高压直流输电

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1、高压直流输电高压直流输电一、高压直流输电系统（一、高压直流输电系统（HVDC）概述）概述众所周知，电的发展首先是从直流开始的，但很快就被交流电所取代，并且在相当长 的一段时间内，在发电、输电和用电各个领域，都是交流电一统天下的格局。HVDC 技术是从 20 世纪 50 年代开始得到应用的。经过半个世纪的发展，HVDC 技术 的应用取得了长足的进步。据不完全统计，目前包括在建工程在内，世界上己有近百个 HVDC 工程，遍布 5 大洲 20 多个国家。其中，瑞典在 1954 年建成投运的哥特兰 （Gotland）岛 HVDC 工程（20MW， 100kV， 90km 海底电缆）是世界上第一个商业化

2、 的 HVDC 工程，由阿西亚公司(ASEA， 今 ABB 集团)完成；拥有最高电压 （600kV）和最大输送容量（2 x 3150MW）的 HVDC 工程为巴西伊泰普（Itaipu）工程； 输送距离最长 （1700km）的 HVDC 工程为南非英加沙巴（1nga2Shaba）工程；电流 最大的 HVDC 工程在我国：如三常、三广和贵广 HVDC 工程，额定直流电流均为 3000A。 HVDC 的发达地区在欧洲和北美，ABB 和西门子等公司拥有最先进的 HVDC 技 术，美国是 HVDC 工程最多的国家。 HVDC 在我国是从 20 世纪 80 年代末开始应用的，起步虽然较晚，但发展很快。目前

3、 包括在建工程在内，总输送容量已达 18000MW 以上，总输送距离超过 7000km，该两项指 标均已成为世界第一。我国第一个 HVDC 工程是浙江舟山 HVDC 工程（为工业试验性工 程） ，葛沪 HVDC 工程是我国第一个远距离大容量 HVDC 工程，三常 HVDC 工程是我国第 一个输送容量最大（3000MW）的 HVDC 工程，灵宝（河南省灵宝县）背靠背 HVDC 工程 是我国第一个背靠背 HVDC 工程。我国已投运的 HVDC 工程见表 1。 表 1 我国已投运的 HVDC 工程工程名称容量/MW电压/kV距离/km投运时间舟山50-10054（42+12）1987葛洲坝上海200

4、50010451989天生桥广州8005009602000嵊泗605066.2（6.5+59.7 ）2002三峡常州30005008602002三峡广州30005009602004贵州广州30005008802004灵宝背靠背36012002005三峡上海300050010752007贵州广州回300050012252007注 ：“距离”拦括号中“+”号前后的数字分别为架空线和海底电缆的长度。另外， 2010 年前后建成投运的 HVDC 工程有四川德阳陕西宝鸡（1800 MW、500 kV， 550km） 、宁夏银南天津东（3000MW、500kV， 1200km）等； 至 2020 年前后，

5、还计划建设云南昆明广东增城、金沙江水电基地一华中和华东 HVDC 工程以及东北华北、华北华中、华中南方背靠背 HVDC 工程等十几个 HVDC 工程。 我国关于直流输电技术的研究工作，50 年代就开始起步。目前，我国己经有多条直流 线路投入运行，这些直流输电工程的投运标志着我国的直流输电技术有了显著的提高和发 展。随着三峡工程的兴建和贯彻中央“西电东送”的发展战我国将陆续兴建一批超高压、大容量、远距离直流输电工程和交直流并联输电工程。此外，在这些新建工程中还将采用 直流输电的新技术。随着我国直流输电技术的日益完善，输电设备价格的下降和可靠性的 提高，以及运行管理经验的不断积累，直流输电必将得到

6、更快的发展和大量的应用标志着 我国的直流输电将进入一个新的发展时期。二、高压直流输电原理二、高压直流输电原理（一）（一） 、主要元件、主要元件上 上 上 上上 上 上 上I上 上 上 上 上 上上上 上 上 上上 上 上 上VdI上 上 上 I上 上 上 上 上上上 上 上 上桥I上 上 上 上上上 上 上 上上 上 上上 II上 1.1 HVDC上 上 上上 上 上 II上 上 上 上I I上 上 上 上 上 上上上 上 上 上上上 上 上 上VdII上 上 上 上上 上 上 上I上 上 上 上 上 上上上 上 上 上上 上 上 上VdI上 上 上 I上 上 上 上 上上上 上 上 上桥I上

7、 上 上 上上上 上 上 上上 上 上上 II上 1.1 HVDC上 上 上上 上 上 II上 上 上 上I I上 上 上 上 上 上上上 上 上 上上上 上 上 上VdII1、换流器（、换流器（Converter）换流器（Converter）是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。换流器 （Converter）可以分为两类：整流器（Recifer）和逆变器（Inverter） 。整流器（Rectifer） 是将交流电转换为直流电，而逆变器（Inverter）是将直流电转换为交流电。图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC上上上 上 上上上上/ 上 上

8、上 上 上上上上 上 上上 上 / 上 上 / 上上 上 上 上上上上/ 上 上 上 上 上图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC上上上 上 上图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC上上上 上 上上上上 上 上上上上/ 上 上 上 上 上上上上 上 上上 上 / 上 上 / 上上 上 上 上上上上/ 上 上 上 上 上上上上 上 上上上上 上 上上 上 / 上 上 / 上上 上 / 上 上 / 上上 上 上 上上 上 上 上上上上/ 上 上 上 上 上2、换流变

