“電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個(gè)論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識。研究表明，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，提高電力在終端能源中的比例。因?yàn)?，在保證相同的能源服務(wù)水平的前提下, 使用電力這種優(yōu)質(zhì)能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。如果能將大量分散燃用的化石燃料都高效潔凈地轉(zhuǎn)換為電力使用，人們賴以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會(huì)大大改善。因此，電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、 分配和使用的技術(shù)將成為下世紀(jì)電力技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。電力技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)的范疇，技術(shù)創(chuàng)新和出現(xiàn)重大突破的機(jī)會(huì)要比信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等新興學(xué)科少得多。但是，應(yīng)該看到，電力技術(shù)與其他學(xué)科的相互交叉和滲透的趨勢越來越明顯。電力研究的一些前沿課題反映了這種趨勢。以下將對若干電力前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進(jìn)行評述。

1 分布式電源

分布式發(fā)電裝置（Distributed Generation）是指功率為數(shù)千瓦至50 MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求。如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。

當(dāng)今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)(IC)、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microtur_bines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機(jī)組”已不是同一概念。

1.1 應(yīng)用背景

由于公眾對輸電線路可能產(chǎn)生的電磁影響的憂慮，開辟新的線路走廊越來越困難。例如，北美和西歐許多國家已決定一般不再興建新的輸電線路。于是，直接安置在用戶近旁的分布式發(fā)電裝置便成為一種替代方案。其次，與大電網(wǎng)配合，分布式電源可大大地提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭）情況下，維持重要用戶的供電。加拿大魁北克省1997年冰雪災(zāi)造成輸配電線路災(zāi)難性破壞，引起大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復(fù)供電。人們認(rèn)識到，如果能有與電網(wǎng)配合的分布式電源在運(yùn)轉(zhuǎn)，供電可靠性將會(huì)大大地提高，一些災(zāi)難性后果是可以避免的。

對供電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)分散用戶，分布式電源在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上具有競爭力。此外，發(fā)展電動(dòng)車電源是研究發(fā)展分布式電源的重要推動(dòng)力。

1.2微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)（Micro Turbine）,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96 000 r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)，工作溫度500 ℃，其發(fā)電效率可達(dá)30%。目前國外已進(jìn)入示范階段。其技術(shù)關(guān)鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術(shù)的突破常常取決于材料科學(xué)的進(jìn)步。

1.3燃料電池

燃料電池是直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀(jì)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(fù)極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負(fù)氧離子通過2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須配備重整器。

磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池?，F(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11 MW的設(shè)備及便攜式250 kW等各種設(shè)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(yīng)可以在內(nèi)部進(jìn)行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進(jìn)行兆瓦級的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來可用于煤基燃料發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的電動(dòng)車電源。

1.3.2 性能和特點(diǎn)

燃料電池有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達(dá)100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實(shí)際效率可達(dá)584%。通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達(dá)到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)?；緹o關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。（2）處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負(fù)荷變化的能力非常強(qiáng)，可以在1 s內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化。(3)噪音低；可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放；省水。（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)。

目前燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的障礙是造價(jià)高，在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時(shí)日。

1.3.3 技術(shù)關(guān)鍵和研究課題

燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價(jià)格等與商業(yè)化有關(guān)的項(xiàng)目，主要涉及新的電解質(zhì)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(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實(shí)用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕；電極細(xì)孔構(gòu)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(zhì)且工作溫度很高,對構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學(xué)性穩(wěn)定和致密性（不通過氣體）的電解質(zhì)，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應(yīng)盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學(xué)蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實(shí)用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05 mm。比較先進(jìn)的已達(dá)到0.01 mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應(yīng)當(dāng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運(yùn)行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費(fèi)用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導(dǎo)電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個(gè)重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導(dǎo)電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造價(jià)就可以大幅度降低。

2 大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用硅片引起的“第二次革命”

2.1 大功率電力電子器件的重大進(jìn)展

電力電子學(xué)（Power Electronics）的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史。

電力電子學(xué)器件用于電力拖動(dòng)、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。大功率電子器件（High Power Electronics）的快速發(fā)展也引起了電力系統(tǒng)的重大變革，通常稱為硅片引起的第二次革命。近10多年來，可控整流器(SCR)、可關(guān)斷的晶閘管(GTO)、MOS控制的晶閘管(MCT)、絕緣門極雙極性三極管(IGBT)等大功率高壓開關(guān)器件的開斷能力不斷提高。目前，已經(jīng)生產(chǎn)出6 kA、6 kV的GTO，單個(gè)元件的開斷功率可達(dá)到30 MW左右，這無疑是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力的一次系統(tǒng)?？煽毓瑁ňчl管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長的歷史。大功率電子器件應(yīng)用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質(zhì)電力技術(shù)（Custom Power）以及新一代直流輸電技術(shù)則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將成為下世紀(jì)的電力研究前沿。

