1、第4章 高电压与绝缘技术,高电压技术简介,高电压技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究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及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。,高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展（如X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等）都有重大影响，工程上把1000伏及以上的交流供电电压称为高电压。 高电压技术所涉及的高电压类型有直流电压、工频交流电压和持续时间为毫秒级的操作过电压、微秒级的雷电过电压、纳秒级的核致电磁脉
2、冲（NEMP）等。,高电压技术简介,20世纪以后，随着电能应用的日益广泛，电力系统所覆盖的范围越来越大，输电电压等级不断提高，输电线路经历了35、60、110、150、230千伏的高压，287、400、500、735765千伏的超高压和1150千伏的特高压的发展。直流输电也经历了100 、250、400、450、500以及750千伏的发展。 这几个阶段都与高电压技术解决了输电线路的电晕现象、过电压的防护和限制以及静电场、电磁场对环境的影响等问题密切相关。这一发展过程以及物理学中各种高电压装置的研制又促进了高电压技术的进步。,高电压技术解决了输电线路的电晕现象、过电压的防护和限制以及静电场、电磁
3、场对环境的影响等问题密切相关,鄂东某500千伏变电站,为了适应大城市电力负荷增长的需要，以及克服城市架空输电线路走廊用地的困难，地下高压电缆输电发展迅速，由220、275、345千伏发展到70年代的400、500千伏电缆线路；同时为减少变电所占地面积和保护城市环境，气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear 简称GIS）,天生桥水电站550kV GIS,高电压技术可大致分为电力系统过电压及其限制，高电压绝缘特性研究，高电压试验设备、方法和测量技术等几个方面。,我国：超高压电网：指交流330kV、500kV、750kV电网和直流500kV输电系统； 特高压电网是指交
4、流1000kV电网和直流800kV输电系统,电力系统过电压及其限制 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。 电力系统的过电压包括外过电压(又称雷电过电压)和内过电压。 一般雷电过电压幅值远超过系统的额定工作电压，但作用时间较短，平均波长时间为30微秒。雷击除了威胁输电线路和电工设备的绝缘外，还会危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等设施的安全。因此，这些方面的防雷也属于高电压技术的研究对象。,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
5、续时间长的称为暂态过电压。 对110220千伏电力系统 ，内过电压水平一般取3倍最大工作电压；对330500千伏电力系统，取2 2.5倍；对特高压电力系统，完全有可能将过电压限制到1.51.8倍。,高电压绝缘特性研究高压电工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，以便合理解决电工设备的绝缘结构问题是高电压技术的重要内容。,过电压对输电线路和电工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。其中气体包括大气条件下的空气、压缩空气、六氟化硫气体及高真
6、空等常用作输电线路和电工设备绝缘及其他用途的材料。 研究如何提高气体绝缘的放电电压，研究影响气体放电的各种因素，对确保电工设备的经济合理和安全运行都有重要的意义。,随着电压等级的提高，工作电压对绝缘特性的影响越来越重要。在工作电压作用下超高压输电线路和电工设备的电晕放电、局部放电、绝缘老化、静电感应、无线电干扰、噪声等现象都是高电压技术研究的课题。,高电压试验设备、方法和测量技术 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。,常见的高电压发生装置有： 由工频试验变压器及其调压设备等组成的工频试验设备。 模拟雷电过
