電力前沿技術的現狀和前景

    “電力技術是通向可持續發展的橋梁”，zhegelunduanyijingzhujianchengweirenmendegongshi。yanjiubiaoming
，weileshixiankechixufazhan，yingjinkenengbayicinengyuanzhuanhuanweidiannengshiyong，tigaodianlizaizhongduannengyuanzhongdebili。因為，在保證相同的能源服務水平的前提下, 使用電力這種優質能源最清潔

、方便，易於控製、效xiao率lv最zui高gao。如ru果guo能neng將jiang大da量liang分fen散san燃ran用yong的de化hua石shi燃ran料liao都dou高gao效xiao潔jie淨jing地di轉zhuan換huan為wei電dian力li使shi用yong

，人ren們men賴lai以yi生sheng存cun的de環huan境jing和he生sheng活huo質zhi量liang就jiu會hui大da大da改gai善shan。因yin此ci
，電dian能neng高gao效xiao潔jie淨jing地di生sheng產chan、傳輸、儲存、 分配和使用的技術將成為下世紀電力技術的重點領域。電力技術屬於傳統技術的範疇，技術創新和出現重大突破的機會要比信息科學、生命科學、材cai料liao科ke學xue等deng新xin興xing學xue科ke少shao得de多duo。但dan是shi，應ying該gai看kan到dao，電dian力li技ji術shu與yu其qi他ta學xue科ke的de相xiang互hu交jiao叉cha和he滲shen透tou的de趨qu勢shi越yue來lai越yue明ming顯xian。電dian力li研yan究jiu的de一yi些xie前qian沿yan課ke題ti反fan映ying了le這zhe種zhong趨qu勢shi。以yi下xia將jiang對dui若ruo幹gan電dian力li前qian沿yan技ji術shu的de現xian狀zhuang和he未wei來lai發fa展zhan前qian景jing進jin行xing評ping述shu。

1 分布式電源

   分布式發電裝置（Distributed Generation）是指功率為數千瓦至50 MW小型模塊式的、與環境兼容的獨立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有
，用以滿足電力係統和用戶特定的要求。如調峰、為邊遠用戶或商業區和居民區供電，節省輸變電投資、提高供電可靠性等等。

   當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內燃機(IC)、微型燃氣輪機（Microtur_bines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環保性能，分布式電源與“小機組”已不是同一概念。

1.1 應用背景

   youyugongzhongduishudianxianlukenengchanshengdedianciyingxiangdeyoulv，kaipixindexianluzoulangyuelaiyuekunnan。liru
，beimeihexiouxuduoguojiayijuedingyibanbuzaixingjianxindeshudianxianlu。yushi，zhijieanzhizaiyonghujinpangdefenbushifadianzhuangzhibianchengweiyizhongtidaifangan。qici，yudadianwangpeihe，fenbushidianyuankedadaditigaogongdiankekaoxing，kezaidianwangbengkuiheyiwaizaihai（例如地震
、暴風雪、人為破壞、戰爭）情況下，維持重要用戶的供電。加拿大魁北克省1997nianbingxuezaizaochengshupeidianxianluzainanxingpohuai
，yinqidamianjitingdian，xuduozhongyaoyonghuchangqibunenghuifugongdian。renmenrenshidao，ruguonengyouyudianwangpeihedefenbushidianyuanzaiyunzhuan，gongdiankekaoxingjianghuidadaditigao
，yixiezainanxinghouguoshikeyibimiande。

    對dui供gong電dian網wang難nan以yi達da到dao的de邊bian遠yuan分fen散san用yong戶hu
，分fen布bu式shi電dian源yuan在zai技ji術shu經jing濟ji上shang具ju有you競jing爭zheng力li。此ci外wai，發fa展zhan電dian動dong車che電dian源yuan是shi研yan究jiu發fa展zhan分fen布bu式shi電dian源yuan的de重zhong要yao推tui動dong力li。

1.2微型燃氣輪機

   微型燃氣輪機（Micro Turbine）,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉速為96 000 r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500 ℃，其發電效率可達30%。目前國外已進入示範階段。其技術關鍵是高速軸承
、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的突破常常取決於材料科學的進步。

1.3燃料電池

   燃料電池是直接把燃料的化學能轉換為電能的裝置。它是一種很有發展前途的潔淨和高效的發電方式，被稱為21世紀的分布式電源。

1.3.1燃料電池的工作原理

   燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉變為氫離子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質到達陽極與氫離子結合成水

，外電路則形成電流。

   通常，完整的燃料電池發電係統由電池堆
、燃料供給係統、空氣供給係統
、冷卻係統
、電力電子換流器
、保護與控製及儀表係統組成。其中
，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。

   磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、已商業化的燃料電池。現在已能生產大容量加壓型11 MW的設備及便攜式250 kW等各種設備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池（MCFC）
，工作在高溫（600～700 ℃）下

，重整反應可以在內部進行，可用於規模發電，現在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由於電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用於煤基燃料發電。質子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。

1.3.2 性能和特點

   燃料電池有以下優點：（1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達584%。通過熱電聯產或聯合循環綜合利用熱能
，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發電效率與規模基本無關，小型設備也能得到高效率。（2）處於熱備用狀態，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1 s內跟隨50%的負荷變化。(3)噪音低


