《高电压技术 第3版》吴广宁主编；张冠军，司马文霞，刘刚副主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《高电压技术 第3版》

【作　者】吴广宁主编；张冠军，司马文霞，刘刚副主编

【丛书名】“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材

【页 数】 274

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2023.01

【ISBN号】978-7-111-71198-8

【价 格】55.00

【分 类】高电压-高等学校-教材

【参考文献】 吴广宁主编；张冠军，司马文霞，刘刚副主编. 高电压技术 第3版. 北京：机械工业出版社, 2023.01.

图书封面：

图书目录：

《高电压技术 第3版》内容提要：

本书以高压工程和新能源技术的最新动态伟背景，以理论基础-试验探究-工程应用为逻辑主线，介绍了电介质的电气强度，电气绝缘与高电压试验和过电压防护与绝缘配合3内容……

《高电压技术 第3版》内容试读

绪论

0.1高电压技术的发展

1.高电压学科的发展历程

在电工科学研究的领域内，对高电压现象的关注由来已久。通常所说的高电压，一般是针对某些极端条件下的电磁现象，并没有在电压数值上划分一个确定界限。

直到20世纪初高电压才逐渐成为一门独立的学科分支，“高电压工程”这一术语，始于美国工程师皮克(F.W.Peek)于1915年出版的《高电压工程中的电介质现象》一书。当时的高电压技术，主要是为了解决高压输电工程中的绝缘问题。随着电力系统容量的增大，电压水平的提高，以及相关物理学科的迅速发展，高电压学科也快速发展。自20世纪

60年代以来，随着超高压、特高压(UHV)输电技术及装备的发展，高电压技术学科已经

产生许多新的分支，扩大了其应用领域，成为了电工学科中十分重要的分支。

高电压学科的研究范围，主要包括：如何根据需要获得预期的高电压：如何确定由于随机干扰因素而引起外部电压的特性及其变化规律，从而采取相应的措施。其中，前者是高电压技术中的核心内容，这是因为在电力系统中，在大容量、远距离电力输送要求越来越高的情况下，几十万伏甚至上百万伏的高电压和可靠的绝缘系统是支撑其实现的必备技术条件。而且，从电力建设上看，提高了输电电压，输变电设备绝缘部分占总造价的比重也相应提高。为了使电力系统在安全的基础上运行更加经济，就必须使可能出现的过电压峰值、所采取的过电压限制措施以及绝缘所能承受的能力三者相平衡。另外，在各种新兴领域，比如航空航天、深海探测、新能源和轨道交通等，与高电压技术形成交叉，也对高电压学科提出越来越高的要求。因此，高电压技术在电气工程和多个新兴学科领域的研究中都占有十分重要的地位，具有重要的价值和意义。

2.高压输电技术的发展

高电压技术随着电力系统输电电压的提高而迅速发展的。由于升高电压等级可以提高电力系统的输送能力，降低线路损耗，增加传输距离，降低电网传输单位容量的造价。因此，电力系统总是在安全与经济效益的平衡下采用较高等级的电压。输电电压一般分为高压(HV)、超高压(EHV)和特高压(UHV)。目前国际上高压一般指交流35~220kV的电压：超高压一般指交流330~1000kV的电压：特高压一般指交流1000kV及以上的电压。而高压直流(HVDC)通常指的是±8OOkV及以下的直流输电电压，±80OkV以上的则称为特高压

直流(UHVDC)。

高电压技术第3版

从世界范围来看，交流高压输电发展100多年来，输电电压提高了近100倍。1890年，英国最早建成了一条长达45km的10kV输电线路：随后，德国于1891年建成了一条170km的15kV三相输电线路。在早期的高压输电中，由于变压器不能直接用于直流输电，所以交流输电发展得更加迅速。国际上在20世纪60年代就开始了特高压输电的研究。1985年苏联首先建成了一条长达1228km的1150kV交流输电线路。美国、意大利、日本、法国、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年代也建成了一条长300km的

1000V特高压输电线路

与高压交流输电的发展相比，高压直流输电的发展相对较晚。高压直流输电具有长距离、大功率的电力输送优势，一般认为高压直流输电适用于以下范围：①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。②海底电缆输电。③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）。④实现两个不同额定功