2.2 靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)

靈活的交流輸電系統(tǒng)(FACTS)是80年代后期出現(xiàn)的新技術(shù)，近年來在世界上發(fā)展迅速。專家們預(yù)計(jì)在未來這項(xiàng)技術(shù)將在電力輸送和分配方面將引起重大變革，對于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源和實(shí)現(xiàn)電能的高效利用，將會(huì)發(fā)揮重要作用。

靈活交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。

FACTS技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用的背景是：（1）發(fā)展電力市場的需要。原作為公用事業(yè)之一的電力面臨著“放松管制”（Deregulation）的改革。一些國家頒布法令規(guī)定用戶可以發(fā)電并售電給電網(wǎng)，允許電力用戶可自由選擇供電者，允許實(shí)行躉售托送（Wholesale Wheeling），某些地區(qū)甚至允許實(shí)行電力零售托送。發(fā)電廠和電力用戶可以根據(jù)協(xié)議通過電網(wǎng)售受電力。電網(wǎng)作為電力市場的物質(zhì)載體，即發(fā)電廠和電力用戶間電力輸送和分配的通道，需要滿足對電力潮流靈活調(diào)節(jié)控制的要求，而常規(guī)的交流輸電系統(tǒng)卻很難適應(yīng)這一變化。

（2）發(fā)展互聯(lián)電網(wǎng)的需要。在發(fā)達(dá)國家已形成了緊密相連、多電壓等級的復(fù)雜互聯(lián)電網(wǎng)。由于電路定則使然，電網(wǎng)內(nèi)部線路及聯(lián)絡(luò)線在運(yùn)行中實(shí)際的潮流分布與這些線路的設(shè)計(jì)輸送能力相差甚遠(yuǎn)；一部分線路已過載或接近穩(wěn)定極限，而另一部分線路卻被迫在遠(yuǎn)低于線路額定輸送容量下運(yùn)行。這就提出了靈活調(diào)節(jié)線路潮流、突破瓶頸限制、增加輸送能力，以充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源的要求。發(fā)達(dá)國家由于環(huán)保的嚴(yán)格限制，新建輸電線路十分困難，使得這一要求更為迫切。

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機(jī)械控制的移相器、帶負(fù)荷調(diào)變壓器抽頭、開關(guān)投切電容和電感、固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置等，只能實(shí)現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間長、響應(yīng)慢，無法適應(yīng)在暫態(tài)過程中快速靈活連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)發(fā)展的需求促進(jìn)了靈活交流輸電這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。近年來，靈活交流輸電技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用。

盡管靈活交流輸電技術(shù)已在多個(gè)輸電工程中得到應(yīng)用，并證明了它在提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功、提高系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應(yīng)用的進(jìn)展步伐比預(yù)期的要慢。主要原因有：工程造價(jià)比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術(shù)無法解決的情況下，用戶才會(huì)求助于FACTS技術(shù)；FACTS技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。目前FACTS技術(shù)的應(yīng)用還局限于個(gè)別工程，如果大規(guī)模應(yīng)用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術(shù)問題，例如：多個(gè)FACTS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問題；FACTS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護(hù)的銜接問題；FACTS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題等等。也有專家認(rèn)為，F(xiàn)ACTS技術(shù)尚不能更快推廣應(yīng)用是因?yàn)殡娏Σ块T對新技術(shù)持謹(jǐn)慎觀望態(tài)度，只有相當(dāng)成熟的技術(shù)才會(huì)大規(guī)模應(yīng)用。

隨著電力電子器件的性能提高和造價(jià)降低，以電力電子器件為核心部件的FACTS裝置的造價(jià)會(huì)降低，可能會(huì)在不遠(yuǎn)的將來比常規(guī)的輸配電方案更具競爭力。國際大電網(wǎng)會(huì)議展開了有關(guān)STATCOM與SVC性能價(jià)格比的討論，不少專家認(rèn)為，由于STATCOM不需要采用大量的電容器就可以實(shí)現(xiàn)無功的快速調(diào)節(jié)，而電容器的價(jià)格多年比較穩(wěn)定，不大可能大幅度下降；相反，電力電子器件的價(jià)格會(huì)不斷降低，故預(yù)計(jì)STATCOM會(huì)比SVC（靜止無功補(bǔ)償器）更有競爭力。若將超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置與STATCOM配合，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率的快速調(diào)節(jié)，這是以往任何的常規(guī)設(shè)備不能勝任的。