；可以實現實際上的零排放
；省水。（4）安裝周期短
，安裝位置靈活，可省去新建輸配電係統。

   目前燃料電池大規模應用的障礙是造價高，在經濟性上要與常規發電方式競爭尚需時日。

1.3.3 技術關鍵和研究課題

   燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命
、大型化、價格等與商業化有關的項目，主要涉及新的電解質材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池（MCFC）在高溫條件下液體電解質的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命
，使MCFC的大型化及實用化受到限製。需要解決電池構成材料的腐蝕
；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。

   固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質且工作溫度很高,對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩定和致密性（不通過氣體）的電解質，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發塗層法製備電解質薄膜。實用的電解質膜的厚度為0.03～0.05 mm。比較先進的已達到0.01 mm。這(zhe)樣(yang)薄(bo)的(de)電(dian)解(jie)質(zhi)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)除(chu)應(ying)當(dang)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)機(ji)械(xie)強(qiang)度(du)外(wai)，必(bi)須(xu)具(ju)有(you)高(gao)度(du)的(de)氣(qi)體(ti)致(zhi)密(mi)性(xing)
，否(fou)則(ze)將(jiang)喪(sang)失(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)。燃(ran)料(liao)極(ji)使(shi)用(yong)鎳(nie)鋯(gao)等(deng)耐(nai)熱(re)金(jin)屬(shu)陶(tao)瓷(ci)
，鎳(nie)還(hai)用(yong)作(zuo)燃(ran)料(liao)重(zhong)整(zheng)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)
，空(kong)氣(qi)極(ji)在(zai)運(yun)行(xing)中(zhong)處(chu)在(zai)高(gao)溫(wen)氧(yang)化(hua)中(zhong)
，難(nan)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)般(ban)金(jin)屬(shu)。鉑(bo)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)
，但(dan)費(fei)用(yong)昂(ang)貴(gui)，需(xu)要(yao)尋(xun)找(zhao)替(ti)代(dai)材(cai)料(liao)，可(ke)用(yong)電(dian)子(zi)導(dao)電(dian)陶(tao)瓷(ci)。為(wei)了(le)降(jiang)低(di)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)
，另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)是(shi)尋(xun)找(zhao)低(di)溫(wen)的(de)質(zhi)子(zi)導(dao)電(dian)的(de)電(dian)解(jie)質(zhi)。工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)倘(tang)若(ruo)能(neng)降(jiang)低(di)到(dao)700 ℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。

2 大功率電力電子技術的應用矽片引起的“第二次革命”

2.1 大功率電力電子器件的重大進展

   電力電子學（Power Electronics）的應用已經有多年的曆史。

   電力電子學器件用於電力拖動、變頻調速、大功率換流已經是比較成熟的技術。大功率電子器件（High Power Electronics）的快速發展也引起了電力係統的重大變革
，通常稱為矽片引起的第二次革命。近10多年來
，可控整流器(SCR)、可關斷的晶閘管(GTO)、MOS控製的晶閘管(MCT)、絕緣門極雙極性三極管(IGBT)等大功率高壓開關器件的開斷能力不斷提高。目前，已經生產出6 kA、6 kV的GTO，單個元件的開斷功率可達到30 MW左右，這無疑是一個巨大的進步。

   近年來，大功率電子器件已經廣泛應用於電力的一次係統。可控矽（晶閘管）用於高壓直流輸電已經有很長的曆史。大功率電子器件應用於靈活的交流輸電（FACTS）、定質電力技術（Custom Power）以及新一代直流輸電技術則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發和應用，將成為下世紀的電力研究前沿。

2.2 靈活交流輸電技術(FACTS)

   靈活的交流輸電係統(FACTS)是80年(nian)代(dai)後(hou)期(qi)出(chu)現(xian)的(de)新(xin)技(ji)術(shu)，近(jin)年(nian)來(lai)在(zai)世(shi)界(jie)上(shang)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su)。專(zhuan)家(jia)們(men)預(yu)計(ji)在(zai)未(wei)來(lai)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)將(jiang)在(zai)電(dian)力(li)輸(shu)送(song)和(he)分(fen)配(pei)方(fang)麵(mian)將(jiang)引(yin)起(qi)重(zhong)大(da)變(bian)革(ge)，對(dui)於(yu)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)現(xian)有(you)電(dian)網(wang)資(zi)源(yuan)和(he)實(shi)現(xian)電(dian)能(neng)的(de)高(gao)效(xiao)利(li)用(yong)，將(jiang)會(hui)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。

   靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現代控製技術結合以實現對電力係統電壓
、參數(如線路阻抗)
、相位角、功率潮流的連續調節控製，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力係統穩定水平
，降低輸電損耗。

