北京城的线路 1933年建成抚顺电厂的44kV出线 1934年建成66kV延边至老头沟线路 1935年建成抚顺电厂至鞍山的154kV线路 1943年建成110kV镜泊湖水电厂至延边线路 高压电网向特高压电网发展的历程 6 中国 1949年新中国成立后 按电网发展统一电压等级 逐渐形成经济合理的电压等级系列 高压电网向特高压电网发展的历程 1952年 用自主技术建设了110kV输电线路 逐渐形成 京津唐110kV输电网 1954年 建成丰满至李石寨220kV输电线路 随后继续建设辽宁电厂至李石寨 阜新电厂至青堆子等220kV线路 迅速形成东北电网220kV骨干网架 1972年建成330kV刘家峡 关中输电线路 全长534km 随后逐渐形成西北电网330kV骨干网架 1981年建成500kV姚孟 武昌输电线路 全长595km 7 为适应葛洲坝水电厂送出工程的需要 1983年又建成葛洲坝 武昌和葛洲坝 双河两回500kV线路 开始形成华中电网500kV骨干网架 1989年建成 500kV葛洲坝 上海高压直流输电线 实现了华中 华东两大区的直流联网 高压电网向特高压电网发展的历程 中国 在逐渐形成330kV和500kV区域输电骨干网架的同时 于20世纪80年代初开始了330kV和500kV以上更高电压等级的论证 1984年 国家明确提出500kV以上的输电电压为1000kV特高压 330kV以上的输电电压为750kV 2005年9月 中国在西北地区 青海官亭 兰州东 建成了一条750kV输电线路 长度为140 7km 输 变电设备 除GIS外 全部为国产 8 电网发展的历史表明 相邻两个电压等级的级差 在一倍以上是经济合理的新的更高电压等级的出现时间一般为15 20年 前苏联1150kV输电线路的运行表明 特高压输电技术和设备 经过20年的研究和开发 到20世纪80年代中期 已达到用于实际的特高压输电工程的要求 高压电网向特高压电网发展的历程 9 用电负荷增长是促进超高压电网向特高压电网发展的最主要因素 提高电压等级的技术依据 通常用自然功率来粗略地比较其的输电能力 自然功率 在输电线路末端接上相当于线路波阻抗负荷时 线路所输送的功率 输电电压等级与输送的自然功率 提高电压等级可以实现大功率 远距离的输送电力 10 提高电压等级可以实现大功率 远距离地输送电力 提高电压等级的技术依据 由于大容量发电厂供电范围的扩大和需要燃料的增加以及环保要求的提高等 电厂厂址宜建在远离负荷中心的煤矿坑口 大的集运港口和道口及大河沿岸 并形成发电基地或电源中心 以较低的电煤价格降低发电成本 大电厂的建设根据环保的要求 在能源基地建电厂时 各大容量规模厂应相距50km左右 同时形成总容量6000 10000MW的发电中心为宜 11 提高电压等级的技术依据 通常按未来20 30年输电网不同的平均输送容量和不同的平均输电距离的要求 以1 2个电压等级进行输电能力分析 作出不同方案的每KW电力的输电成本曲线 以各成本曲线的经济平衡点或平衡区决定更高电压的标称值 世界各国在选择345kV和500kV以上的更高电压等级时 分析比较 并进行了大量的计算得出结论 330kV 345kV 电网 选用750kV 765kV 平均输电距离300km及以上 500kV电网 选用1000kV 1100kV 平均输送距离500km及以上 12 提高电压等级的技术依据 发电能源与用电负荷地理分布不均衡 经济发达地区 用电需求增长快 往往缺乏一次能源 具有丰富一次能源 如矿物燃料 水电资源的地区 用电增长相对较慢或人均用电水平较低 加拿大 美国 俄罗斯 巴西和中国等国都存在这种不平衡情况 这种不平衡情况增加了远距离大容量输电和电网互联的需求 13 提高电压的效果 提高输送功率 提高输送距离 降低线路损耗 节省线路走廊 降低线路造价 长距离输电可联接地域网有利于电力调度 降低工作电流和系统短路电流 利于系统运行和降低设备造价 例如 输送750万千伏安容量的电力345kV电压等级需 七条双回线走廊宽度为221 5m1200kV电压等级需 仅用一条单回线走廊宽度为91 5m即 