高电压技术

高电压技术

 

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：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冲(NEMP)等。
 

20世纪以来，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，传输的电能也越来越多，这就要求电力系统的输电电压等级不断提高。就世界范围而言，输电线路经历了 110、150、230千伏的高压，287、400、500、735～765千伏的超高压和1000千伏、 1150千伏（工业试验线路）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。60年代以来，为了适应大城市电力负荷日益增长的需要，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，全封闭气体绝缘组合电器(GIS)得到越来越广泛的应用。这些都提出许多高电压技术的新问题。

系统限制

 

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雷电过电压（又称大气过电压、外部过电压）和内部过电压。其中雷电过电压由雷云直接或间接对变电所或输电线路 (避雷线、杆塔或导线)放电造成。一般雷电过电压幅值较高，超过系统的额定工作电压，但作用时间较短，波头时间大多数为1.5～2微秒，平均波长时间为30微秒，大于50微秒的很少。雷击除了会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、油库等设备的安全。因此，这些方面的防雷也属于高电压技术的研究对象。
 

电力系统内部过电压是因正常操作或故障等原因使电磁状态发生变化，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。对110～220千伏电力系统，内部过电压水平一般取 3倍最大工作电压；对330～500千伏电力系统，需要采取一些限制措施，取2～2.5倍。对特高压电力系统，进一步限制内部过电压具有巨大的经济价值，从前景来看限制到1.5～1.8倍最大工作电压是完全可能的。

 

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、雷电过电压和内部过电压。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。
 

雷电过电压和内部过电压对输电线路和电工设备的绝缘是个严重的威胁。因此，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是高电压技术的重要课题。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空等常用作输电线路和电工设备绝缘及其他用途的材料。因此，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，如间隙大小、电极形状、作用电压的极性和类型、气体的压力、温度、湿度和杂质等，对确保电工设备的经济合理和安全运行有重要意义。
 

在采取措施限制雷电过电压和内部过电压的情况下，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。
 

在工程上经常利用一些气体放电的特性来解决许多高电压技术领域中所遇到的科学技术问题，如利用球隙放电测量高电压；用各种间隙放电来限制过电压；利用电晕放电时产生稳定的电晕层以改善电场分布，从而提高间隙的放电电压等。

 

设备技术

 

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。
 

为了在试验室或现场研究电介质或电工设备的绝缘特性以及适应于不同科技领域的高电压技术的应用，需要有各种类型的高电压发生装置。常见的高电压发生装置有：由工频试验变压器及其调压设备等组成的工频试验设备；模拟雷电过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。高电压技术 　以上这些高电压试验装置的共同特点是：输出电压高；对输出电压的波形、幅值的调节要求高；输出电流和功率一般不大；试验时持续运行的时间较短。
 

此外，由于近代科学技术发展的需要，各冲击电流发生装置得到越来越多的应用。冲击电流发生装置要求在很短的时间内产生很大的冲击电流，如用在核物理、加速器、激光等领域的大型冲击电流装置能产生数百万安培的冲击电流。在电力部门，冲击电流发生装置主要用于模拟雷电流，检验某些电工设备在雷电过电压和操作过电压作用下的通流能力。在电工制造部门，冲击发电机和振荡回路产生强电流，用以模拟电力系统短路电流，检验开关设备以及高压电缆等在系统短路工况下耐受短路电流的能力。

 

发展动态
 

60年代后期以来，高电压技术在电工以外的领域得到广泛应用；同时，也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、航空与航天领域的雷电和静电控制与防护、磁流体发电、激光技术、等离子体切割、电水锤进行海底探油、冲击加工成型、人体内结石的破碎，以及静电除尘、静电除菌、静电喷涂、静电复印等方面的应用。高电压领域中采用的新技术则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；采用激光技术进行高电压下大电流的测量；采用光纤技术进行高电压的传递和测量；采用信息技术进行数据处理等。这一切构成了高电压技术发展的一个重要方面。
 

另一方面，高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压，例如1500～1800千伏特高压输电的科研工作。而美国和苏联的一些学者，则另辟蹊径，利用电力电子技术的新成就，对现有的超高压电网研究技术改造、扩大传输容量的技术。例如，苏联一些学者，研究利用静止补偿装置，对500千伏输电系统进行全补偿。这种输电系统，只存在回路电阻而无感抗，因而已不存在系统稳定问题，传输容量只决定于电阻值和导线载流能力，因而改造后的500千伏输电系统，其输电能力可达到百万伏级特高压输电系统的水平。这种“内涵发展模式”正在引起科学界的广泛重视。与此相似，美国也正在研究利用静止补偿装置，对存在严重电磁兼容性问题的超高压输电线段施行局部的分段补偿，以解决过去要对全系统进行改造的问题。