   FACTS技術的出現和應用的背景是：（1）發展電力市場的需要。原作為公用事業之一的電力麵臨著“放鬆管製”（Deregulation）的改革。一些國家頒布法令規定用戶可以發電並售電給電網，允許電力用戶可自由選擇供電者，允許實行躉售托送（Wholesale Wheeling），某(mou)些(xie)地(di)區(qu)甚(shen)至(zhi)允(yun)許(xu)實(shi)行(xing)電(dian)力(li)零(ling)售(shou)托(tuo)送(song)。發(fa)電(dian)廠(chang)和(he)電(dian)力(li)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)協(xie)議(yi)通(tong)過(guo)電(dian)網(wang)售(shou)受(shou)電(dian)力(li)。電(dian)網(wang)作(zuo)為(wei)電(dian)力(li)市(shi)場(chang)的(de)物(wu)質(zhi)載(zai)體(ti)，即(ji)發(fa)電(dian)廠(chang)和(he)電(dian)力(li)用(yong)戶(hu)間(jian)電(dian)力(li)輸(shu)送(song)和(he)分(fen)配(pei)的(de)通(tong)道(dao)，需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)對(dui)電(dian)力(li)潮(chao)流(liu)靈(ling)活(huo)調(tiao)節(jie)控(kong)製(zhi)的(de)要(yao)求(qiu)，而(er)常(chang)規(gui)的(de)交(jiao)流(liu)輸(shu)電(dian)係(xi)統(tong)卻(que)很(hen)難(nan)適(shi)應(ying)這(zhe)一(yi)變(bian)化(hua)。

（2）發展互聯電網的需要。在發達國家已形成了緊密相連

、多電壓等級的複雜互聯電網。由於電路定則使然，電網內部線路及聯絡線在運行中實際的潮流分布與這些線路的設計輸送能力相差甚遠；一部分線路已過載或接近穩定極限，而另一部分線路卻被迫在遠低於線路額定輸送容量下運行。這就提出了靈活調節線路潮流、突破瓶頸限製
、增加輸送能力，以充分利用現有電網資源的要求。發達國家由於環保的嚴格限製，新建輸電線路十分困難，使得這一要求更為迫切。

   傳統的調節電力潮流的措施，如機械控製的移相器、帶負荷調變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯補償裝置等，隻能實現部分穩態潮流的調節功能，而且，由於機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態過程中快速靈活連續調節電力潮流、阻尼係統振蕩的要求。因此，電網發展的需求促進了靈活交流輸電這項新技術的發展和應用。近年來，靈活交流輸電技術已經在美國
、日本、瑞典
、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。

   盡管靈活交流輸電技術已在多個輸電工程中得到應用，並證明了它在提高線路輸送能力
、阻尼係統振蕩、快速調節係統無功、提高係統穩定等方麵的優越性能，但其推廣應用的進展步伐比預期的要慢。主要原因有：工程造價比常規的解決方案高

，因此，隻有在常規技術無法解決的情況下，用戶才會求助於FACTS技術；FACTS技術還需要進一步完善。目前FACTS技術的應用還局限於個別工程
，如果大規模應用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術問題，例如：多個FACTS裝置控製係統的協調配合問題
；FACTS裝置與已有的常規控製、繼電保護的銜接問題；FACTS控製納入現有的電網調度控製係統問題等等。也有專家認為
，FACTS技術尚不能更快推廣應用是因為電力部門對新技術持謹慎觀望態度
，隻有相當成熟的技術才會大規模應用。

   隨著電力電子器件的性能提高和造價降低
，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價會降低，可能會在不遠的將來比常規的輸配電方案更具競爭力。國際大電網會議展開了有關STATCOM與SVC性能價格比的討論，不少專家認為，由於STATCOM不需要采用大量的電容器就可以實現無功的快速調節，而電容器的價格多年比較穩定，不大可能大幅度下降
；相反
，電力電子器件的價格會不斷降低，故預計STATCOM會比SVC（靜止無功補償器）更有競爭力。若將超導儲能裝置與STATCOM配合，可以實現係統有功功率的快速調節，這是以往任何的常規設備不能勝任的。

   FACTS技術也在不斷改進，一些新的FACTS裝置被開發出來，例如可轉換靜止補償器（Convertible Static Compensator），它由多個同步電壓源逆變器構成，可以同時控製2條以上線路潮流（有功
、無功）
、電壓、阻抗和相角，並能實現線路之間功率轉換。可轉換靜止補償器具有下列功能：（1）靜止同步補償器的並聯無功補償功能；（2）靜止同步串聯補償器的功能；（3）綜合潮流控製器功能
；（4）控製2條線路以上潮流的線間潮流控製（IPFC）功能；CSC被認為是第3代靈活交流輸電裝置。

   電力電子器件的發展趨勢是：一方麵研製經濟性能好的器件，以便降低設備造價；另一方麵，研製開斷功率更大的高性能器件。最近，國外公司宣布研製成功以碳化矽（SiC）為(wei)基(ji)片(pian)的(de)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)。基(ji)片(pian)的(de)耐(nai)壓(ya)和(he)熱(re)容(rong)量(liang)可(ke)大(da)幅(fu)度(du)提(ti)高(gao)，而(er)元(yuan)件(jian)的(de)損(sun)耗(hao)卻(que)大(da)大(da)降(jiang)低(di)，從(cong)而(er)使(shi)元(yuan)件(jian)的(de)斷(duan)開(kai)功(gong)率(lv)可(ke)望(wang)有(you)數(shu)量(liang)級(ji)的(de)飛(fei)躍(yue)。這(zhe)預(yu)示(shi)用(yong)電(dian)子(zi)高(gao)壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)取(qu)代(dai)機(ji)械(xie)的(de)高(gao)壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)（油斷路器
、六氟化硫斷路器、真空開關等）已成為現實的可能。如果電力係統的高壓機械開關一旦被大功率的電子開關取代
，則電力係統完全的靈活調節控製便將成為現實。