7、电压或操作过电压的冲击电压发生装置。 利用高压硅堆等作为整流阀的高压直流发生装置。,试验变压器,工频耐压试验现场,高压测量设备,高压静电电压表,高压球隙,进行高电压试验需要有正确的试验方法，如耐压试验、介质损耗试验、局部放电试验等。对不同类型的高电压需采用不同的测量装置。如测量直流电压或低频交流电压的有效值用高压静电电压表；测单次短脉冲用高压示波器。常用的高电压测量装置还有各种分压器、分流器、局部放电仪等。 60年代以后，光电测试技术引入高电压领域，避免了高电压传到低电压的测量系统而引起的危险和电磁场对低电压测量系统的干扰。,60年代后期以后，高电压技术在电工以外的领域得到广泛的应用 ，同时也
8、不断采用新技术以发展自身。 前者主要指高电压技术在粒子加速器 、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、静电复印等方面的应用；后者包括利用电子计算机计算电力系统的暂态过程和变电所的波过程，利用激光技术进行高电压下大电流的测量等。,另一方面，高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电以及高压直流输电继续起着重要的推动作用。 此外，美国、前苏联的一些学者还利用电力电子技术的新成就，对现有的超高压电网进行技术改造和扩大传输容量的研究。,4.2 高电压与绝缘技术的基本任务及特点,研究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
9、及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压在其它领域的应用等。,第一、实验性强； 第二，理论性强； 第三、交叉性强,基本任务,4.3 高电压与绝缘技术的理论基础及主要研究内容,一、高电压与绝缘技术的理论基础：,绝缘介质的放电和击穿理论与相关的理论知识 (1) 气体（主要包括大气条件下的空气、压缩空气、六氟化硫SF6气体及高真空）放电过程的规律； (2) 不同电压形式下各种气体电介质的绝缘特性； (3) 绝缘子的沿面放电、污秽放电； (4) 液体、固体电介质的极化、电导与损耗以及击穿理论； (5) 液体、固体电介质的老化机理。,二、高电
10、压与绝缘技术的主要研究内容,1、高电压绝缘特性研究和绝缘诊断； 2、过电压及其防护 ； 3、高电压试验设备、方法和测量技术,直击雷防护产品和接地极,以硅橡胶为主要材料的复合绝缘子,1200kV直流电压发生装置,2400kV冲击电压发生器,4.4 我国高等学校的高电压与绝缘技术专业,高电压与绝缘技术方向为本科电气工程及其自动化大专业下的一个专业方向。,研究生阶段，高电压与绝缘技术专业是研究生专业目录中电气工程一级学科下的一个二级学科。其它的四个二级学科分别是电机与电器、电力系统及其自动化、电力电子与电力传动和电工理论与新技术。,4.5 高电压新技术及其在其它领域中的应用,等离子体,线爆技术,高电
11、压新技术的应用领域,高功率脉冲技术,线爆技术：强大的电流通过金属线时，会使金属线熔化、气化、爆炸，产生很强的力学效应及光、电、热和电磁效应,高功率脉冲技术：高功率脉冲技术是研究高电压、大电流、高功率窄脉冲的产生和应用的技术,液电效应：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,等离子体：等离子体，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,关于防雷保护,几个概念,雷害：指由雷云放电引起的自然界普遍存在的一种自然灾害。它可以引发森林火灾、使石油库或炸药库等易燃易爆设施起火、使建筑物及其内部的各种现代设施（
12、主要是各种弱点和微电子设备）受到损坏。 雷电过电压：是由雷云放电引起的电力系统供电线路以及发、变电站的电气设备上出现远高于其正常工作电压的电压升高，亦称为大气过电压。它不仅会危害供电线路以及各种电气设备，还会导致大面积停电，引起重大经济损失。雷电过电压事故在电力系统事故中占有很大的比例。,几个概念,雷暴日：在一天中只要听到雷声就算作是一个雷暴日。在我国大部分地区一个雷暴日约为3个雷暴小时（即在一个小时内听到雷声就算一个雷暴小时）。 雷区分类：少雷区（平均雷暴日不超过15的地区）；中雷区（超过15单不超过40的地区）；多雷区（超过40但不超过90的地区）；强雷区（超过90的地区或者根据运行经验雷
