高電壓技術

工程上把1000伏及以上的交流供電電壓稱為高電壓。高電壓技術所涉及的高電壓類型有直流電壓、工頻交流電壓和持續時間為毫秒級的操作過電壓、微秒級的雷電過電壓、納秒級的核致電磁脈衝（NEMP）等。

20世紀以來，隨著電能應用的日益廣泛，電力系統所覆蓋的範圍越來越大，傳輸的電能也越來越多，這就要求電力系統的輸電電壓等級不斷提高。就世界範圍而言，輸電線路經歷了110、150、230千伏的高壓，287、400、500、735～765千伏的超高壓和1000千伏、 1150千伏（工業試驗線路）的特高壓的發展。直流輸電也經歷了±100、±250、±400、±450、±500以及±750千伏的發展。這幾個階段都與高電壓技術解決了輸電線路的電暈現象、過電壓的防護和限制以及靜電場、電磁場對環境的影響等問題密切相關。這一發展過程以及物理學中各種高電壓裝置的研製又促進了高電壓技術的進步。60年代以來，為了適應大城市電力負荷日益增長的需要，以及克服城市架空輸電線路走廊用地的困難，地下高壓電纜輸電發展迅速（由220、275 、345千伏發展到70年代的400、500千伏電纜線路）；同時，為減少變電所佔地面積和保護城市環境，全封閉氣體絕緣組合電器（GIS）得到越來越廣泛的應用。這些都提出許多高電壓技術的新問題。

研究電力系統中各種過電壓，以便合理確定其絕緣水平是高電壓技術的重要內容。電力系統的過電壓包括雷電過電壓（又稱大氣過電壓、外部過電壓）和內部過電壓。其中雷電過電壓由雷雲直接或間接對變電所或輸電線路（避雷線、桿塔或導線）放電造成。一般雷電過電壓幅值較高，超過系統的額定工作電壓，但作用時間較短，波頭時間大多數為1.5～2微秒，平均波長時間為30微秒，大於50微秒的很少。雷擊除了會威脅輸電線路和電工設備的絕緣外，還會危害高建築物、通信線路、天線、飛機、船舶、油庫等設備的安全。因此，這些方面的防雷也屬於高電壓技術的研究對象。

電力系統內部過電壓是因正常操作或故障等原因使電磁狀態發生變化，引起電磁能量振蕩而產生的。其中衰減較快、持續時間較短的稱為操作過電壓；無阻尼或弱阻尼、持續時間長的稱為暫態過電壓。對110～220千伏電力系統，內部過電壓水平一般取3倍最大工作電壓；對330～500千伏電力系統，需要採取一些限制措施，取2～2.5倍。對特高壓電力系統，進一步限制內部過電壓具有巨大的經濟價值，從前景來看限制到1.5～1.8倍最大工作電壓是完全可能的。

雷電過電壓和內部過電壓對輸電線路和電工設備的絕緣是個嚴重的威脅。因此，研究各種氣體、液體和固體絕緣材料、半導體在不同電壓下的放電特性是高電壓技術的重要課題。其中氣體包括大氣條件下的空氣、壓縮空氣、六氟化硫氣體及高真空等常用作輸電線路和電工設備絕緣及其他用途的材料。因此，研究如何提高氣體絕緣的放電電壓，研究影響氣體放電的各種因素，如間隙大小、電極形狀、作用電壓的極性和類型、氣體的壓力、溫度、濕度和雜質等，對確保電工設備的經濟合理和安全運行有重要意義。

在採取措施限制雷電過電壓和內部過電壓的情況下，隨著電壓等級的提高，工作電壓對絕緣特性的影響越來越重要。在工作電壓作用下超高壓輸電線路和電工設備的電暈放電、局部放電、絕緣老化、靜電感應、無線電干擾、雜訊等現象都是高電壓技術研究的課題。

在工程上經常利用一些氣體放電的特性來解決許多高電壓技術領域中所遇到的科學技術問題，如利用球隙放電測量高電壓；用各種間隙放電來限制過電壓；利用電暈放電時產生穩定的電暈層以改善電場分佈，從而提高間隙的放電電壓等。