2.3 定質電力技術

   定質電力（Custom Power）技術是應用現代電力電子技術和控製技術為實現電能質量控製，為用戶提供用戶特定要求的電力供應的技術。

   現代工業的發展對提高供電的可靠性

、改善電能質量提出了越來越高的要求。在現代企業中，由於變頻調速驅動器、機器人、自動生產線、精密的加工工具、可編程控製器、計ji算suan機ji信xin息xi係xi統tong的de日ri益yi廣guang泛fan使shi用yong，對dui電dian能neng質zhi量liang的de控kong製zhi提ti出chu了le日ri益yi嚴yan格ge的de要yao求qiu。這zhe些xie設she備bei對dui電dian源yuan的de波bo動dong和he各ge種zhong幹gan擾rao十shi分fen敏min感gan，任ren何he供gong電dian質zhi量liang的de惡e化hua可ke能neng會hui造zao成cheng產chan品pin質zhi量liang的de下xia降jiang
，產chan生sheng重zhong大da損sun失shi。

   重要用戶為保證優質的不間斷供電，往往自己采取措施，如安裝不間斷電源(UPS)，danshizhebingbushijingjihelidejiejuebanfa。genbendechuluzaiyugongdianbumennenggenjuyonghudexuyao

，tigongkekaoheyouzhidediannenggongying。yiner
，bianchanshengleyidianlidianzijishuhexiandaikongzhijishuweijichudedingzhidianlijishu（Custom Power Technology）。

   為提高配電網無功調節的質量，已開發出用於配電網的靜止無功發生器(DSTATCOM)。它由儲能電路
、GTO或IGBT變換電路和變壓器組成。它的功能是快速調節電壓，發生和吸收電網的無功功率
，同時可以抑製電壓閃變。這是“定質電力”的(de)關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)之(zhi)一(yi)。此(ci)外(wai)

，靜(jing)止(zhi)無(wu)功(gong)發(fa)生(sheng)器(qi)和(he)固(gu)態(tai)開(kai)關(guan)配(pei)合(he)
，可(ke)在(zai)電(dian)網(wang)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)的(de)暫(zan)態(tai)過(guo)程(cheng)中(zhong)保(bao)持(chi)電(dian)壓(ya)恒(heng)定(ding)。另(ling)一(yi)關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)是(shi)動(dong)態(tai)電(dian)壓(ya)恢(hui)複(fu)器(qi)(Dynamic Voltage Restorer)，它由直流儲能電路
、bianhuanqihejicichuanlianzaigongdianxianluzhongdebianyaqigoucheng。bianhuanqigenjujiancedaodexianludianyaboxingqingkuang，chanshengbuchangdianya，shihechengdedianyadongtaibaochihengding。wulunshiduanshidedianyadiluohuoguodianya，tongguoDVR均可以使負載上的電壓保持動態恒定。

2.4 新型直流輸電技術

   直流輸電已是成熟技術。造價較高是其與交流送電競爭的不利因素。新一代的直流輸電是指進一步改善性能
、大幅度簡化設備
、減少換流站的占地、降低造價的技術。直流輸電性能創新的典型例子是輕型直流輸電係統（Light HVDC），它采用GTO、IGBTdengkeguanduandeqijianzuchenghuanliuqi，shengqulehuanliubianyaqi
，zhenggehuanliuzhankeyibanqian
，keyishizhongxingdezhiliushudiangongchengzaijiaoduandeshusongjuliyejuyoujingzhengli，congershizhongdengrongliangdeshudianzaijiaoduandeshusongjuliyenengyujiaoliushudianjingzheng。ciwai，keguanduandeqijianzuchenghuanliuqi，youyucaiyongkeguanduandedianlidianziqijian，keyimianchuhuanxiangshibaizhiyu，duishouduanxitongderongliangmeiyouyaoqiu，gukeyongyuxianggulixiaoxitong（海上石油平台
、海島）的供電，今後還可用於城市配電係統，並用於接入燃料電池、光伏發電等分布式電源。

2.5 同步開斷技術

   同步開斷(Synchronized Switching)是shi在zai電dian壓ya或huo電dian流liu的de指zhi定ding相xiang位wei完wan成cheng電dian路lu的de斷duan開kai或huo閉bi合he。在zai理li論lun上shang應ying用yong同tong步bu開kai斷duan技ji術shu可ke完wan全quan避bi免mian電dian力li係xi統tong的de操cao作zuo過guo電dian壓ya。這zhe樣yang，由you操cao作zuo過guo電dian壓ya決jue定ding的de電dian力li設she備bei絕jue緣yuan水shui平ping可ke大da幅fu度du降jiang低di，由you於yu操cao作zuo引yin起qi設she備bei（包括斷路器本身）的損壞也可大大減少。目前，高壓開關都是屬於機械開關，開斷的時間長、分fen散san性xing大da，難nan以yi實shi現xian準zhun確que的de定ding相xiang開kai斷duan。目mu前qian的de同tong步bu開kai斷duan設she備bei是shi應ying用yong一yi套tao複fu雜za的de電dian子zi控kong製zhi裝zhuang置zhi，實shi時shi測ce量liang各ge種zhong影ying響xiang開kai斷duan時shi間jian分fen散san性xing的de參can量liang變bian化hua
，對dui開kai斷duan時shi刻ke的de提ti前qian量liang進jin行xing修xiu正zheng。即ji便bian采cai取qu了le這zhe種zhong代dai價jia昂ang貴gui的de措cuo施shi，由you於yu機ji械xie開kai關guan特te性xing決jue定ding
，還hai不bu能neng做zuo到dao準zhun確que的de定ding相xiang開kai斷duan，設she計ji人ren員yuan還hai不bu敢gan貿mao然ran降jiang低di電dian氣qi設she備bei的de絕jue緣yuan水shui平ping，以yi防fang同tong步bu開kai斷duan失shi敗bai造zao成cheng設she備bei損sun毀hui。因yin此ci
，同tong步bu開kai斷duan的de優you勢shi沒mei有you發fa揮hui出chu來lai。