13、害特别严重的地区）。如海南省及雷州半岛雷电活动频繁而强烈，年平均雷暴日高达100133。 落雷密度：每平方公里每雷暴日的地面落雷次数。我国电力行业标准中，落雷密度去0.07。,几个概念,直击雷、感应雷过电压：雷云对地放电时，不但会使受雷电直击的线路或设备上产生过电压，也会在雷击点附近未受雷击的线路或设备上形成过电压，前者称为直击雷过电压，后者称为感应雷过电压。,几个概念,流动波过电压：当架空线在直击雷或感应雷作用下出现过电压时，过电压波将沿导线向两侧传播，并伴有电流的传播。一般来说，这些流动波过电压的幅值可达到几千千伏，当它沿导线传播到电气设备时，必将危及电设备的绝缘。,防雷装置,常用的防直接
14、雷的装置是：避雷针和避雷线。它们是由导体制成，比被保护设备为高，且具有良好的接地装置。避雷针（线）的作用是将雷吸引到自己身上并安全导入地中。 常用的防进行波过电压的装置是避雷器。避雷器与被保护设备并联，其作用是释放过电压能量，限制过电压水平，从而保护设备的绝缘。目前使用最广泛的避雷器是氧化锌避雷器。,避雷针包括：接闪器、引下线和接地体。接闪器可以用1012mm的圆钢，引下线可用6mm的圆钢，接地体一般采用互距5m的3根2.5m长40mm*40mm*4mm的角钢打入地下再并联后与引下线做可靠连接。,避雷针,避雷线由悬挂在空中的水平接地导线、接地引下线和接地体（接地电极）组成。避雷线主要用来保护线
15、路。其吸雷作用及保护宽度均比避雷针要小，但避雷线的保护长度是与线等长的，故特别适合保护架空线路或大型建筑物。,避雷线,避雷线,避雷器是一种过电压限制装置。使用时安装在被保护设备附近，接在被保护设备相线与地之间。,避雷器,架空输电线路防雷,在线路防雷设计中把线路绝缘不发生闪络的的最大雷电流幅值叫耐雷水平。我国规程规定的各级电压线路的耐雷水平值见表。由表可以看出线路防雷只要求有相对的安全，即可以允许有一部分雷击引起绝缘闪络。,架空输电线路防雷,为了降低雷绕击导线的概率，通常330500kV线路采用双避雷线（保护角不同）；山区的220kV线路也采用双避雷线；平原的220kV及110kV线路可用单避雷
16、线。 35kV及以下的线路，因其绝缘很弱，装避雷线对限制感应雷过电压的效果不大，所以一般不沿全线装设避雷线。 增加绝缘子片数亦可提高线路的防雷水平，但这会增加费用（包括绝缘子和杆塔），一般不会采取这种办法。 降低杆塔的接地电阻是提高线路耐雷水平的最经济的办法。,电力系统接地,电力系统接地主要分为三种：防雷接地，工作接地和保护接地。 防雷接地：以把强大的雷电流安全导入大地为目的的接地。防雷接地要求接地电阻值在130。 工作接地：因电力系统正常运行方式的需要而设置的接地。通常要求接地电阻为0.510。 保护接地：为保证人身安全而设置的接地，如高压电气设备的金属外壳接地。要求接地电阻为110。,接地
17、体,输电线路杆塔和避雷针的防雷接地常采用占地面积不大的垂直接地体和水平接地体。在一般土壤中，单根长度为2.5m的垂直接地体的工频接地电阻约为30。如果单根接地体不能满足需求时，可以用多根垂直接地体并联。,4.7 特高压输电,特高压电压等级的选择大容量远距离输电的需求，使电网电压等级迅速向超高压330kV、345kV、400kV、500kV、735kV、750kV、765kV发展；20世纪60年代末，开始进行1000kV（1100kV、1150kV）电压等级和1500kV电压等级特高压输电工程的可行性研究和特高压输电技术的研究和开发。更高电压等级的出现时间用了1520年。,48,特高压电网发展的
18、影响因素,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，还有如下因素： 发电机和发电厂规模经济性与电厂厂址不断增长的用电需求促进发电技术，包括火力、水力和核电发电技术向单位千瓦造价低、效率高的大型、特大型发电机组发展。美国第一台300MW、500MW、1000MW、1150MW和1300MW汽轮发电机组分别于1955年、1960年、1965年、1970年和1973年投入运行。前苏联第一台300MW、500MW、800MW和1200MW汽轮发电机组分别于1963年、1967年、1971年和1980年投入运行。,49,特高压电网发展的影响因素,由于大容量发电厂供电范围的扩大和需要燃料的
19、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600010000MW的发电中心为宜。,50,特高压电网发展的影响因素,在20世纪60年代至80年代初，曾规划和建设容量达500010000MW的发电中心。核电站按规模经济建设20006000MW的发电中心。在远离负荷中心的地区建设大型水电站及梯级电站，从而形成水力发电中心。从超高压和特高压各电压等级的输电能力可看出，大型和特大型机组及相应的大容量电厂
