主 题：第六章 电气工程新技术发展
学习时间：2013年1月21日－1月27日
内 容：
我们这周主要学习电力系统的大电网互联技术，电工技术的最新发展，大功率电力电子技术。
第六章 电气工程新技术发展
第一节 电力系统大电网互联技术
电力系统大电网互联技术我国电力系统的发展，是世界电力系统发展的重要组成部分。
我国电力系统发展面临的大容量远距离输电和大电网互联问题，将是我们未来10-20年内要解决的主要问题。
环境保护制约和电力改革的影响也将现实地提到日程，必须引起我们高度重视。
到2010年，在我国中部将形成沿长江流域包括四川、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统，总容量将会接近200GW。与此同时，北方的华北、东北、西北电网将实现互联；南方电网将进一步加强。届时，全国将形成北、中、南三大互联电网的格局。通过它们之间的互联，预期2020年左右将基本实现全国联网。随着东部、中部核电的建设，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的远距离输电和电网互联将得到进一步加强。
在我国，大型电厂、电源基地特别是大型水电站的建设，往往导致跨省、跨区大容量远距离送电，对大电网发展起着决定性作用。大电网互联是实现更大区域范围内资源优化配置和逐步缩小东西部地区经济差距的客观需要，这一发展战略的实施已经成为促进全国联网的重要因素。大电网互联可以取得显著的联网效益，实现更大范围内的资源优化配置，取得联网送电效益，有利于加大中西部地区能源资源的开发力度，有利于电力工业实施可持续发展战略，能更好地适应市场经济的需要。
大电网互联的联网效益体现在以下几个方面：
（1）错锋效益。
（2）水、火电互补效益。
（3）水电流域补偿调节效益。
（4）互为备用效益。电网互联，为电网之间互相调剂余缺和协调规划与运行提供了前提条件。
扩大电网有利于充分发挥大型水、火电站的作用和效益；可在更大范围内实现系统经济运行。形成更大区域内的发供竞争局面，相互开拓了电力市场，进而取得企业和社会双重效益；大大改善大机组运行环境，有效地解决小网大机的系统运行问题。
三大电网互联及联网的发展趋势，带来了稳定性破坏和大面积停电事故的教训，使人们对大电网互联运行的控制问题给予了格外关注。结合我国电网实际，应加强如下方面的研究工作：
(1)互联电力系统低频振荡控制的研究
(2)全球卫星定位系统（GPS）在电网安全监视和稳定控制中应用的研究
(3)防止大面积停电的控制和恢复策略的研究
近年来，在EMS系统中采用EEAC、PEBS等直接法在线分析监视系统暂态稳定已取得重要成果。
将现有的离线分析程序加以改造，与直接法相结合，以适应在线稳定分析要求从而得到更为充分的信息，也在国内外一些电网得到实际应用。
进一步应开展事故后恢复策略的研究，为处理事故过程中的大量警报信息，采用人工智能等科学方法。
全国互联的电力系统带来巨大的好处的同时，也带来了很大的潜在的问题。
互联电力系统牵一发而动全身，一旦出现故障，波及的范围及造成的危害也大大的上升了，因此大面积停电的风险也更大了。
近年来国内外相继出现大的停电事故，这些停电事故不但在经济上造成了巨大的损失，而且对人民生活造成了很大的影响。
停电造成损失的著名例子是美加“8.14大停电”。其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人口的用电。
第二节 电工制造技术最新发展
1．研制大型新发电机组
我国目前主要还是靠燃煤发电，重要的是要提高机组效率，降低煤耗。
发展大容量、高参数和高效率的火电机组，进行100万kW级超临界机组的研制和批量生产是一条有效途径。
采用超临界机组较亚临界机组热耗较低，经济性较好，容量越大优越性越显著。研究开发高效率、低排放、少污染新型燃煤发电技术，如循环流化床锅炉（CFBB）、增压流化床锅炉联合循环（PFBC－CC）发电技术，以及整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（IGCC）发电技术。
广泛采用洁净煤技术，如先进实用的洗煤技术；煤炭转化的煤气气化、干溜和液化技术；煤炭废弃物的洁净处理等。
应用环保设备，推广烟气脱硫技术。
适应中国国情，研究劣质煤、贫煤等的燃烧技术。
在大型水轮机组的研制方面，必然有许多机械、力学、电磁、发热及冷却等方面的问题需要研究解决。
2．智能电器与电气新材料
近年来，电器的设计、研制和开发进入了一个崭新的时代。
电器在技术理论和电器产品结构正处于不断更新和全面提高的阶段。
传统的有触点电器在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断改进和完善；
真空电器、半导体电器以及其他新型电器如微电子技术和电器技术结合的机电一体化电器或智能化电器亦在开拓发展之中；
电器产品向着组合化、成套化发展。
将智能化技术引入低压电器，使低压电器技术在研究、检测、生产的各个环节上发生了根本的变化。
(1）智能化的控制技术
智能断路器、智能电动机保护器、智能接触器等智能电器元件和智能型配电网络系统应运而生。
(2)智能化的设计技术
随着计算机技术的飞速发展，CAD、CAE和CAM技术使低压电器的设计与研究跨进了一个新阶段，产品开发周期大大缩短。