   實現同步開斷的根本出路在於用電子開關取代機械開關。美國西屋公司已製造出13 kV、600A、由GTO元件組成的固態開關，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時間可縮短到1/3 ms，這是一般機械開關無法比擬的。現在

，由固態開關構成的電容器組的配電係統“軟開關”已問世。

2.6 未來全可控的電力係統

   現在的電力係統由於還依賴高壓機械開關（油斷路器
、六氟化硫斷路器
、真空開關等）實現線路
、設備、負荷的投切，尚不能做到完全可控。這是因為機械的慢過程不可能控製電的快過程。“電網控製”目(mu)前(qian)隻(zhi)能(neng)做(zuo)到(dao)部(bu)分(fen)控(kong)製(zhi)
，本(ben)質(zhi)上(shang)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)調(tiao)度(du)員(yuan)的(de)決(jue)策(ce)支(zhi)持(chi)係(xi)統(tong)。如(ru)果(guo)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)壓(ya)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)一(yi)旦(dan)被(bei)大(da)功(gong)率(lv)的(de)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)取(qu)代(dai)，則(ze)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)真(zhen)正(zheng)的(de)靈(ling)活(huo)調(tiao)節(jie)控(kong)製(zhi)便(bian)將(jiang)成(cheng)為(wei)現(xian)實(shi)。

3 狀態維修技術

狀態維修技術（Condition Based Maintenance）可以包涵可靠性為中心的維修技術（RCM）和預測維修技術（PDM）。

3.1應用背景

   這2項(xiang)技(ji)術(shu)最(zui)初(chu)是(shi)應(ying)用(yong)於(yu)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)係(xi)統(tong)
，後(hou)來(lai)移(yi)植(zhi)應(ying)用(yong)於(yu)核(he)電(dian)站(zhan)的(de)維(wei)修(xiu)，近(jin)年(nian)已(yi)成(cheng)功(gong)地(di)用(yong)於(yu)發(fa)電(dian)廠(chang)設(she)備(bei)的(de)維(wei)修(xiu)
，並(bing)正(zheng)在(zai)用(yong)於(yu)輸(shu)變(bian)電(dian)設(she)備(bei)的(de)檢(jian)修(xiu)。

   電(dian)力(li)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)力(li)設(she)施(shi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。隨(sui)著(zhe)電(dian)網(wang)容(rong)量(liang)的(de)增(zeng)大(da)和(he)用(yong)戶(hu)對(dui)供(gong)電(dian)可(ke)靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)的(de)提(ti)高(gao)，維(wei)修(xiu)管(guan)理(li)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)日(ri)益(yi)顯(xian)現(xian)出(chu)來(lai)。維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)占(zhan)電(dian)力(li)成(cheng)本(ben)的(de)比(bi)例(li)也(ye)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)。一(yi)座(zuo)現(xian)代(dai)化(hua)核(he)電(dian)站(zhan)的(de)運(yun)行(xing)維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)已(yi)超(chao)過(guo)燃(ran)料(liao)費(fei)用(yong)。如(ru)何(he)采(cai)取(qu)合(he)理(li)的(de)維(wei)修(xiu)策(ce)略(lve)和(he)正(zheng)確(que)決(jue)定(ding)維(wei)修(xiu)計(ji)劃(hua)，以(yi)保(bao)證(zheng)在(zai)不(bu)降(jiang)低(di)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)節(jie)省(sheng)維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)
，便(bian)成(cheng)為(wei)電(dian)力(li)部(bu)門(men)或(huo)負(fu)責(ze)設(she)備(bei)維(wei)修(xiu)的(de)公(gong)司(si)麵(mian)臨(lin)的(de)重(zhong)要(yao)課(ke)題(ti)。

   近jin年nian來lai，由you於yu電dian力li體ti製zhi的de改gai革ge，電dian力li設she備bei的de維wei修xiu也ye開kai始shi進jin入ru市shi場chang，過guo去qu電dian力li部bu門men獨du家jia負fu責ze設she備bei維wei修xiu的de局ju麵mian已yi被bei打da破po，電dian力li設she備bei製zhi造zao部bu門men也ye開kai始shi介jie入ru維wei修xiu這zhe一yi領ling域yu。由you於yu設she備bei製zhi造zao商shang對dui設she備bei的de設she計ji和he薄bo弱ruo環huan節jie了le如ru指zhi掌zhang
，加jia上shang備bei品pin備bei件jian來lai源yuan有you保bao證zheng
，往wang往wang在zai承cheng接jie維wei修xiu合he同tong的de競jing爭zheng中zhong處chu於yu有you利li地di位wei。