20、的建设更增加了特高压输电的需求。,51,特高压电网发展的影响因素,燃料、运输成本和发电能源的可用性未来的燃料和运行成本以及各种燃料的可用性，对电源的总体结构和各种发电电源在地域上的布局有重要影响。对于同一种燃料来说，运送燃料到负荷中心地区发电，还是在燃料产地发电并以远距离输电向负荷中心供电，两者的经济比较和环境保护的制约是决定电厂厂址的重要因素。燃料运输成本上升，运力受制约而使燃料的保证率变差，运送燃料的经济性不如输电，便促进在燃料产地建设大容量规模的发电厂，以特高压向负荷中心地区输电。,52,特高压电网发展的影响因素,燃料、运输成本和发电能源的可用性发电能源与用电负荷地理分布不均衡，经济发达
21、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。,53,特高压电网发展的影响因素,网损和短路电流水平 在电压等级不变的情况下，远距离输电意味着线路电能耗损的增加。当输送的功率给定时，提高输电电压等级，将减少输电线通过的电流，从而减少有功和电能损耗，提高远距离输送大功率的能力，同时又降低输电电能损耗是推动特高压输电的重要动力。不同容量的电厂按其电力流,应分层、分区接入不同电压等级的电网，以降低电网的短路电流水平。
22、由于特高压的引入，特大容量电厂可直接接入特高压电网。这样，可减少电厂直接接入超高压电网的容量，并改善超高压电网的结构，从而降低超高压电网的短路电流水平。这是发展特高压电网的一个重要因素。,54,特高压电网发展的影响因素,生态环境输电线路和变电站的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰、可听噪声，工频电、磁场对生态的相互作用等方面。在地区电力负荷密度小、输电线路和变电站数量少的年代，生态环境不会成为问题。当输电线和变电站随用电增加而数目增多时，环境问题可能成为影响输电网发展的突出问题。,55,特高压电网发展的影响因素,生态环境一方面，特高压输电由于其输送功率大，可大大减少线路走廊
23、占用土地，从而减少对生态环境的影响而受到青睐。另一方面特高压输电的电、磁场对生态环境的相互作用和电晕产生的干扰问题也受到社会广泛关注。这是发展特高压输电需深入研究和解决的问题。解决问题的目标是既满足未来预期的电力增长需求又做到对生态环境影响最小 。,56,特高压电网发展的影响因素,政府的政策和管理从各国电力工业的发展来看，政府的产业政策、产业结构调整、资金借贷成本等都将影响投资决策，影响轻重工业的比例和布局，以及一、二、三产业的发展等，影响总的用电负荷的增加和各地区用电负荷的增长率。能源政策直接激励各种不同发电资源的开发力度。它将影响区域电网互联是强联网还是弱联网。弱联网以区域电网的最高电压等
24、级互联。强联网需要以比区域电网电压更高的电压等级实现互联，才能在区域之间实现大的功率交换。,57,特高压电网发展的影响因素,政府的政策和管理电力工业管理体制对特高压电网规划和建设的影响是不言而喻的。电力公司的结构，经营的地域范围，对电力系统规划的地域范围有明显的影响。只有在大范围进行电力电量平衡，才会有特高压电网的需求。电力工业管理模式可以说是特高压电网发展的决定性因素。几乎在同时起步对特高压可行性和技术进行研究的几个国家中，前苏联是第一个建成和运行1150kV输电线路的国家，前苏联实行统一电力系统管理模式 。,58,国内外特高压输电研究和应用概况,（1）美国邦德维尔电力局（BPA） 前期规划
25、：BPA公司于1970年作出规划，拟用1100kV远距离输电线路，将喀斯喀特山脉东部煤矿区的坑口发电厂群的电力输送到西部用电负荷中心，输送容量为8001000万千瓦。 电压等级：1100kV 试验设施：莱昂斯电气试验场（2.1km）莫洛机械试验线段（1.8km） 试验内容：电晕和电场、生态和环境、操作和雷电冲击绝缘研究；可听噪声、无线电杂音、电视干扰、电晕损失和臭氧的观测。机械和结构试验；对变电站设备进行试验，变压器、避雷器和SF6气体设备的性能评价等。,59,国内外特高压输电研究和应用概况,（2）美国电力公司 （AEP） 前期规划：AEP公司为了减少输电线路走廊用地和环境问题，规划在已有的7
26、65KV电网之上迭加一个1500kV特高压输电骨干电网 。 电压等级：1500kV 试验条件：雷诺特高压试验场（线路长523米） 试验内容：操作冲击试验，污秽绝缘子工频电压试验，可听噪声、电晕损失、电视干扰、地面场强和臭氧发生量。,60,国内外特高压输电研究和应用概况,AEP-ASEA 特高压试验基地,61,国内外特高压输电研究和应用概况,（3）俄罗斯1150kV交流特高压,62,前期规划：苏联于70年代规划在西伯利亚的坎斯克和哈萨克斯坦的埃基巴斯图兹建设火力发电厂群，通过1150kV输电线路将煤电输送到苏联的乌拉尔和其他欧洲部分的用电负荷中心。 电压等级: 1150kV 工程应用:前苏联从1
