高电压工程系 : 刘春 Email: tslc@mail.hust.edu.cn

电话： 13871018672

第 1 讲 绪论一、高压输电的发展历史

二、发展高压输电的必要性

三、中国电力工业的发展与现状

四、高电压技术的主要研究内容

五、高电压技术的应用

六、高电压技术面临的主要问题

1. 电网发展历史＊ 1875 年，法国巴黎北火车站建成世界上第一座火力直流发

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（ 1 台 12kW 直流 ) 。

＊ 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 。

一、高压输电的发展

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。

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。

1.( 续）

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。

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。

1.( 续）

2. 中国电网发展历史 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 镜泊湖水电厂至吉林延边线路。

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：

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，建成丰满至抚顺李石寨 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 河南平顶山姚孟—湖北武昌输电线路，全长 595km 。为适应葛洲坝输变电的需要。

2. ( 续）

• 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。

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（青海官厅—兰州东）建成了一条 750kV 输电线路，长度为 140.7 km 。输、变电设备，除 GIS 外，全部为国产。

• 1000kV 晋东南～南阳～荆门输电线路工程

2. ( 续）

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。

3. 高压输电的发展

高压 100kV 超高压 1001000kV 特高压 1000kV

第二张

二、发展特高压的必要性1. 特高压定义•交流输电–高 压： 35kV ～ 220kV –超高压： 330kV 及以上、 1000kV 以下–特高压： 1000kV 及以上

•直流输电–超高压直流：±600kV 级 (含 620kV ）及以下

–特高压直流：±750kV 及以上

2. 我国不同电压等级电网的分类

–高压电网： 110kV 和 220kV 电网。

–超高压电网：由交流 330kV 、 500kV 、750kV 和直流±500kV 构成的电网。

–特高压电网：由交流 1000kV 和直流±800kV 构成的电网。

3. 特高压输电的优点提高输送容量

– 交流线路的自然功率是表征其送电能力的一项指标，其计算公式如下：

一回 1000kV 特高压输电线路的自然功率接近 500万千瓦，约为 500kV 输电线路的五倍左右。

– ±800kV 直流特高压输电能力可达到 640 万千瓦，是±500kV 高压直流的 2.1 倍，是±620kV 高压直流的 1.7 倍。

自然功率• 自然功率就是输电线路受端每相接入一个波阻抗的负荷时线路输送的功率，它主要用来分析输电线路的输电能力、电压和无功调节等问题。

• 当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗的无功相等，因此送端和受端的功率因数一致；当输送功率低于自然功率时，由于充电功率大于线路消耗无功，必然导致线路电压升高；相反，当线路输送功率大于自然功率，由于无功不足，需要额外的无功补偿，在没有无功补偿的情况下，线路电压就会下降。所以，线路在输送自然功率的时候，经济性最好、最合理。

•缩短电气距离，提高稳定极限 交流线路的输送功率可按下式计算：

– 1000 千伏线路的电气距离相当于同长度 500 千伏线路的 1/4 ～ 1/5 。换句话说，在输送相同功率的情况下， 1000kV 特高压输电线路的最远送电距离约为 500kV 线路的 4倍。

– 采用±800kV 直流输电技术使超远距离的送电成为可能，经济输电距离可以达到 2500km 及以上。

表示线路串联电抗差表示线路两侧电压角度

分别表示线路两侧电压、其中：

l

l

X

UU

X

UUP

21

21 sin

• 降低线路损耗 输电线路损耗可按下式估算：

可见，在导线总截面、输送容量均相同，即R、 S值相等的情况下，– 1000kV 交流线路的电阻损耗是 500kV 交流线路四分之一。– ±800kV 直流线路的电阻损耗是±500kV 直流线路的 39％，是±620kV 直流线路的 60％。

表示线路串联电阻表示线路电压表示线路输送容量

其中：

R

U

2

2

S

RU

SPloss

•减少工程投资–1000kV 交流输电方案的单位输送容量综合造价约为 500kV 输电方案的四分之三。

–±800kV 直流输电方案的单位输送容量综合造价也约为±500kV 直流输电方案的四分之三。

•提高单位走廊输电能力，节省走廊面积

–交流特高压：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为 75米和 81米，单位走廊输送能力分别为 13.3 万千瓦 /米和 6.2万千瓦 /米，约为同类型 500kV 线路的三倍。

–直流特高压：±800kV 、 640 万千瓦直流输电方案的线路走廊约 76米，单位走廊宽度输送容量为 8.4万千瓦 /米，是±500kV 、 300 万千瓦方案的 1.29 倍，±620kV 、 380 万千瓦方案的 1.37倍。