   電力部門對於設備的運行狀況十分熟悉
，對係統中可能出現的各種電氣、熱、機械應力和氣象影響因素十分了解，承擔維修任務也具有優勢。競爭促進了技術的發展。過去電力設備維修常用的定時檢修（Timebased Maintenance）和以定時檢修為基礎，根據經驗決定延長或縮短維修周期的做法已不能滿足需要
，需要發展新技術。

3.2 主要技術內容

以可靠性為中心的維修（RCM）和預測性維修是互相緊密聯係而又不同的2個技術領域。

   以可靠性為中心的維修（Reliabilitycentered Maintenance）是在對元件的可能故障對整個係統可靠性影響評估的基礎上決定維修計劃的一種維修策略。RCM技術在60年nian代dai末mo開kai始shi發fa展zhan起qi來lai。當dang時shi由you於yu寬kuan體ti客ke機ji的de投tou運yun

，係xi統tong變bian得de十shi分fen複fu雜za，航hang空kong係xi統tong沿yan用yong定ding時shi大da修xiu的de傳chuan統tong方fang法fa在zai經jing濟ji上shang變bian得de不bu可ke接jie受shou。根gen據ju元yuan件jian故gu障zhang後hou果guo的de嚴yan重zhong程cheng度du確que定ding維wei修xiu計ji劃hua的deRCM收到了良好效果，使航空係統可靠性提高。現在RCM已成為全世界幾乎所有航空公司采用的方法。 80年代美國EPRI將RCM引入核電站的維修，後來又應用於火電廠，取得了提高可靠性和降低維修費用的目的。現在正在研究變電站設備的RCM技術。

   預測性維修（Predictive Maintenance）是(shi)根(gen)據(ju)對(dui)潛(qian)伏(fu)故(gu)障(zhang)進(jin)行(xing)在(zai)線(xian)或(huo)離(li)線(xian)測(ce)量(liang)的(de)結(jie)果(guo)和(he)其(qi)他(ta)信(xin)息(xi)來(lai)安(an)排(pai)維(wei)修(xiu)的(de)技(ji)術(shu)。其(qi)關(guan)鍵(jian)是(shi)依(yi)靠(kao)先(xian)進(jin)的(de)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)技(ji)術(shu)對(dui)潛(qian)伏(fu)故(gu)障(zhang)進(jin)行(xing)分(fen)類(lei)和(he)嚴(yan)重(zhong)性(xing)分(fen)析(xi)（Criticality Analysis）,以決定設備（部件）是否需要立即退出運行和應及時采取的措施。

   綜上所述
，電力設備狀態維修技術涉及複雜大係統可靠性評價、先進的傳感技術、信息采集處理技術、幹擾抑製技術、模式識別技術、故障嚴重性分析

、壽命估計等領域。

3.3 先進傳感器

   先進的傳感器(Advanced Sensor)是實現預測性維修的重要手段,是一個長盛不衰的研究熱點。這是因為,guzhangzhenduanjishudefazhanshouxianjuedingyunengfouhuoqujinkenengduodeyouyongxinxi

，zheshishujuchulihezhenduanjuecedejichu。weiletigaoguzhangzhenduanshuiping
，yanjiugezhongxinxingchuanganqibianchengweidianlijiedeyanjiuredian。yuanlaiyongyujunshidechuanganjishu，yeyouyibufenyizhidaodianlishebeidezhuangtaijianceshanglai。liru，yongyuguoluguandaogaowenyingbianceliangdeguangxianchuanganqi，shidaiyouneibuxiezhenqiangdeguangdaoxianwei，takezhijietiezaibeiceguandaoshang。yongyuceliangguoluranshaoshizhongwendudechuanganqi，shiyongyanghualvbaohudebodianzu
，qiceliangjingduyouyu1%。

   美國電力研究院已開發出一種直接測量分析油中氣體的金屬*.絕緣子*.半導體傳感器，它可在線直接測量和分析油中的4種zhong氣qi體ti並bing監jian視shi其qi變bian化hua趨qu勢shi，現xian已yi用yong於yu一yi些xie電dian力li部bu門men的de變bian壓ya器qi。下xia一yi步bu工gong作zuo是shi把ba測ce量liang微wei水shui的de傳chuan感gan器qi和he它ta集ji成cheng起qi來lai，並bing配pei合he負fu荷he電dian流liu測ce量liang

，弄nong清qing油you中zhong氣qi體ti

、水分隨負荷的變化關係。

   duiziwaiguangxiafayingguangdeyixiechuanganqi，kenenghuiyongyuceliangfadianchangzhongdegaowenheyingbian。yanjiurenyuanhaizaiyanjiuliyongpianzhenguangyaocedianchanghecichangdejishu

，yanjiuyongyadiancailiaodebomolaiceliangfushihejichen，chuanganqicedeshujudewuxianchuanshuyeshixuyaojiejuedeyigezhongyaowenti。

3.4 故障診斷的信息處理技術

   對采集到的信號加工處理，要比采集信號本身更為困難，信號加工和處理的目標有3：從現場中大量的背景幹擾信號中提取有用的信號；根據測得的信號進行故障分類；判斷故障的嚴重程度，以便決定設備是否需要退出運行。