率或者相同频率电网之间非同步的连接。⑤通过地下电缆向用电密度高的城市供电。⑥风

电、光伏等新能源并网在经历了“汞弧阀一晶闸管阀一绝缘栅极晶体管(IGBT)”三大换流

技术变革的基础上，高压直流输电在世界范围内获得快速发展。直流输电发展可以分为以下

四个阶段：

1)20世纪50年代以前一试验阶段。这一阶段为直流输电的初始阶段。其主要代表工程为1945年德国的爱尔巴-柏林工程、瑞典的脱罗里赫坦-密里路特工程以及1950年苏联的卡希拉-莫斯科工程。其特点是：①直流输电工程参数较低。输电电压仅为几十千伏，输送容量小，输送距离短。②换流装置采用的都是低参数汞弧阀。③发展速度较慢。主要是由于20世纪50年代初期交流系统的超高压输电正处于发展的上升时期，是当时的主要发展潮流。而当时的直流设备制造水平也较低，可靠性不高。

2)20世纪50年代至70年代一缓慢发展阶段。1954年瑞典建成了从本土通往哥得兰岛的海底直流输电电缆工程(20MW、98km、100kV),这是世界上第一条工业性直流输电线路，是世界上首次在直流输电工程中采用大功率汞弧阀。其特点是：①直流输电设备的制造技术有了很大提高，直流输电开始进入工业化实用阶段。②直流输电应用于水下输电、远距离大功率输电等多种场景。③虽然换流装置仍然采用汞弧阀，但是技术参数已经有了很大提高，质量得到大幅改善。④由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、故障率高以及运行维护不便，直流输电技术的发展受到了限制。

3)20世纪70年代至90年代一发展推广阶段。1972年，晶闸管阀（可控硅阀）在加拿大伊尔河的背靠背高压直流输电工程中得到应用，这是世界上首次采用更先进的晶闸管阀取代原先的汞弧阀。同时，微机控制和保护、光电传输技术、水冷技术和氧化锌避雷器等新技术广泛应用于直流输电工程中，使直流输电技术进入发展推广阶段。这一阶段的特点是：①晶闸管阀在世界范围内的直流输电工程中得到广泛应用。②开始大力建设超高压直流输电工程。③单回线路的输电能力比前阶段有很大提高。④发展速度很快，规模也越来越大。

4)20世纪90年代到现在一新型输电阶段。1997年，第一个采用IGBT阀组成的电

压源换流器的直流输电工业性试验工程(3MW、10kV、10km)在瑞典投运，标志着新型氧

化物半导体器件一绝缘栅双极晶体管(IGBT)在工业驱动装置上得到广泛应用，并正式

进入直流输电领域。IGBT在直流输电领域的应用，为直流输电的发展带来了崭新面貌。这

论

阶段的特点是：①基于IGT的电压源换流器因为其电流可以双向流动，因而解决了传统

3

直流输电功率不能反转的问题，易于构成多端网络，为未来直流电网的发展打下了坚实的基

础。②基于IGBT子模块级联的电压源换流器，制造难度下降，也降低了高频投切的影响，

促进了柔性直流输电工程的发展。③随着电力电子技术的发展，电力电子设备的成本下降，有利于系统稳定性提升，直流输电的优越性会更大程度提高。

3.我国高电压技术的发展

我国高电压技术的发展和电力工业的发展是紧密联系的。1949年新中国成立以前，电力工业发展缓慢，输电线路建设迟缓，输电电压因具体工程的不同而不同，没有标准，输电电压等级繁多。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。直到新中国成立以后，才逐渐形成了经济合理的电压等级系列。之后，我国输电电压等级经历了从中压、高压到超高压、特高压的发展阶段。