FACTS技術(shù)也在不斷改進(jìn)，一些新的FACTS裝置被開發(fā)出來，例如可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器（Convertible Static Compensator），它由多個(gè)同步電壓源逆變器構(gòu)成，可以同時(shí)控制2條以上線路潮流（有功、無功）、電壓、阻抗和相角，并能實(shí)現(xiàn)線路之間功率轉(zhuǎn)換。可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器具有下列功能：（1）靜止同步補(bǔ)償器的并聯(lián)無功補(bǔ)償功能；（2）靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的功能；（3）綜合潮流控制器功能；（4）控制2條線路以上潮流的線間潮流控制（IPFC）功能；CSC被認(rèn)為是第3代靈活交流輸電裝置。

電力電子器件的發(fā)展趨勢是：一方面研制經(jīng)濟(jì)性能好的器件，以便降低設(shè)備造價(jià)；另一方面，研制開斷功率更大的高性能器件。最近，國外公司宣布研制成功以碳化硅（SiC）為基片的電力電子器件。基片的耐壓和熱容量可大幅度提高，而元件的損耗卻大大降低，從而使元件的斷開功率可望有數(shù)量級的飛躍。這預(yù)示用電子高壓斷路器取代機(jī)械的高壓斷路器（油斷路器、六氟化硫斷路器、真空開關(guān)等）已成為現(xiàn)實(shí)的可能。如果電力系統(tǒng)的高壓機(jī)械開關(guān)一旦被大功率的電子開關(guān)取代，則電力系統(tǒng)完全的靈活調(diào)節(jié)控制便將成為現(xiàn)實(shí)。

2.3 定質(zhì)電力技術(shù)

定質(zhì)電力（Custom Power）技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制，為用戶提供用戶特定要求的電力供應(yīng)的技術(shù)。

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對提高供電的可靠性、改善電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線、精密的加工工具、可編程控制器、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴(yán)格的要求。這些設(shè)備對電源的波動(dòng)和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。

重要用戶為保證優(yōu)質(zhì)的不間斷供電，往往自己采取措施，如安裝不間斷電源(UPS)，但是這并不是經(jīng)濟(jì)合理的解決辦法。根本的出路在于供電部門能根據(jù)用戶的需要，提供可靠和優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)。因而，便產(chǎn)生了以電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為基礎(chǔ)的定質(zhì)電力技術(shù)（Custom Power Technology）。

為提高配電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)的質(zhì)量，已開發(fā)出用于配電網(wǎng)的靜止無功發(fā)生器(DSTATCOM)。它由儲(chǔ)能電路、GTO或IGBT變換電路和變壓器組成。它的功能是快速調(diào)節(jié)電壓，發(fā)生和吸收電網(wǎng)的無功功率，同時(shí)可以抑制電壓閃變。這是“定質(zhì)電力”的關(guān)鍵設(shè)備之一。此外，靜止無功發(fā)生器和固態(tài)開關(guān)配合，可在電網(wǎng)發(fā)生故障的暫態(tài)過程中保持電壓恒定。另一關(guān)鍵設(shè)備是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer)，它由直流儲(chǔ)能電路、變換器和級次串聯(lián)在供電線路中的變壓器構(gòu)成。變換器根據(jù)檢測到的線路電壓波形情況，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，使合成的電壓動(dòng)態(tài)保持恒定。無論是短時(shí)的電壓低落或過電壓，通過DVR均可以使負(fù)載上的電壓保持動(dòng)態(tài)恒定。

2.4 新型直流輸電技術(shù)

直流輸電已是成熟技術(shù)。造價(jià)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(jìn)一步改善性能、大幅度簡化設(shè)備、減少換流站的占地、降低造價(jià)的技術(shù)。直流輸電性能創(chuàng)新的典型例子是輕型直流輸電系統(tǒng)（Light HVDC），它采用GTO、IGBT等可關(guān)斷的器件組成換流器，省去了換流變壓器，整個(gè)換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力，從而使中等容量的輸電在較短的輸送距離也能與交流輸電競爭。此外，可關(guān)斷的器件組成換流器，由于采用可關(guān)斷的電力電子器件，可以免除換相失敗之虞，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)（海上石油平臺、海島）的供電，今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。