   為抑製現場測量中不可避免的幹擾，除了應用硬件濾波器和數字濾波技術以外，近年的研究發現小波變換技術可有效地濾除穩態信號（如現場測試中經常遇到的載波信號幹擾和噪雜聲幹擾)，可以把有用信號從比信號強幾個數量級的幹擾中提取出來。

   故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)的(de)分(fen)類(lei)則(ze)是(shi)更(geng)為(wei)困(kun)難(nan)的(de)研(yan)究(jiu)課(ke)題(ti)。過(guo)去(qu)用(yong)頻(pin)譜(pu)來(lai)區(qu)分(fen)故(gu)障(zhang)類(lei)型(xing)的(de)方(fang)法(fa)有(you)很(hen)大(da)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)。因(yin)為(wei)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)頻(pin)譜(pu)往(wang)往(wang)有(you)一(yi)部(bu)分(fen)甚(shen)至(zhi)大(da)部(bu)分(fen)是(shi)重(zhong)疊(die)的(de)，在(zai)頻(pin)域(yu)內(nei)很(hen)難(nan)加(jia)以(yi)區(qu)分(fen)。研(yan)究(jiu)故(gu)障(zhang)的(de)“指紋特征”以及提取和識別指紋特征的方法便成為故障診斷研究的一個重要的分支。在研究的故障分類方法有：神經網絡
、專家係統、小波分析、分形維分析等。

4 電磁兼容技術

   電磁兼容（EMC）是shi指zhi設she備bei或huo係xi統tong在zai所suo處chu的de電dian磁ci環huan境jing中zhong能neng正zheng常chang工gong作zuo且qie不bu對dui該gai環huan境jing中zhong任ren何he其qi他ta事shi物wu構gou成cheng不bu能neng承cheng受shou的de電dian磁ci騷sao擾rao的de能neng力li。電dian磁ci兼jian容rong技ji術shu是shi一yi門men迅xun速su發fa展zhan的de交jiao叉cha學xue科ke，涉she及ji電dian子zi
、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個方麵。在當今信息社會，隨著電子技術、計(ji)算(suan)機(ji)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)中(zhong)采(cai)用(yong)的(de)電(dian)氣(qi)及(ji)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)數(shu)量(liang)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)，而(er)且(qie)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)頻(pin)帶(dai)日(ri)益(yi)加(jia)寬(kuan)
，功(gong)率(lv)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)，靈(ling)敏(min)度(du)提(ti)高(gao)，聯(lian)接(jie)各(ge)種(zhong)設(she)備(bei)的(de)電(dian)纜(lan)網(wang)絡(luo)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)，因(yin)此(ci)，電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)日(ri)顯(xian)重(zhong)要(yao)。

    電力係統中，在電網容量增大、輸電電壓增高的同時，以計算機和微處理器為基礎的繼電保護
、電網控製、通信設備得到廣泛采用。因此，電力係統電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護、通信、SCADA功(gong)能(neng)於(yu)一(yi)體(ti)的(de)變(bian)電(dian)站(zhan)綜(zong)合(he)自(zi)動(dong)化(hua)設(she)備(bei)，通(tong)常(chang)安(an)裝(zhuang)在(zai)變(bian)電(dian)站(zhan)高(gao)壓(ya)設(she)備(bei)的(de)附(fu)近(jin)，該(gai)設(she)備(bei)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)先(xian)決(jue)條(tiao)件(jian)就(jiu)是(shi)它(ta)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)變(bian)電(dian)站(zhan)中(zhong)在(zai)正(zheng)常(chang)操(cao)作(zuo)或(huo)事(shi)故(gu)情(qing)況(kuang)下(xia)產(chan)生(sheng)的(de)極(ji)強(qiang)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)現(xian)代(dai)的(de)高(gao)壓(ya)開(kai)關(guan)常(chang)常(chang)與(yu)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)和(he)保(bao)護(hu)設(she)備(bei)集(ji)成(cheng)於(yu)一(yi)體(ti)，因(yin)此(ci)，對(dui)這(zhe)種(zhong)強(qiang)電(dian)與(yu)弱(ruo)電(dian)設(she)備(bei)組(zu)合(he)的(de)設(she)備(bei)不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)高(gao)電(dian)壓(ya)、大電流的試驗，同時還要通過電磁兼容的試驗。GIS的de隔ge離li開kai關guan操cao作zuo時shi，可ke以yi產chan生sheng頻pin率lv高gao達da數shu兆zhao赫he的de快kuai速su暫zan態tai電dian壓ya。這zhe種zhong快kuai速su暫zan態tai過guo電dian壓ya不bu僅jin會hui危wei及ji變bian壓ya器qi等deng設she備bei的de絕jue緣yuan

，而er且qie會hui通tong過guo接jie地di網wang向xiang外wai傳chuan播bo，幹gan擾rao變bian電dian站zhan繼ji電dian保bao護hu
、控製設備的正常工作。隨著電力係統自動化水平的提高，電磁兼容技術的重要性日益顯現出來。