可提高单位走廊宽度输送容量不同电压等级线损不同电压等级传输能量曲线 14 R 其中I P 三相线损 P 3I2RP3Ucos lS P2 lU2Scos2 P2lU2S P 传输功率U 线路电压 R 导线电阻 导线电阻率l 导线长度S 导线截面积 15 东北电网 川渝电网 华北电网西北电网华东电网 华中电网南方电网 500kV330kV220kV热电厂水电站核电站 我国电网基本框架 16 我国的发电一次能源主要分布西部地区 而电力消费主要集中在中 东部和南部地区 西电东送 南北互供 发展全国联网是解决我国能源分布与电力消费矛盾的重要措施 并将形成北 中 南三个输电通道 17 电力系统的构成 电厂 输电网 配电网 用户 升压 变电站 降压 变电站 箱式 变电站 18 19 变压器 电力电缆 发电机GIS 电容性设备 高压电气设备 20 停电原因 21 1981 1990年间 我国主要电网有近1 3的电网事故的直接起因是设备故障损坏所造成的 而在 八五 期间 由设备故障直接引发的电网事故占事故总量的26 3 可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键 现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其 绝缘的可靠性 22 高电压工程的主要问题 电力工业与高电压技术 的密切关系 23 概述 研究对象 研究内容 研究意义 24 24 25 1 研究对象 高电压技术 是以绝缘和过电压为研究对象的一门学科 它的任务主要是研究和解决电力系统中高压线路和电气设备的绝缘和过电压问题 它是一门新兴学科 是随着高电压远距离输电而发展起来的 25 26 1 1绝缘 输电线 变压器 电机和其他电气设备的载流部分与接地部分之间 相间或直流电压下的极间都应有可靠的绝缘 作为绝缘的各种电介质有气体介质 液体介质和固体介质 在运行中绝缘除了需隔离正常的工作电压外 还要能承受短时过电压的作用 绝缘体 隔离不同电位的带电导体的物质 又称为电介质 26 27 1 2过电压 1 工作电压 即额定电压 是国家根据国民经济的发展水平 经过技术的 经济的比较后确定的电压 工作电压 kV 高电压 1 3 6 10 35 110 220kV 超高电压 330 500 750kV 特高电压 1000kV及以上 27 28 过电压 电力系统中异常的电压升高 过电压 kV 外部过电压 由雷电和雷击电力系统引起 幅值很高 兆伏级 持续时间较短 内部过电压 由系统内部暂态过程引起 幅值不大 2 4倍工作电压 持续时间较长 1 2过电压 2 28 29 2 研究内容 绝缘问题的研究 过电压问题的研究 高电压试验与测量技术的研究 29 绝缘的定义 将不同电位的导体分隔开来 使它们能够保持各自的电位 绝缘的作用 只让电荷沿导线方向移动 而不让它往其他任何方向移动 这是高电压技术中最关键的问题 研究绝缘的目的 提高绝缘能力绝缘研究的问题 研究各类绝缘材料 气 液 固 在电场作用下的电气性能 极化 电导 损耗等 尤其是在强电场中的击穿特性及其规律 以便研究出可靠的绝缘材料 合理的绝缘结构 电气设备绝缘的费用 f U3 电压越高绝缘上的投资越大 2 1绝缘问题的研究 30 绝缘问题 绝缘材料 研究各种绝缘材料在高电压下的各种性能 现 象以及相应的过程 理论 绝缘结构 电场结构 同一种材料在不同的绝缘结构下的外在表现 电压形式 同样材料 结构 不同电压下绝缘性能不相同 31 过电压研究的问题 过电压产生的机理 幅值和波形特点 影响过电压的因素及限制过电压的措施 研究过电压的目的 降低作用在设备上的各种过电压 进行绝缘配合 绝缘配合 根据设备在系统中可能承受的各种电压 工作电压和过电压 并考虑限压装置的特性和设备的绝缘特性来确定必要的耐受强度 以便把作用在设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率降低到经济上和运行上能接受的水平 32 2 2过电压问题的研究 32 过电压防护问题外过电压 雷电过电压 