27、981年起开始建设特高压输电系统，计划建成车里雅宾斯克库斯坦奈科克切塔夫埃基巴斯图兹巴尔脑尔伊塔特1150kV特高压线路2362km。其中埃基巴斯图兹科克切塔夫库斯坦奈线路最先建成并投运，该两段线路长约900km，特高压变电站三座，在额定电压下累积运行超过5年。,国内外特高压输电研究和应用概况,苏联1150kV输电线路地理接线图,63,国内外特高压输电研究和应用概况,（4）俄罗斯750kV直流特高压,64,前期规划：苏联于1978年确定建设埃基巴斯图兹-唐波夫750kV，600万千瓦，2414km的直流输电工程。 电压等级: 750kV 工程进展: 进行了大量的试验研究和设备研制工作，试制出工
28、程所用的全套设备，并通过了现场试验。 两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作。 直流输电线路己建成1090km。 停建原因：送端火电基地建设放慢和苏联解体。,国内外特高压输电研究和应用概况,（4）日本 前期规划:日本于70年代开始规划，80年代初开始特高压技术研究，建设东西和南北两条1000kV输电主干线，将位于东部太平洋沿岸的福岛第一和第二核电站（装机共910万千瓦）和装机为812万千瓦的柏崎核电站的电力输送到东京湾的用电负荷中心。 电压等级：1000kV 试验设备：赤城试验线段、新榛名试验场 工程应用：建成同塔双回线路427km，目前降压500KV运行。日本发展特高压输电系统的功能归结为
29、：（1）解决现有500kV系统的稳定问题；（2）解决500kV系统东部日益增长的短路电流问题；（3）解决未来远距离输送电力的稳定问题。,65,国内外特高压输电研究和应用概况,东京电力公司建成的特高压线路,66,国内外特高压输电研究和应用概况,（5）意大利,67,前期规划:意大利为了把本国南部地区的大容量煤电和核电输送到北部工业区，规划在原有380kV输电网架之上叠加1050kV特高压输电骨干网。 电压等级：1000kV 试验设备：萨瓦雷托试验站，1km长试验线段、40米试验笼组成的电晕、电磁环境试验设备。 试验内容：对操作和雷电过电压试验；可听噪声、无线电杂音、电晕损失的测量；机械试验；电场的
30、生态效应试验,国内外特高压输电研究和应用概况,意大利1000kV工程雷电冲击试验,68,国内外特高压输电研究和应用概况,（6）中国,69,基本概况：19861990年“特高压输电前期研究”被列为国家攻关项目；19901995年国务院重大办开展了“远距离输电方式和电压等级论证”；19901999年国家科委就“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行性”等专题进行了研究。截至2004年，共完成特高压研究项目37项。 电压等级：10001200kV 试验情况：武汉高压研究院于1996年建成1000kV级长200m的试验线段。 电力建设研究所于2004年建设的杆塔试验站可进行特高压单回路
31、8800分裂导线，3060度转角级杆塔原型强度试验，还可进行特高压输电线路防振设计方案试验。,国内外特高压输电研究和应用概况,中国百万伏级特高压试验线段,70,特高压输电技术研究的基本结论,可听噪声特性和环境要求是特高压线路设计应考核的主要因素，按满足可接受的可听噪声标准进行线路设计，对无线电和电视的干扰水平可得到满意的结果，电晕功率损耗可降至最小。 特高压输电电网的工频过电压和操作过电压是选择和设计绝缘系统的决定性因素。限制工频过电压特别是操作过电压（1.7p.u以下）水平是特高压输电的基本可行性问题。工频和操作过电压的空气击穿电压特性，即击穿电压与两电极间的距离关系有饱和的趋势。对于100
32、01600kV特高压输电电网，空气间隙的饱和趋势不会使输电成本达到难于接受的水平，更不会制约特高压输电的发展。根据工频过电压和操作过电压确定的绝缘水平能满足雷电过电压的绝缘水平要求。,71,特高压输电技术研究的基本结论,特高压输电线下和输电走廊边缘的地面工频电场强度可以做到与超高压线路相同的水平。按可听噪声标准设计的特高压导线布置、导线高度、相间距离和线路走廊宽度，将形成类似于超高压线路已接受的电场强度和环境影响。特高压线路电流产生的磁场，与超高压线路没有根本的差异，不会成为影响线路设计的重要问题。特高压的环境效应按超高压输电线路原则设计，对生态不会有不良的效果，公众应当而且可以接受。,72,