在交流高压输电技术方面，1952年我国以自己的技术力量开始自主建设110kV输电线路，形成了京津唐110kV输电网。1954年建成丰满李石寨220kV输电线路，接下来的几年形成了220kV东北骨干输电网架。1972年建成由我国自行设计和施工的330kV刘家峡-关中输电线路，逐渐形成西北电网330kV骨干输电网架。1981年建成第一条500kV姚孟-武昌输电线路，开始形成华中电网500kV骨干输电网架，从此我国进人500kV输电工程发展期在逐步形成330V区域和500kV区域骨干输电网架的同时，我国于20世纪80年代初开始了更高电压等级的论证，国家明确提出500kV以上输电线路的输电电压为1000kV,330kV以上输电线路的输电电压为750kV。20世纪80~90年代，针对输电工程的需要进行了1000kV特高压输电和750kV超高压输电的基础研究和可行性研究，并建立特高压试验线段，发展特高压输电设备，进一步对特高压输电技术进行试验研究。2005年建成世界上海拔最高当时我国运行电压等级最高的750kV西北电网输电工程。2009年，1000kV晋东南-南阳荆门特高压交流试验示范工程正式投运，这是当时世界上电压等级最高、技术水平最高的输变电工程，标志着我国在远距离、大容量、低损耗的特高压核心技术和设备国产化上取得重大突破，整体技术和设备达到了国际领先水平。2018年以来，国家发改委又陆续批准了“张北一雄安”“南阳-荆门-长沙”“荆门-武汉”“南昌-长沙”等1000kV特高压交流输变电工程。

我国的高压直流输电技术虽然起步较晚，但发展速度很快，代表性高压直流输电工程见表0-1。其中，灵宝和高岭输电工程引领了我国背靠背直流输电工程的发展，所谓背靠背直流输电系统是指整流站设备和逆变站设备通常装在一个换流站内，输电线路长度为零的直流输电系统。2010年成功运行的±800kV向家坝-上海特高压直流输电工程，是我国首个自主研发、设计、建设、运行的特高压直流输电示范工程。2020年投运的±500kV张北柔性直流输电工程，是世界上第一个实现风、光、储多能互补的、电压等级最高、输送容量最大的柔性直流电网。这些直流输电工程在我国西电东送和全国大区联网工程中发挥了重要作用，标志着我国已成为世界上直流输电容量最大、直流输电电压最高、电压等级最全和发展速度最快的国家