高電壓領域的各種實際問題一般都需要經過試驗來解決。因此，高電壓試驗設備、試驗方法以及測量技術在高電壓技術中佔有格外重要的地位。

為了在試驗室或現場研究電介質或電工設備的絕緣特性以及適應於不同科技領域的高電壓技術的應用，需要有各種類型的高電壓發生裝置。常見的高電壓發生裝置有：由工頻試驗變壓器及其調壓設備等組成的工頻試驗設備；模擬雷電過電壓或操作過電壓的衝擊電壓發生裝置；利用高壓硅堆等作為整流閥的高壓直流發生裝置。高電壓技術 以上這些高電壓試驗裝置的共同特點是：輸出電壓高；對輸出電壓的波形、幅值的調節要求高；輸出電流和功率一般不大；試驗時持續運行的時間較短。

此外，由於近代科學技術發展的需要，各衝擊電流發生裝置得到越來越多的應用。衝擊電流發生裝置要求在很短的時間內產生很大的衝擊電流，如用在核物理、加速器、激光等領域的大型衝擊電流裝置能產生數百萬安培的衝擊電流。在電力部門，衝擊電流發生裝置主要用於模擬雷電流，檢驗某些電工設備在雷電過電壓和操作過電壓作用下的通流能力。在電工製造部門，衝擊發電機和振蕩迴路產生強電流，用以模擬電力系統短路電流，檢驗開關設備以及高壓電纜等在系統短路工況下耐受短路電流的能力。

進行高電壓試驗需要有正確的試驗方法，如耐壓試驗、介質損耗試驗、局部放電試驗等。高壓電工設備外絕緣的介電強度，受氣壓、溫度、濕度、風沙、污穢、雨水、射線等因素的影響，需要有不同條件下的換演演算法和等效的試驗方法。

高電壓測量裝置和測量技術是正確進行高電壓試驗的基礎。對不同類型的高電壓需採用不同的測量裝置。如測量直流電壓或低頻交流電壓的有效值用高壓靜電電壓表；測單次短脈衝（微秒或納秒級）用高壓示波器，測高電壓下的脈衝大電流一般用羅戈夫斯基線圈。此外常用的高電壓測量裝置還有各種分壓器、分流器、局部放電儀等。60年代以來，光電測試技術引入高電壓領域，它將高電位端的量（如高壓迴路的電流）轉變為光信號，通過光纖傳送到低電位端的接受儀器，再將光信號轉為電信號，避免了高電壓傳到低電壓的測量系統而引起的危險，以及電磁場對低電壓測量系統的干擾。

60年代後期以來，高電壓技術在電工以外的領域得到廣泛應用；同時，也不斷採用新技術以發展自身。前者主要指高電壓技術在粒子加速器、大功率脈衝發生器、受控熱核反應研究、航空與航天領域的雷電和靜電控制與防護、磁流體發電、激光技術、等離子體切割、電水錘進行海底探油、衝擊加工成型、人體內結石的破碎，以及靜電除塵、靜電除菌、靜電噴塗、靜電複印等方面的應用。高電壓領域中採用的新技術則包括利用電子計算機計算電力系統的暫態過程和變電所的波過程；採用激光技術進行高電壓下大電流的測量；採用光纖技術進行高電壓的傳遞和測量；採用信息技術進行數據處理等。這一切構成了高電壓技術發展的一個重要方面。

另一方面，高電壓技術對於進一步發展超高壓、特高壓輸電繼續起著重要的推動作用。一些國家正在沿著傳統的“外沿發展模式”，繼續開展更高一級電壓，例如1500～1800千伏特高壓輸電的科研工作。而美國和蘇聯的一些學者，則另闢蹊徑，利用電力電子技術的新成就，對現有的超高壓電網研究技術改造、擴大傳輸容量的技術。例如，蘇聯一些學者，研究利用靜止補償裝置，對500千伏輸電系統進行全補償。這種輸電系統，只存在迴路電阻而無感抗，因而已不存在系統穩定問題，傳輸容量只決定於電阻值和導線載流能力，因而改造后的500千伏輸電系統，其輸電能力可達到百萬伏級特高壓輸電系統的水平。這種“內涵發展模式”正在引起科學界的廣泛重視。與此相似，美國也正在研究利用靜止補償裝置，對存在嚴重電磁兼容性問題的超高壓輸電線段施行局部的分段補償，以解決過去要對全系統進行改造的問題。

2021年7月，榮獲第五屆中國出版政府獎獲獎名單。