33、特高压输电技术研究的基本结论,从20世纪60年代末开始的特高压技术研究，大多数研究项目和任务，包括主要设备的原型试验在1983年1986年几乎已近完成。在苏联，世界第一条1150kV特高压输电线路和户外变电站于1985年投入商业运营国际大电网会议（CIGRE）组织来自特高压输电研究和建设的国家的专家成立3804工作组，对特高压技术进行了评估，于1988年以38委员会的名义提出报告，并确认：特高压交流输电（UHV a.c.transmission）技术的实际应用已经成熟；根据现有的知识和经验，800kV是特高压直流输电确实和有把握的可行电压等级。,73,特高压输电技术研究的基本结论,经过各国特高
34、压技术的研究和试验，技术问题已不是特高压输电发展的限制性因素。发展特高压电网在经济上是有吸引力的。特高压电网出现和发展的进程由大容量输电的需求所决定，主要取决于用电负荷的增长情况。,74,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的系统构成 （多端系统）多端直流输电可以解决多电源供电或多落点受电的直流输电问题， 它还可以联系多个交流系统或将交流系统分成多个孤立运行的电网。多端直流系统中的换流站可以作为整流运行也可以作为逆变运行， 但整流运行的总功率与逆变运行的总功率必须相等，即多端系统的输 入和输出功率必须平衡。多端系统换流站之间的连接方式可以是并联或串联方式，连接换 流站的直流线路
35、可以是分支形或闭环形。,75,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的系统构成 （多端系统）多端系统比多个两端系统要经济，但其控制保护系统及运行操作 比较复杂。目前世界上己运行的多端直流工程只有意大利-撒丁岛（三端， 小型）和魁北克-新英格兰（五端，实为三端运行）两项。加拿大的 纳尔逊河双极1和双极2以及美国的太平洋联络线直流工程也具有多端 直流输电的运行性能。,76,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流输电的主要特点与其两端需要换流以及输送的是直流电这两个基本点有关。直流输电的发展与换流技术的发展，特别是大功率电力电子技术的发展有着密切的关系。目
36、前绝大多数直流输电工程均采用晶闸管换流，今后随着新型电力电子器件（如IGBT、IGCT、碳化硅器件等）在直流输电中的应用，将会明显的改善直流输电的运行性能，目前已经出现轻型直流输电。基于晶闸管换流的情况，直流输电有13项主要特点。,77,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流输电架空线路只需正负两极导线，杆塔结构简单，线路走廊窄，造价低，损耗小。直流线路的输送能力强，一回 士500kV的直流线路可输送30003500MW，士800kV则可输送48006400MW；直流线路无电容电流，沿线的电压分布均匀，不需装设并联电抗器。直流电缆线路耐受电压高、输送容量大、输电密
37、度高、损耗小、寿命长，且输送距离不受电容电流的限制。远距离跨海送电和地下电缆送电大多采用直流电缆线路。,78,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流输电两端的交流系统无需同步运行，其输送容量由换流阀电流允许值决定，输送容量和距离不受两端的交流系统同步运行的限制，有利于远距离大容量输电。 采用直流输电实现电力系统非同步联网，不增加被联接电网的短路容量，不需要因短路容量问题而更换被联接电网的断路器以及对电缆采取限流措施；被联电网可以是额定频率不同（50Hz和60Hz），或额定频率相同但非同步运行的电网；被联电网可保持各自的频率和电压而独立运行，不受联网的影响；被联电网
38、之间交换的功率可方便快速地进行控制，有利于运行和管理。,79,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流输电输送的有功和换流器吸收的无功均可方便快速地控制，可利用这种快速控制改善交流系统的运行性能。对于交直流并联输电系统，可以利用直流的快速控制以阻尼交流系统的低频振荡，提高与其并联的交流线路的输送能力。 直流输电可利用大地（或海水）为回路，省去一极的导线，同时大地电阻率低、损耗小。对于双极直流系统，大地回路通常作为备用导线，当一极故障时，可自动转为单极方式运行，提高了输电系统的可靠性。,80,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流输电可方