•改善电网结构，降低短路电流

通过特高压实现长距离送电，可以减少在负荷中心地区装设机组的需求，从而降低短路电流幅值。长距离输入 1000 万千瓦电力，相当于减少本地装机 17台 60万千瓦机组。每台 60万千瓦机组对其附近区域 500千伏系统的短路电流约增加 1.8kA ，如果这些机组均装设在负荷中心地区，对当地电网的短路电流水平有较大的影响。

通过特高压电网，实现分层分区布局，可以优化包括超高压在内的系统结构，从根本上解决短路电流超标问题。

• 加强联网能力•通过交流特高压同步联网，可以大幅度缩短电

网间的电气距离，提高稳定水平，发挥大同步电网的各项综合效益。

•通过直流特高压异步联网，满足长距离、大容量送电的要求，沿线不需要提供电源支撑。

通过特高压联网，增强网络功率交换能力，可以在更大范围内优化能源资源配置方式。

4. 新发展 特高压输电 各国发展特高压输电的原因不尽相同 俄罗斯有可能在 2020 年左右建设 1800 ～ 2000kV 线路 直流输电、紧凑型输电及灵活输电 直流输电的优越性值得重视 我国第一条 220kV紧凑型试验线路从北京安定到河北廊坊，长 26公里，于 1994 年 9 月投入试运行

其它的输电方式如超导输电、低温输电、无线输电、多相输电等也在研究中

•特高压输电技术研究的基本结论 经过各国特高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。

第二张

三、中国电力工业的现状与发展

电压等级 已建成交流 500kV 、 330kV 、 220kV 、 110k

V 、 35kV 及直流 500kV 电压等级，西北正在建设 750kV 线路，规划建设百万伏级交流和±750千伏级直流系统组成的输电网络

我国电网基本框架 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

国家电网公司

第二张

四、高电压工程的主要研究的 问题

电力工业与高电压技术密切相关

1.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 同样的材料、结构，在不同电压下，绝缘性能不相同

2.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

3. 过电压防护问题 外过电压 （雷电过电压） 内过电压

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

工频过电压 谐振过电压 操作过电压

4.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

5. 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

• 1 与应用物理的联系紧密• 2 实验 / 经验性• 3 理论探索性• 4 瞬变性• 5 与其他学科的交叉与渗透性

理工结合的学科内涵

高电压学科的特点• 人类最先观察到的电现象是高电压现象• 人类最初研制出来的电气装置是产生高电压的摩擦起电装置

• 人类最先应用电的实例是利用高压放电给人治病• 电学的发展史：高电压——低电压——高电压• 高电压技术—实现远距离大功率输电的前提条件

建立现代大电力系统的前提条件

• 我国西电东送必须解决的关键技术问题 — 高海拔、沙尘暴、永冻土环境下的高压输电• 开辟新领域的先锋

高电压学科的特点

第二张

1. 高压静电除尘 已有十分广泛成熟的应用。基于静电吸引的作用收集灰尘

2. 电火花加工 利用火花放电时的放电能量处理加工材料

五、高电压技术在其它领域中的应用

3.体外碎石技术 肾结石、胆结石的体外粉碎是利用高压脉冲产生一定向冲击波，经聚焦后作用于患处将结石击碎 (上海交大率先开发成功，由此成果当事人成为中国工程院院士 )

4.除菌及清鲜空气 利用空气中电晕放电，控制产生一定浓度臭氧 ( 强氧化剂 )，达到杀菌及清洁空气的作用 ( 目前空调中所谓的等离子体空气清新技术 )

（续）

5.污水处理 利用高频脉冲高压产生高浓度臭氧，与污水作用能够分解污水中的有机物，去除臭气，实现污水的处理

6.烟气处理 利用高功率脉冲形成高能活性离子，可以实现工厂烟气的脱硫脱硝，净化排污 （国家 863项目）

（续）

7. 等离子体隐身 利用等离子体与电磁波的作用机制( 能够有效吸收大量的电磁波 ), 产生覆盖飞行器的等离子体层，能有效吸收雷达信号，达到隐身的目的

国家自然科学基金重大研究项目

（续）

8. 等离子体

表面处理

高压放电产生活性粒子作用于织物等，增强材料表面活性，不但易于染色和进行表面涂覆等，且处理过程对环境不会有污染。是当前印染行业十分看好的织物处理技术

9. 三次采油技术 将高功率脉冲电源引至油井下进行瞬间放电，产生很强的冲击波，此冲击波将地下岩层震裂，使得原有的缝隙增大( 解堵作用 )，原油渗出更容易，能提高油井的产量