高电压技术第3版

表01代表性高压直流输电工程

工程名称

电压/kV投运年份

意义

舟山直流输电工程

±100

1987

我国首个直流输电工程

我国首个实现远距离直流输电并实现华中与华东直流联网

葛洲坝-上海

±500

1989

的直流输电工程

三峡水电站一惠州

±500

2004

实现华中与华南直流联网

灵宝（背靠背工程）》

±120

2005

全部采用国产设备，并实现华中与西北直流联网

世界上容量最大的背靠背换流站，并实现华北与东北直流

高岭（背靠背工程）

±125

2008

联网

宝鸡德阳

±500

2010

打通西北与西南（四川）电力大通道

我国首个自主研发、设计、建设、运行的特高压直流输电

向家坝-上海

±800

2010

示范工程

实施“疆电外送”的首个特高压直流输电工程，有效推动

哈密南郑州特高压直流工程

±800

2014

了西北煤电、风电、太阳能的集约化开发

世界上规模最大，集风电、光伏发电、储能及智能电网输

张家口国家风光储输示范工程

500

2011

电四位一体的新能源试验示范平台

世界上第一个真正具有网络特性的直流电网：世界上第一

张北柔性直流输电工程

±500

2020

个实现风、光、储多能互补的直流电网：世界上最高电压等级、最大容量的柔性直流换流站

伴随高压输电工程的发展，20世纪90年代后期，我国已形成以500kV为骨干输电网架的东北、华北、西北、华中、华东和南方等六大区域电网的基本格局。2011年11月，±40OkV青藏联网工程投运，标志着除台湾外全国联网格局基本形成。目前，我国已形成以特高压骨干网架为基础，区域电网协同发展的坚强智能电网。其特点是：①区域间相对独立，跨区长距离输电以直流线路为主，实现异步互联，保证电力故障控制在区域内，避免事故跨区大面积蔓延。②区域内进一步优化网架结构，形成以特高压输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电、高压直流输电和配电网构成的层次结构清晰的主网架结构。③远期将从以集中式大电网为主，逐步向以分布式和综合能源利用的智能电网方向发展，储能、微网、智能通信和能源互联网等技术大范围推广应用，电网智能化水平全面升级。预计“十四五”期间，我国东部继续加快形成华北、华中、华东“三华”特高压同步电网，建成“五纵五横”特高压交流主网架，同时统筹推进特高压直流通道建设。到2025年进一步完善特高压骨干网架，并加强区域750kV、500kV主网架建设，优化完善330kV、220kV电网分层分区，实现各级电网协同发展。紧密围绕实现“双碳”目标和构建新型电力系统，立足电网主业，规划建设能源互联网，并积极响应“一带一路”建设，引领全球化、构建全方位开放发展的电网新格局。

我国庞大的交直流输电工程网架，对构建科学的能源综合运输体系，保障我国能源和电力供给具有重大意义。由于我国幅员辽阔，一次能源分布不平衡，能源与重要负荷中心距离远，这样的资源禀赋和电力需求的逆向分布决定了我国“西电东送”“北电南送”的电力输送格局。基于大规模、远距离输电的考虑，发展特高压输电技术与设备是保障大煤电、大水

绪

论

电和清洁能源基地建设，有效实现蒙电外送、疆电外送和西南水电外送的资源优化配置的关

5

键基础。截至2021年底，我国发电装机容量达23.8亿kW,位居世界第一。其中火电装机容量13亿kW,水电装机容量3亿kW,核电装机容量0.5亿kW,并网风电装机容量3.3亿kW,并网太阳能发电装机容量3.1亿kW,我国并网风电和太阳能装机容量年增长达16.6%和20.9%。我国可再生能源发电装机达到10.63亿kW,占总发电装机容量的44.8%。截至2020年，国家电网已建成投运“十四交十二直”26项特高压工程，核准、在建“两交三直”5项特高压工程，输电线路长度达到4.1万km,累计送电超过1.6万亿kW·h,电网资源配置能力不断提升，在保障电力供应、促进清洁能源发展、改善环境、提升电网安全水平等方面发挥了重要作用。

0.2高电压下典型现象与研究简述

1.电介质的电气强度

随着特高压工程的快速发展，高电压、强电场下电介质的典型现象越来越受到各国学者的关注。

电介质电气强度的相关知识以电介质物理学为理论基础，电介质物理主要是研究介质内部束缚电荷在电和光的作用下的极化过程，阐明其极化规律与介质结构的关系，也研究电介质绝缘材料的击穿过程及其机理。在高电压技术领域，则进一步研究气体放电的基本物理过程和沿面放电，固体和液体电介质的极化、电导、损耗与击穿等方面的性能。

通过全面深刻地理解和掌握电介质电气强度的相关知识，才能设计出严谨、高效并且符合实际情况的电气绝缘与高电压试验，进一步完善电介质电气强度的理论知识：才能制定出正确、安全并且兼顾技术经济性的过电压防护与绝缘配合方案，并应用于工程实践中。目前对于电介质电气强度的研究还不是很完善，尤其是对于气体电介质的电气强度的研究。所以，必须通过借助数学、物理、化学以及材料等学科的知识来解决目前电介质电气强度方面的问题，这对于高电压技术学科的发展具有重大的意义。

2.电气绝缘与试验

在高电压技术领域，不论要获得高电压，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。因为高电压、强电场下电介质会显现不一样的介电特性。在一定的电压条件下，必须选择合理的绝缘材料，设计合理的绝缘结构。没有可靠的绝缘，高电压强电场甚至无法实现：没有可靠的绝缘系统，电气设备在高压环境下的安全运行就得不到保障

由于电介质的电气强度、极化规律与击穿过程复杂且理论尚不完善，而且高电压技术是

一门工程性很强的学科，所以电气绝缘试验必不可少。绝缘试验一般分为离线与在线两种离线试验包括预防性试验与各种高电压试验。预防性试验主要是对各种电气设备绝缘进行定期检查，从而及早发现缺陷，及时修复。高电压试验是通过实验室内产生的高电压来模拟各种交、直流电压与冲击电压，从而考察电气设备绝缘的耐压能力。在线试验通常指电气设备运行状态下的绝缘在线检测。在线检测可以弥补离线试验的一些缺点，有效地防止电力设备绝缘故障的发生，而且经济效益显著。随着传感器、自动控制以及数字信号处理等技术的进步，在线检测将会得到更加广泛的应用与发展。