39、便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。双极直流工程可按极分为两期，当每极采用两组基本换流单元时，则可分为四期。 直流输电换流站比交流变电所的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也相应降低。换流站造价比同等规模交流变电所要高出数倍。,81,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用换流器运行时在交流侧和直流侧产生一系列的谐波，为降低谐波的影响，在两侧需分别装设交流滤波器和直流滤波器，使得换流站的占地面积、造价和运行费用均大幅度提高。 晶闸管换流阀组成的电网换相换流器将吸收大量的无功，除交流滤波器提供的无功外，有时还需装设静电电容器、调相机或静止无功
40、补偿器。,82,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用直流断路器没有电流过零点可利用，灭弧问题难以解决，给直流输电中间抽能带来困难，并且使多端直流输电工程发展缓慢。 直流输电利用大地（或海水）为回路将带来接地极附近地下金属构件、管道等埋设物的电腐蚀、直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和、以及对通信系统和航海磁罗盘的干扰等问题。当地表面电阻率很高时，接地极址的选择比较困难。 由于直流电的静电吸附作用，使直流输电线路和换流站设备的污秽问题比交流输电严重，给外绝缘问题带来困难，这也是特高压直流输电需要研究的重点问题。,83,特高压直流输电的系统特性,高压直流输电 高压直
41、流输电的特点及应用在电网建设中，经过严格的技术经济论证，采用直流输电相对比较有利的场合有以下几种：远距离大容量输电；电力系统联网；直流电缆送电；轻型直流输电的应用。从1954年到2000年，世界上共有63项直流输电工程投入运行，其中架空线路17项，电缆线路8项，架空和电缆混合线路12项，背靠背直流工程26项。其中单项架空线路的最高电压和最大输送容量为 士600kV， 3150MW（巴西伊泰普直流工程）。士500kV，输送容量（3000MW ）最大的工程在中国有三个。,84,高压直流输电 高压直流输电的特点及应用从1987年到2004年，我国己有7项直流输电工程投入运行，见下表。,85,特高压直
42、流输电的系统特性,特高压直流输电 特高压直流输电的现状在上世纪7080年代，前苏联哈萨克斯坦的埃基巴斯图兹火电基地向其欧洲部分负荷中心的送电、巴西亚马逊河水电群向其东南部和东北部的送电以及印度和非洲的远距离大容量送电，都曾经对特高压直流输电的应用进行过研究，并发表了不少研究报告。研究结论是：士800kV的直流输电工程在技术上是可行的；士1000kV不经过很大努力进行研究是困难的；士1200kV没有重大的突破是不可能的。只有前苏联围绕实际工程，开展了大量的试验研究和设备研制工作，其他国家由于工程项目不落实，而停留在研究阶段。,86,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电 特高压直流输电的现状前
43、苏联于1978年确定建设埃基巴斯图兹-唐波夫750kV， 6000MW， 2414km的直流输电工程。试制出工程所用的全套设备，并通过了现场试验。两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作。直流输电线路己建成1090km（约占全线的45）。由于经济原因，火电基地建设放慢，原计划在埃基巴斯图兹建设4个4000MW（8台500MW机组）的火电站，在1992年仅建成1个，第2个电站仅有1台机运行。与此同时，在前苏联欧洲部分由于核电的发展，也降低了对外来电力的需求,因此该项工程被迫停建。,87,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电 特高压直流输电接线方式由于特高压直流输电工程输送容量大、电压高、要求
44、具有高可靠性，其接线方式通常均采用双极两端中性点接线方式。 以800kV，4000A，6400MW，的直流输电工程为例，可供选择的换流站接线方式有以下三种：每极一组12脉动换流器每极两组12脉动换流器串联每极两组12脉动换流器并联,88,特高压直流输电的系统特性,89,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电的系统特性,90,特高压直流输电的系统特性,91,特高压直流输电特高压直流输电接线方式对以上三种接线方式做简单的比较和分析：每极一组12脉动换流器接线方式，换流站结构最简单，换流站的设备数量最少，造价低，损耗小，可靠性高，是理想的接线方式。但其单台设备的容量大，制造难度大，运输也困难。因此