2.5 同步開斷技術(shù)

同步開斷(Synchronized Switching)是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。在理論上應(yīng)用同步開斷技術(shù)可完全避免電力系統(tǒng)的操作過電壓。這樣，由操作過電壓決定的電力設(shè)備絕緣水平可大幅度降低，由于操作引起設(shè)備（包括斷路器本身）的損壞也可大大減少。目前，高壓開關(guān)都是屬于機(jī)械開關(guān)，開斷的時(shí)間長、分散性大，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定相開斷。目前的同步開斷設(shè)備是應(yīng)用一套復(fù)雜的電子控制裝置，實(shí)時(shí)測量各種影響開斷時(shí)間分散性的參量變化，對開斷時(shí)刻的提前量進(jìn)行修正。即便采取了這種代價(jià)昂貴的措施，由于機(jī)械開關(guān)特性決定，還不能做到準(zhǔn)確的定相開斷，設(shè)計(jì)人員還不敢貿(mào)然降低電氣設(shè)備的絕緣水平，以防同步開斷失敗造成設(shè)備損毀。因此，同步開斷的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。

實(shí)現(xiàn)同步開斷的根本出路在于用電子開關(guān)取代機(jī)械開關(guān)。美國西屋公司已制造出13 kV、600A、由GTO元件組成的固態(tài)開關(guān)，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時(shí)間可縮短到1/3 ms，這是一般機(jī)械開關(guān)無法比擬的?，F(xiàn)在，由固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開關(guān)”已問世。

2.6 未來全可控的電力系統(tǒng)

現(xiàn)在的電力系統(tǒng)由于還依賴高壓機(jī)械開關(guān)（油斷路器、六氟化硫斷路器、真空開關(guān)等）實(shí)現(xiàn)線路、設(shè)備、負(fù)荷的投切，尚不能做到完全可控。這是因?yàn)闄C(jī)械的慢過程不可能控制電的快過程?！半娋W(wǎng)控制”目前只能做到部分控制，本質(zhì)上仍然是一個(gè)調(diào)度員的決策支持系統(tǒng)。如果電力系統(tǒng)的高壓機(jī)械開關(guān)一旦被大功率的電子開關(guān)取代，則電力系統(tǒng)真正的靈活調(diào)節(jié)控制便將成為現(xiàn)實(shí)。

3 狀態(tài)維修技術(shù)

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

3.1應(yīng)用背景

這2項(xiàng)技術(shù)最初是應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)，后來移植應(yīng)用于核電站的維修，近年已成功地用于發(fā)電廠設(shè)備的維修，并正在用于輸變電設(shè)備的檢修。

電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)施的可靠性。隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的提高，維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。維修費(fèi)用占電力成本的比例也不斷提高。一座現(xiàn)代化核電站的運(yùn)行維修費(fèi)用已超過燃料費(fèi)用。如何采取合理的維修策略和正確決定維修計(jì)劃，以保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費(fèi)用，便成為電力部門或負(fù)責(zé)設(shè)備維修的公司面臨的重要課題。

近年來，由于電力體制的改革，電力設(shè)備的維修也開始進(jìn)入市場，過去電力部門獨(dú)家負(fù)責(zé)設(shè)備維修的局面已被打破，電力設(shè)備制造部門也開始介入維修這一領(lǐng)域。由于設(shè)備制造商對設(shè)備的設(shè)計(jì)和薄弱環(huán)節(jié)了如指掌，加上備品備件來源有保證，往往在承接維修合同的競爭中處于有利地位。

電力部門對于設(shè)備的運(yùn)行狀況十分熟悉，對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種電氣、熱、機(jī)械應(yīng)力和氣象影響因素十分了解，承擔(dān)維修任務(wù)也具有優(yōu)勢。競爭促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展。過去電力設(shè)備維修常用的定時(shí)檢修（Timebased Maintenance）和以定時(shí)檢修為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定延長或縮短維修周期的做法已不能滿足需要，需要發(fā)展新技術(shù)。