(3)智能化的检测技术
要开发性能优良的低压电器产品，必须要有先进的测试、检验手段。20世纪90年代人们提出了“可测性设计”的观念。
(4)新材料的应用
电介质材料种类繁多，有固体、液体和气体；有单晶、陶瓷、非晶、高分子聚合物和生物物质等。
第三节 大功率电力电子技术
1．大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率变流装置已经是比较成熟的技术。
大功率电子器件(High Power Electronics)的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次。
近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。
目前，已经生产出6kA、6kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30MW左右，这无疑是一个巨大的进步。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。晶闸管(晶闸管)用于高压直流输电已经有很长的历史。
大功率电子器件应用于灵活的交流输电(FACTS)、定质电力技术(Custom Power)以及新一代直流输电技术则是近10年的事。
新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的电力研究前沿课题。
2．灵活交流输电技术（FACTS）
灵活的交流输电系统是20世纪80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实行电能的高效利用将会发挥重要作用。灵活交流输电技术是指电力电子技术与控制技术结合以实行对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。
FACTS技术也在不断改进，一些新的FACTS装置被开发出来。
电力电子器件的发展趋势是:
一方面研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。
3．定质电力技术
定质电力(Custom Power)技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。
为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器(D-STATCOM)。是“定质电力”的关键设备之一
静止无功发生器由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压,发生和吸收电网的无功功率,同时可以抑制电压闪变。
另一关键设备是动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer),它由直流储能电路、变换器和次级串联在供电线路中的变压器构成。
4．同步开断技术
同步开断(Synchronized Switching)是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。
在理论上，应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样,由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低,由于操作引起设备(包括断路器本身)的损坏也可大大减少。
高压开关属于机械开关,开断的时间长、分散性大,难以实现准确的定相开断。目前的同步开断设备是应用一套复杂的电子控制装置,代价昂贵，而且还不能做到准确的定相开断。
实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。
美国西屋公司已制造出13kV、600A、由GTO元件组成的固态开关,安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3ms,这是一般机械开关无法比拟的。
现在,由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。
现在的电力系统由于还依赖高压机械开关(油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等)实现线路、设备、负载的投切,尚不能做到完全可控。这是因为机械的慢过程不可能控制电的快过程。
“电网控制”目前只能做到部分控制,本质上仍然是一个调度员的决策支持系统。
如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代,则电力系统真正的灵活调节控制便将成为现实。
第四节 状态维修技术
1．应用背景
状态维修技术(Condition Based Maintenance)可以包涵可靠性为中心的维修技术(RCM)和预测维修技术(PDM)。
电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高,维修管理的重要性日益显现出来。维修费用占电力成本的比例也不断提高。