（续）

10. 新概念武器电磁炮 利用高压脉冲电源瞬间击穿产生高功率脉冲（强电

流）产生强磁场通过电磁力的作用将炮弹发出

微波弹 高压快脉冲重复放电产生强电磁波，对敌方电子设备进行干扰，能量足够时可导致设备失效

国防科工委重大研究项目

（续）

B

i

v

等离子体推进 利用高压放电产生等离子体，通过等离子体间的电磁相互作用 ( 排斥力 )推进舰艇，具有无声的优点，可有效避免被敌人的声纳探测

（续）

激光的产生的必要条件激光器具有以下三个组成部分(1)激活介质　即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也叫激光工作物质。如氖、氩、二氧化碳、红宝石以及钕玻璃等。

(2)激励装置　即能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，称为激励装置，如各种激光器的电源。

(3)光学谐振腔　能使光线在其中反复振荡和多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。

激光产生的过程可概括归纳如下：• 激励→激活介质 ( 工作物质 )粒子数反转→被激励后的工作物质中偶然发生的自发辐射 其他粒子的受激辐射→光放大→ 光振荡与光放大→激光。

高电压技术的应用——神光Ⅲ与激光聚变技术（脉冲功率技术）

E = mc2

ΔE = Δmc2

质量亏损变成了能量

著名的爱因斯坦质能关系式

用于激光惯性约束核聚变试验的大型激光器

神光Ⅲ与激光聚变技术

235U

分裂碎片

分裂碎片

能量裂 变

中子中子中子

聚 变能量

氦

中子

聚变能—最理想的未来能源

神光Ⅲ与激光聚变技术• 地球上蕴藏最丰富——取之不尽• 裂变物质资源有限：• 铀 -235 仅够几十年 铀 -238 和钍 -232 只够几百年• 聚变物质资源取之不尽：• 天然水中含氘 (2H)0.003%• 一公斤海水中含氘相当于 300 升汽油• 海水中氘聚变产生的能量可供人类使用 100亿年

聚变能—最理想的未来能源

神光Ⅲ与激光聚变技术

实现聚变的必要条件

约束密度和约束时间的乘积 ≥ 1014秒每立方厘

米

温 度 > 4千万度

神光Ⅲ与激光聚变技术激光聚变发电系统概念图

神光Ⅲ与激光聚变技术激光增强技术

神光Ⅲ与激光聚变技术激光聚变装置外观

神光Ⅲ与激光聚变技术神光Ⅲ能源组件

第二张

六、高电压技术面临的主要问题

提高设备可靠性的技术问题 设备紧凑化高场强的技术问题 新型绝缘材料的开发 大功率电力电子器件在高压中的应用 架空线及变电所的电磁环境

• 大学、企业、科研、刊物、会议等 美国电力公司（ AEP）、邦德维尔（ BPA）电力局、通用电力公司和美国电力研究院（ EPRI ），俄罗斯电气研究院、列宁格勒直流研究院、全苏线路设计院；中央电力研究所（ CRIEPI ）、东京电力公司（ TEPCO）和 NGK绝缘子公司，意大利电力公司，加拿大魁北克水电局高压试验室；中国电力科学研究院、武汉高压研究所，电力建设研究所美— MIT 、 Ohio State University 等英— Oxford University 、 UMIST 、 Southampton Univ. 等德— Munchen Tech. Univ. 、 Tech. Univ. of Dresden 等加— Univ. of British Columbia 等日：名古屋大学等

• 刊物：美国 IEEE 系列期刊： Trans. on Plasma Science, on PWRD, on EMC, on EI 等英国 IEE 系列期刊： Proc. IEE 等日本电气学会论文志： Trans. IEE Japan

• 会议： International Symposium on High Voltage Engineering International Conference on Gas Discharges and Their Applications International Conference on Plasma Science International Conference on Pulse Power International Conference on Properties and Applications of Dielectric Mat

erials

七、研究机构与学术刊物

国内相关刊物

• 高电压技术• 高压电器

高压实验室

1 . 输变电设备的状态及绝缘监测预报2. OVT & OCT3. 输变电设备的介质损耗、局部放电测量4. 系统谐振及防止方法5. 电磁兼容问题（“ 0” 在哪里？）6. Lightning 的研究、防护方法7. 气体放电理论与应用8. 新绝缘材料研究9. 接地网的优化、地中电流的研究10. 污秽及防止方法、新型绝缘子的研究11. 其他领域：环境保护、表面处理、可再生能 源、国防领域等

八、研究课题