4.1 電磁兼容技術的主要內容和發展趨勢

電力係統電磁兼容的主要內容包括：

（1）電磁環境評價。即通過實測或數字仿真等手段，對設備在運行時可能受到的電磁幹擾水平（幅值、頻率、波形等）進jin行xing估gu計ji。例li如ru
，利li用yong可ke移yi動dong的de電dian磁ci兼jian容rong測ce試shi車che對dui高gao壓ya輸shu電dian線xian路lu或huo變bian電dian站zhan產chan生sheng的de各ge種zhong幹gan擾rao進jin行xing實shi測ce，或huo通tong過guo電dian磁ci暫zan態tai計ji算suan程cheng序xu對dui可ke能neng產chan生sheng的de瞬shun變bian電dian磁ci場chang進jin行xing數shu字zi仿fang真zhen。電dian磁ci環huan境jing評ping價jia是shi電dian磁ci兼jian容rong技ji術shu的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，是shi抗kang幹gan擾rao設she計ji的de基ji礎chu。

（2）電磁幹擾耦合路徑。弄清幹擾源產生的電磁搔擾通過何種路徑到達被幹擾的對象。一般來說，幹擾可分為傳導型幹擾和輻射型幹擾2大da類lei。傳chuan導dao幹gan擾rao是shi指zhi電dian磁ci搔sao擾rao通tong過guo電dian源yuan線xian路lu，接jie地di線xian和he信xin號hao線xian傳chuan播bo到dao達da對dui象xiang所suo造zao成cheng的de幹gan擾rao
，例li如ru，通tong過guo電dian源yuan線xian傳chuan入ru的de雷lei電dian衝chong擊ji源yuan產chan生sheng的de幹gan擾rao
；fusheganraoshizhitongguodianciyuankongjianchuanbodaodaminganshebeideganrao。liru，shudianxianludianyunchanshengdewuxiandianganraohuodianshiganraojishuyufushexingdeganrao。yanjiuganraodeouhetujing
，duizhidingkangganraodecuoshi
，xiaochuhuoyizhiganraoyouzhongyaodeyiyi。

（3）電磁抗擾性評價。研究電力係統中各種敏感的設備儀表
，如繼電保護、自動裝置、計算機係統
、電(dian)能(neng)計(ji)量(liang)儀(yi)表(biao)等(deng)耐(nai)受(shou)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)的(de)能(neng)力(li)。一(yi)般(ban)是(shi)采(cai)用(yong)試(shi)驗(yan)來(lai)模(mo)擬(ni)運(yun)行(xing)中(zhong)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)的(de)幹(gan)擾(rao)並(bing)在(zai)設(she)備(bei)盡(jin)可(ke)能(neng)接(jie)近(jin)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)，試(shi)驗(yan)被(bei)試(shi)設(she)備(bei)是(shi)否(fou)會(hui)產(chan)生(sheng)誤(wu)動(dong)或(huo)永(yong)久(jiu)性(xing)損(sun)壞(huai)。設(she)備(bei)的(de)抗(kang)擾(rao)性(xing)決(jue)定(ding)於(yu)該(gai)設(she)備(bei)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)，電(dian)子(zi)線(xian)路(lu)布(bu)置(zhi)

、工(gong)作(zuo)信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)，以(yi)及(ji)所(suo)采(cai)取(qu)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)措(cuo)施(shi)。隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)各(ge)種(zhong)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)和(he)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)的(de)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)
，隨(sui)著(zhe)強(qiang)電(dian)設(she)備(bei)與(yu)強(qiang)電(dian)設(she)備(bei)集(ji)成(cheng)為(wei)一(yi)體(ti)的(de)趨(qu)向(xiang)

，如(ru)何(he)評(ping)價(jia)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)耐(nai)受(shou)幹(gan)擾(rao)的(de)能(neng)力(li)、研究實用和有效的試驗方法，製定評價標準將成為電力係統電磁兼容技術的重要課題。

（4）抗kang幹gan擾rao措cuo施shi，電dian磁ci幹gan擾rao的de產chan生sheng和he耦ou合he。敏min感gan設she備bei是shi不bu可ke能neng完wan全quan避bi免mian電dian磁ci搔sao擾rao的de。因yin此ci，往wang往wang比bi較jiao經jing濟ji合he理li的de解jie決jue辦ban法fa是shi在zai敏min感gan設she備bei上shang應ying用yong抗kang幹gan擾rao措cuo施shi。例li如ru，電dian力li調tiao度du大da樓lou遭zao受shou雷lei擊ji是shi不bu可ke避bi免mian的de。但dan通tong往wang係xi統tong和he調tiao度du自zi動dong化hua係xi統tong的de安an全quan運yun行xing可ke通tong過guo正zheng確que的de接jie地di、屏蔽、隔離措施加以保證。研究有效經濟和適用的抗幹擾措施也是未來電磁兼容領域的重要任務。

（5）電能質量。國際大電網會議36學術委員會（電力係統電磁兼容）把電能質量控製也列入電磁兼容的範疇，研究頻率變化、諧波、電壓閃變

、電壓驟降等對用戶設備性能的影響。

4.2 電磁場生態影響

   公眾對工頻電磁場對人體健康可能產生有害影響的疑慮
，已成為一些國家高壓輸電發展的重要製約因素。致遊離輻射，如X射線、伽馬射線對人體健康產生有害的影響已經為人所熟悉。非致遊離輻射（Nonionizing Radiation）,包括低頻電磁場是否對生物係統，特別是對人類的健康產生有害影響，始終是一個懸而未決的問題。

   盡管全球的科學家對此進行了大量的研究，由於此問題極其複雜
，至今尚難以得出結論。預測未來需要開展更多的研究課題。