如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划,以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用,便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。
2．主要技术内容
以可靠性为中心的维修(RCM)和预测性维修(PM)是互相紧密联系而又不同的2个技术领域。
以可靠性为中心的维修(Reliability-centered Maintenance)是在对元件的可能故障对整个系统可靠性影响评估的基础上决定维修计划的一种维修策略。
预测性维修(Predictive Maintenance)是根据对潜伏故障进行在线或离线测量的结果和其他信息来安排维修的技术
综上所述,电力设备状态维修技术涉及复杂大系统可靠性评价、先进的传感技术、信息采集处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、故障严重性分析、寿命估计等领域。
3．先进传感器
先进的传感器(Advanced Sensor)是实现预测性维修的重要手段,是一个长盛不衰的研究热点。
为了提高故障诊断水平,研究各种新型传感器便成为电力界的研究热点。
原来用于军事的传感技术,也有一部分移植到电力设备的状态监测上来。
美国电力研究院已开发出一种直接测量分析油中气体的金属绝缘子半导体传感器,它可在线直接测量和分析油中的4种气体并监视其变化趋势,现已用于一些电力部门的变压器。
研究人员还在研究利用偏振光遥测电场和磁场的技术,研究用压电材料的薄膜来测量腐蚀和积尘,传感器测得数据的无线传输也是需要解决的一个重要问题。
4．故障诊断的信息处理技术
对采集到的信号加工处理,要比采集信号本身更为困难。
为抑制现场测量中不可避免的干扰,除了应用硬件滤波器和数字滤波技术以外,近年的研究发现小波变换技术可有效地滤除稳态信号(如现场测试中经常遇到的载波信号干扰和噪杂声干扰),可以把有用信号从比信号强几个数量级的干扰中提取出来。
故障信号的分类则是更为困难的研究课题。在研究的故障分类方法有:神经网络、专家系统、小波分析、分形维分析等。
基于互联网的虚拟电力设备医院（VPEH），能够有效地检索信息、保存和扩展有关电力设备维护方面的论述资料、提供信息互动的详细资料。
第五节 电工新技术
电工新技术是电工与其它学科相结合的产物。它的基础是电工基础理论与其它学科基础理论相结合而形成的。
电工新技术牵涉的领域很广，从学术内容以及研究的问题来说，可以归纳为以下几个方面：
1．高功率脉冲技术
高功率脉冲技术是把储存在电场或磁场中的能量迅速地以脉冲形式释放出来，加以利用。
主要用于：电子束及离子束的产生与加速；强γ射线及X射线，核爆炸发生的γ射线；热核聚变；高功率激光器；电磁脉冲辐射。
2．环境保护中的电工新技术
70年代初，世界上不少国家开始了利用强磁技术对煤脱除无机硫和脱灰的实验研究。
磁分离技术还可用于废水净化和处理，目前已在钢厂废水处理方面得到实际应用。
除尘技术已进而发展到抑制各种开放性尘源；静电技术还可应用于去除空气中超微尘粒，以达到超净环境的要求，这对超大规模集成电路生产有特别重要的作用。
利用高电压技术还可以进行消毒和灭菌。
利用高压脉冲电晕放电技术（过程后）和磁分离技术（过程前）进行煤脱硫研究在我国已开展。
3．生物中的电工新技术
目前电工新技术已是发展高技术所不可缺少的一环，它在医学、生物学等领域已获得广泛的应用。
目前利用核磁共振原理制成的核磁共振仪（NMR）已广泛应用于生物、化学等领域。
高梯度磁分离技术是70年代初发展起来的一项技术，由于它具有很高的磁场梯度，这项技术便很快地引入到生物医学研究中。
利用磁场对水进行处理近年来也引起人们关注。水受磁场处理后，其活性增强，表面能力减小、渗透性增强，有利于水向细胞膜的渗透，从而促进新陈代谢。
利用高电压脉冲放电，产生冲击波，可利用体外冲击波破碎人体内泌尿系统和胆道系统内的结石。
利用电磁热效应可以治疗癌症。
利用电磁非热效应可以治疗各种疾病。
电磁波辐射对人体也有显著的生物学作用；电离辐射强度超过一定水平就可能对人体产生危害；静电场和高电压对胚胎可能会有致畸的作用。
我国在高压放电的生物效应方面已经做了许多研究，并已取得一定成果。
本周要求掌握的内容如下：
通过学习了解电力系统的大电网互联技术，电工技术的最新发展，大功率电力电子技术，状态维修技术，电工新技术。
习题
（一）填空题
1.电力系统稳定按性质可分为三种（ ）、（ ）、（ ）。
答案：功角稳定、电压稳定和频率稳定
2．（ ）是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。
答案：同步开断
（二）判断题
1．灵活调节线路潮流可以充分利用现在电网资源的要求。 (正确)
2．当今电力系统调节器度中心的能量管理系统基本上是以处理稳态方式调度运行为主。 (正确)
（三）简答题
1．简述大功率电力电子新技术。
答：
（1）灵活交流输电技术
（2）定质电力技术
（3）同步开断技术
2．简述大电网互联的主要效益。
答：
（1）错锋效益。
（2）水、火电互补效益。
（3）水电流域补偿调节效益。
（4）互为备用效益。