高电压技术第3版

3.过电压防护与绝缘配合

6

绝缘配合是高电压技术的核心，是指在综合考虑电力系统中可能出现的各种作用电压保护装置特性以及设备绝缘特性的情况下，最终确定电气设备的绝缘水平。电力系统运行过程中，经常会出现各种冲击电压，如自然界的雷击、电力系统开关操作导致的操作过电压等。在这些过电压的作用下，电气设备的绝缘很容易发生闪络而损坏，从而造成停电事故随着输电电压等级的逐步提升，高压设备的工作电压也越来越高，因此设备造价也会水涨船高。在高压设备昂贵的造价中，设备本身的绝缘占了较大比例。如果在制造设备的过程中，不对各种过电压进行防护而只考虑设备本身绝缘的耐受能力，则设备的性价比将非常低以至于没有实际工程应用价值。因此，对于电气设备采取一定的过电压保护措施非常重要，这样才能更好地解决电气设备的绝缘配合问题。

0.3高电压技术发展前景

高电压技术是一门学科交叉特色鲜明的学科。在党的十九届五中全会提出的“面向世界科技前沿，面向经济主战场，面向国家重大需求，面向人民生命健康”的科技发展目标指引下，高电压技术学科将在多学科交叉与新领域拓展过程中取得更大的进步

1.学科的交叉渗透

由于高电压强电场作用下绝缘介质的性能变化规律复杂，与数学、物理、化学、材料以及信息传感技术等学科形成了紧密的交互关系。当前，数值计算、新材料研发、大数据处理、人工智能、多信息融合检测技术已经成为高电压领域的热点研究内容。

1)与新材料技术交叉。材料学科是发展最快的领域之一。新材料的不断涌现，可能引发电工领域的革命性变化。有机硅橡胶材料在外绝缘领域的应用就是一个突出的实例。众所周知，高压输电线路的绝缘子曾是电瓷一统天下，尽管电瓷材料有耐老化性能好、绝缘性能良好等优点，但是也具有易破碎、抗拉强度低、笨重、生产耗能高等先天弱点，特别是耐污闪性能不好，极大地威胁着电力系统运行的安全稳定性。硅橡胶等有机材料由于重量轻、易加工、耐污闪性能好，已成功地在线路外绝缘上得到推广应用。以硅橡胶材料为伞裙护套，环氧玻璃纤维引拔棒为芯棒的线路悬式合成绝缘子，已在我国线路绝缘子市场占据超过1/3的份额。通过多年恶劣气候条件的严峻考验，事实表明，合成绝缘子的耐污闪能力明显高于电瓷绝缘子和玻璃绝缘子，已成为一项行之有效的防污闪技术，在防止污闪事故发生，保护电力系统安全运行方面发挥了显著作用，受到电力运行部门的欢迎。其他诸如变电站外绝缘，硅橡胶用于棒型支撑绝缘子，绝缘套管等电气设备，高速铁路腕臂支撑绝缘子，车顶外绝缘也采用了合成绝缘子。随着材料技术的进一步发展，高温超导材料、新型磁性材料、新型合金及纳米材料，都将会在高电压设备上得到迅速的推广应用

2)与计算工程学交叉。传统高电压以试验为主，辅以经验公式和半物理模型以解释高电压物理现象，解决工程中的绝缘配合问题。随着电力需求的快速增长及远距离高压输电技术的需求，进展缓慢的放电理论和模型，试验精确量化与成本，以及未知状态的多物理场分布，需要更先进的研究分析方法推动高电压学科的发展。随着计算机科学、应用数学和软件

工程的迅速发展，计算高电压工程学(CHVE)被提出来，它是基于等离子体理论和高电压

技术，利用应用数学和计算机科学解决或解释高电压工程实际问题的学科，即通过计算模拟

···试读结束···