3.2 主要技術(shù)內(nèi)容

以可靠性為中心的維修（RCM）和預(yù)測性維修是互相緊密聯(lián)系而又不同的2個(gè)技術(shù)領(lǐng)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(gè)系統(tǒng)可靠性影響評估的基礎(chǔ)上決定維修計(jì)劃的一種維修策略。RCM技術(shù)在60年代末開始發(fā)展起來。當(dāng)時(shí)由于寬體客機(jī)的投運(yùn)，系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，航空系統(tǒng)沿用定時(shí)大修的傳統(tǒng)方法在經(jīng)濟(jì)上變得不可接受。根據(jù)元件故障后果的嚴(yán)重程度確定維修計(jì)劃的RCM收到了良好效果，使航空系統(tǒng)可靠性提高?，F(xiàn)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，后來又應(yīng)用于火電廠，取得了提高可靠性和降低維修費(fèi)用的目的。現(xiàn)在正在研究變電站設(shè)備的RCM技術(shù)。

預(yù)測性維修（Predictive Maintenance）是根據(jù)對潛伏故障進(jìn)行在線或離線測量的結(jié)果和其他信息來安排維修的技術(shù)。其關(guān)鍵是依靠先進(jìn)的故障診斷技術(shù)對潛伏故障進(jìn)行分類和嚴(yán)重性分析（Criticality Analysis）,以決定設(shè)備（部件）是否需要立即退出運(yùn)行和應(yīng)及時(shí)采取的措施。

綜上所述，電力設(shè)備狀態(tài)維修技術(shù)涉及復(fù)雜大系統(tǒng)可靠性評價(jià)、先進(jìn)的傳感技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、干擾抑制技術(shù)、模式識別技術(shù)、故障嚴(yán)重性分析、壽命估計(jì)等領(lǐng)域。

3.3 先進(jìn)傳感器

先進(jìn)的傳感器(Advanced Sensor)是實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維修的重要手段,是一個(gè)長盛不衰的研究熱點(diǎn)。這是因?yàn)?故障診斷技術(shù)的發(fā)展首先決定于能否獲取盡可能多的有用信息，這是數(shù)據(jù)處理和診斷決策的基礎(chǔ)。為了提高故障診斷水平，研究各種新型傳感器便成為電力界的研究熱點(diǎn)。原來用于軍事的傳感技術(shù)，也有一部分移植到電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測上來。例如，用于鍋爐管道高溫應(yīng)變測量的光纖傳感器，是帶有內(nèi)部諧振腔的光導(dǎo)纖維，它可直接貼在被測管道上。用于測量鍋爐燃燒室中溫度的傳感器，是用氧化鋁保護(hù)的鉑電阻，其測量精度優(yōu)于1%。

美國電力研究院已開發(fā)出一種直接測量分析油中氣體的金屬*.絕緣子*.半導(dǎo)體傳感器，它可在線直接測量和分析油中的4種氣體并監(jiān)視其變化趨勢，現(xiàn)已用于一些電力部門的變壓器。下一步工作是把測量微水的傳感器和它集成起來，并配合負(fù)荷電流測量，弄清油中氣體、水分隨負(fù)荷的變化關(guān)系。

對紫外光下發(fā)螢光的一些傳感器，可能會(huì)用于測量發(fā)電廠中的高溫和應(yīng)變。研究人員還在研究利用偏振光遙測電場和磁場的技術(shù)，研究用壓電材料的薄膜來測量腐蝕和積塵，傳感器測得數(shù)據(jù)的無線傳輸也是需要解決的一個(gè)重要問題。

3.4 故障診斷的信息處理技術(shù)

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(biāo)有3：從現(xiàn)場中大量的背景干擾信號中提取有用的信號；根據(jù)測得的信號進(jìn)行故障分類；判斷故障的嚴(yán)重程度，以便決定設(shè)備是否需要退出運(yùn)行。

為抑制現(xiàn)場測量中不可避免的干擾，除了應(yīng)用硬件濾波器和數(shù)字濾波技術(shù)以外，近年的研究發(fā)現(xiàn)小波變換技術(shù)可有效地濾除穩(wěn)態(tài)信號（如現(xiàn)場測試中經(jīng)常遇到的載波信號干擾和噪雜聲干擾)，可以把有用信號從比信號強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級的干擾中提取出來。

故障信號的分類則是更為困難的研究課題。過去用頻譜來區(qū)分故障類型的方法有很大的局限性。因?yàn)樵S多不同類型的故障信號頻譜往往有一部分甚至大部分是重疊的，在頻域內(nèi)很難加以區(qū)分。研究故障的“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(gè)重要的分支。在研究的故障分類方法有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、小波分析、分形維分析等。

4 電磁兼容技術(shù)

電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)方面。在當(dāng)今信息社會(huì)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大大增加，而且電子設(shè)備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設(shè)備的電纜網(wǎng)絡(luò)也越來越復(fù)雜，因此，電磁兼容問題日顯重要。