45、，换流变压器的制造和运输是决定能否选择这种方式的关键。其次，当直流输电单极（占额定容量的1/2）停运时，对两端的交流系统的冲击和影响的程度，也是需要考虑的重要因素。,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电 特高压直流输电接线方式每极两组12脉动换流器串联方式， 换流器和换流变压器的数量将增加一倍，但其单台容量将降低一半，有利于设备的制造和运输。由于12脉动换流器作为基本换流单元可以独立运行，对于这种接线方式，仍以上述工程为例，可按12脉动换流器组分以下4期进行建设： 第一期：单极，+400kV， 4000A， 1600MW；第二期：双极，400kV， 4000A， 3200MW；第三期：双极
46、电压不对称，+800kV， 4000A， 3200MW；-400kV， 4000A， 1600MW；总输送功率为：4800MW。第四期：双极，800kV，4000A，6400MW。,92,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电 特高压直流输电接线方式每极两组12脉动换流器并联方式，换流器和换流变压器的数量以及单台设备容量与串联方式相同。其特点是设备的电压高、电流小。这种接线方式同样也可分4期进行建设，只是分期的方式有所不同，具体是： 第一期：单极，+800kV， 2000A， 1600MW；第二期：双极，800kV， 2000A， 3200MW；第三期： 双极电流不对称，+800kV， 40
47、00A，3200MW；-800kV， 2000A， 1600MW；总输送功率为：4800MW，此时地中有2000A的不平衡电流。第四期：双极，800kV， 4000A， 6400MW。,93,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电设备 换流阀 换流变压器 平波电抗器 直流滤波器 直流避雷器 直流绝缘子和套管,94,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电设备换流阀特高压直流输电工程所需换流阀的制造是现实可行的。但现有换流阀的试验设备，已不能满足特高压直流输电所需换流阀的试验要求，而需要重新建立。 换流变压器 对特高压直流输电来说，换流变压器的研制是设备研制的重点。 平波电抗器直流输电工程所采
48、用的平波电抗器有干式和油浸式两种类型。对于特高压直流输电，主要应对直流电压的油纸绝缘以及支柱绝缘子进行更多的研究 。,95,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电设备直流滤波器直流滤波器采用由电容、电感和电阻组成的调谐型滤波器，并联在换流站直流极母线上，当直流输电电压升高时，串联单元数随之增加。目前所制造的高压电容器，能够满足特高压直流输电的要求。 直流避雷器 在 士600kV直流避雷器的制造和运行经验的基础上，制造 士800kV（士750kV）的直流避雷器是困难不大的，其主要限制条件是热稳定性和寿命问题。,96,特高压直流输电的系统特性,特高压直流输电设备直流绝缘子和套管 由于直流输电线路
49、和换流站的积污严重，要求直流绝缘子（线路绝缘子和支柱绝缘子）和套管的爬距长并具有良好的防污性能。 直流套管主要有直流穿墙套管（换流器直流高压端引出阀厅、换流器交流端引出阀厅）、油浸式平波电抗器套管、换流变压器阀侧绕组套管。在直流输电工程中，由于直流穿墙套管的不均匀湿闪而引起的故障屡有发生，给套管的制造带来困难。采用复合套管也会使污闪问题得到改善。,97,特高压直流输电的系统特性,特高压交、直流输电方式比较 特高压交流输电的主要技术特点 特高压交流输电中间可以落点，具有网络功能，可以根据电源分布、负荷布点、输送电力、电力交换等实际需要构成国家特高压骨干网架。 随着电力系统互联电压等级的提高和装机容量增加，等值转动惯量加大，电网同步功率系数将逐步加强。 特高压交流线路产生的充电无功功率约为500kV的5倍，为了抑制工频过电压，线路必须装设并联电抗器。 适时引入1000kV特高压输电，可为直流多馈入的受端电网提供坚强的电压和无功支撑，有利于从根本上解决500kV短路电流超标和输电能力低的问题。,98,特高压直流输电的系统特性,