内过电压 工频过电压 谐振过电压操作过电压老化 污秽 在运行电压及过电压下 保护装置 分析各类过电压的特点及形成条件 研究各种保护装置及其保护特性 33 绝缘配合 中心问题 解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾 将电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平 绝缘配合的原则 绝缘配合的方法 34 研究的目的 研制高电压测试设备为了对设备的绝缘能力进行考核 需采用试验的方法研究其击穿机理 影响因素以及检测电气设备耐受水平 设备生产厂家和电力运行部门都需按其相应规定的绝缘水平对每台电气设备进行试验 所以要对高压试验技术进行研究 研究的问题 研究如何产生电网中可能出现的各种形式的高电压 直流 交流 冲击 及其测量方法 如何在不对绝缘造成损坏的情况下对绝缘的电气性能 极化 电导 损耗等 进行测量并对其绝缘状况进行判断 35 2 3高电压试验与测量技术的研究 35 试验问题 各种经济 灵活的高电压发生装置 电气设备各种绝缘试验项目的设计 预防性试验 在线监测 故障诊断 状态维修 高电压的测量 高强量 微弱量 快速量 36 电磁环境问题 电磁兼容 更多的电子及微电子设备对强电系统进行保护和监 控 其对暂态干扰具有明显的敏感性和脆弱性 强电系统电压高 容量大 对弱电系统产生更加强烈的 电磁干扰 开展关于如何限制弱电系统内的暂态干扰电压的试验及 研究工作 生态效应 37 高电压技术在其它领域中的应用 材料表面处理 刻蚀 薄膜沉积 医疗器具消毒 臭氧生成 化学合成 废气处理 果蔬汁灭菌保鲜 大功率气体激光器等离子体减阻新型光源等离子体隐形定向能武器 电磁炮 干扰弹等 38 老化 在高电压与长期工作运行的环境中绝缘性能下降 面临的危害 高电压技术的主要内容解决电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾 研究的出发点 如何将电力系统绝缘确定在既经济又可靠的水平 过电压 受到雷电过电压 内部过电压和谐振过电压的作用 电力系统绝缘所 39 高电压技术的主要内容 如何将电力系统绝缘所受各种过电压限制在最低水平 并掌握各种绝缘 气体 液体 固体 及其绝缘结构在各种电压作用下的所有特性 确保电力设备安全可靠地运行是高电压技术的研究课题 40 1 绝缘体 电介质的电气特性和相关物理量 导电性 电导G 绝缘强度 绝缘击穿场强E击 介质极化 相对介电常数 r 介质损耗 介质损耗角正切tg 41 电气绝缘 气体 液体 固体及组合绝缘 在运行状态所受各种因素 温度 频率 场强 的影响其特性的变化 长期老化的机理等 电气绝缘及其结构 包括均匀与极不均匀场 在各种外施电场 直流 交流 雷电与操作过电压等 中的放电机理和击穿特性 42 2 雷电过电压和内部过电压的成因 限制措施及防护 研究如何将过电压限制在最低水平 3 绝缘水平与绝缘配合的制定4 电气设备绝缘预防性试验 5 电气设备在线检测和监测与故障诊断技术6 电气设备状态维修技术 43 44 3 研究意义 另外 高电压技术也广泛应用于原子物理 大功率激光技术 高压静电场等研究领域内 我国目前已拥有北京 西安 武汉等高电压试验研究中心 绝缘问题的影响 电气设备 输电线路工作电压的提高 电力系统的经济性 电力系统的安全 可靠 研究意义 将电能大容量 远距离 低损耗地输送到用户 提高电力系统运行的经济效益 限制过电压 提高电气设备的耐压水平 保持电网运行的安全 可靠性 44 在目前电力工程类专业的教学计划中 高电压技术 是唯一研讨电力系统过电压和绝缘问题的一门课程 实属强电方面各个专业学生知识结构中不可或缺的组成部分 以实验为基础 具有理论性强 实践性强 跨学科多的特点 高电压技术 特点 45 电气 电子工程学现状和高电压与绝缘技术所处位置 46 参考教材 高电压技术 马永翔编著 北京大学出版社 2009年 高电压技术 赵玉林编著 中国电力出版社 2008年 高电压技术 周泽存编著 中国电力出版社 2007年 47