電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)容量增大、輸電電壓增高的同時(shí)，以計(jì)算機(jī)和微處理器為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)、電網(wǎng)控制、通信設(shè)備得到廣泛采用。因此，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護(hù)、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合自動(dòng)化設(shè)備，通常安裝在變電站高壓設(shè)備的附近，該設(shè)備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強(qiáng)的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關(guān)常常與電子控制和保護(hù)設(shè)備集成于一體，因此，對這種強(qiáng)電與弱電設(shè)備組合的設(shè)備不僅需要進(jìn)行高電壓、大電流的試驗(yàn)，同時(shí)還要通過電磁兼容的試驗(yàn)。GIS的隔離開關(guān)操作時(shí)，可以產(chǎn)生頻率高達(dá)數(shù)兆赫的快速暫態(tài)電壓。這種快速暫態(tài)過電壓不僅會(huì)危及變壓器等設(shè)備的絕緣，而且會(huì)通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站繼電保護(hù)、控制設(shè)備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，電磁兼容技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)出來。

4.1 電磁兼容技術(shù)的主要內(nèi)容和發(fā)展趨勢

電力系統(tǒng)電磁兼容的主要內(nèi)容包括：

（1）電磁環(huán)境評價(jià)。即通過實(shí)測或數(shù)字仿真等手段，對設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可能受到的電磁干擾水平（幅值、頻率、波形等）進(jìn)行估計(jì)。例如，利用可移動(dòng)的電磁兼容測試車對高壓輸電線路或變電站產(chǎn)生的各種干擾進(jìn)行實(shí)測，或通過電磁暫態(tài)計(jì)算程序?qū)赡墚a(chǎn)生的瞬變電磁場進(jìn)行數(shù)字仿真。電磁環(huán)境評價(jià)是電磁兼容技術(shù)的重要組成部分，是抗干擾設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

（2）電磁干擾耦合路徑。弄清干擾源產(chǎn)生的電磁搔擾通過何種路徑到達(dá)被干擾的對象。一般來說，干擾可分為傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾2大類。傳導(dǎo)干擾是指電磁搔擾通過電源線路，接地線和信號線傳播到達(dá)對象所造成的干擾，例如，通過電源線傳入的雷電沖擊源產(chǎn)生的干擾；輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到達(dá)敏感設(shè)備的干擾。例如，輸電線路電暈產(chǎn)生的無線電干擾或電視干擾即屬于輻射型的干擾。研究干擾的耦合途徑，對制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾有重要的意義。

（3）電磁抗擾性評價(jià)。研究電力系統(tǒng)中各種敏感的設(shè)備儀表，如繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電能計(jì)量儀表等耐受電磁干擾的能力。一般是采用試驗(yàn)來模擬運(yùn)行中可能出現(xiàn)的干擾并在設(shè)備盡可能接近工作條件下，試驗(yàn)被試設(shè)備是否會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)或永久性損壞。設(shè)備的抗擾性決定于該設(shè)備的工作原理，電子線路布置、工作信號電平，以及所采取的抗干擾措施。隨著電力系統(tǒng)中各種自動(dòng)化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的廣泛采用，隨著強(qiáng)電設(shè)備與強(qiáng)電設(shè)備集成為一體的趨向，如何評價(jià)這些設(shè)備耐受干擾的能力、研究實(shí)用和有效的試驗(yàn)方法，制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將成為電力系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的重要課題。

（4）抗干擾措施，電磁干擾的產(chǎn)生和耦合。敏感設(shè)備是不可能完全避免電磁搔擾的。因此，往往比較經(jīng)濟(jì)合理的解決辦法是在敏感設(shè)備上應(yīng)用抗干擾措施。例如，電力調(diào)度大樓遭受雷擊是不可避免的。但通往系統(tǒng)和調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行可通過正確的接地、屏蔽、隔離措施加以保證。研究有效經(jīng)濟(jì)和適用的抗干擾措施也是未來電磁兼容領(lǐng)域的重要任務(wù)。

（5）電能質(zhì)量。國際大電網(wǎng)會(huì)議36學(xué)術(shù)委員會(huì)（電力系統(tǒng)電磁兼容）把電能質(zhì)量控制也列入電磁兼容的范疇，研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓驟降等對用戶設(shè)備性能的影響。

4.2 電磁場生態(tài)影響

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

盡管全球的科學(xué)家對此進(jìn)行了大量的研究，由于此問題極其復(fù)雜，至今尚難以得出結(jié)論。預(yù)測未來需要開展更多的研究課題。