9、压器、换流变压器(Converter Transformer) 换流变压器(Converter Transformer) 接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。采用换 流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电 压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。 换流变压器在直流输电系统中的作用有：换流变压器在直流输电系统中的作用有： a、传送电力； b、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压； c、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差 30(基波电角度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流； d、将直流部分与交流系统相互绝缘

10、隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点 接地造成直接短接，使得换相无法进行； e、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用； f、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。 技术特点与要求：技术特点与要求：由于换流变压器的运行与换流器换相造成的非线性密切相关，它在漏抗、绝缘、谐波、 直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点和要求。 a、漏抗以往由于晶闸管的额定电流和过负荷能力有限，为了限制阀臂短路和直流母线短路 的故障电流，换流变压器的漏抗一般比普通电力变压器的大，一般为 1520%, 有些工 程甚至超过 20%。随着晶闸管的额定电流及其承受浪涌电流

11、能力的提高，换流变压器 的漏抗可按对应的容量和绝缘水平合理选择，阻抗相应降低，通常为 1218%，因此， 设备主参数、绝缘水平、换流器无功消耗及能耗等都可相应降低，同时，换流器的运行 性能也有所改进。 为减少非特征谐波，换流变压器的三相漏抗平衡度要求比普通电力变压器高，通常 漏抗公差不大于 2%。如果运输条件允许，现在的工程多采用如图 1 所示的单相三绕组 换流变压器结构，进一步减少十二脉动换流单元中换流变压器六个阻抗值的差别。 b、绝缘换流变压器阀侧绕组和套管是在交流和直流电压共同作用之下工作的，如图 2 所 示。在这种电压作用下，由于油、纸两种绝缘材质的电导系数与介电系数之比差别很大， 油

12、纸复合绝缘中直流场强按电导系数分布，交流场强则按介电系数分布。当直流电压极 性迅速变化时，会使油隙绝缘受到很大的电应力。在套管与底座的连接部分，由于绝缘 结构复杂，这一问题最为严重。 越接近直流两极的阀侧绕组对地电压越高，在设计时必然增大绕组端部与铁芯轭部 的距离，使绕组端部的辐向漏磁和局部损耗增加，因谐波漏磁而引起的损耗则增加更多。作为阀侧绕组外绝缘的套管，其爬电距离要考虑到直流电压的分量，为了避免雨天 时在直流电压作用下，由于不均匀湿闪而造成的闪络故障，一般阀侧套管均伸入阀厅。 目前，干式合成套管已得到实际应用。为了抗震，套管法兰盘处一般装有振动阻尼装置。c、谐波换流变压器漏磁的谐波分量会

13、使变压器的杂散损耗增大，有时可能使某些金属部件 和油箱产生局部过热现象。在有较强漏磁通过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。 谐波磁通所引起的磁致伸缩噪声处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔音 措施。 d、直流偏磁换流器触发时刻的间隔不等，交流母线正序二次谐波电压和与直流线路并行的交流 线路的感应作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产生直流分量；接地极入地电流引起 的地电位变化会在交流侧绕组电流中产生直流分量，二者共同使换流变压器产生直流偏 磁现象。使在铁芯的 BH 曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态，部分进入一侧 的饱和段，励磁电流分量出现一个半波的尖峰波形，使变压器的损耗、温

14、升以及 50Hz 的噪声(正常时基波噪声频率为 100Hz)都有明显增加，应在换流变压器设计中充分考虑。e、有载调压换流变压器应具有较多的有载调压开关，利用调压开关可使直流输电系统经常运行 在接近最佳状态，换流器触发角运行在适当的范围内，以兼顾到运行的安全性和经济性。 分接开关的调压范围一般为 2030%，每档调节量为 1%2%，以达到分接开关调节和 换流桥触发控制联合工作，做到既无明显的调节死区，又可避免频繁往返动作。 3、平波电抗器（、平波电抗器（Smoothing Reactor） 平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整 直电压中总是有纹波的。这种纹波

15、往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电 的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动 中，平波电抗器也是不可少的。 平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧 的直流谐波滤波回路。平波电抗器一般串接在每个极换流器的直流输出端与直流线路之间, 是高压直流换流站的重要设备之一。 平波电抗器和直流滤波器一起构成直流 T 型谐波滤波网，减小交流脉动分量并滤除部 分谐波，减少直流线路沿线对通信的干扰和避免谐波使调节不稳定。 平波电抗器还能防止 由直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，使换流阀免遭过电压的损坏。 当逆变器发生某些故障时，可避免引起继发的换相失败

16、。可减小因交流电压下降引起 逆变器换相失败的机率。当直流线路短路时，在整流侧调节配合下，限制短路电流的峰值。电感值并不是越大越好，因为电感的增大对直流输电系统的自动调节特性有影响。 在直流输电系统中，当直流电流发生间断时，会产生较高过电压，对绝缘不利，使控 制不稳定。 平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来防止直流电流的间 断，从而降低换流器的换相失败率。 分类：分类： 1） 按型式分类：（1）油浸式平波电抗器（2）干式平波电抗器 油浸式平波电抗器的结构与变压器相似，主要由线圈、铁芯和油箱、套管、冷却系统 等部件组成。 油浸式平波电抗器因构造上有铁芯，其负荷电流与磁性成非线性关系。 干式平波电抗器主要由线圈、支架、绝缘支柱、均压环、底座等组成。线圈由多层同 心压缩铝线包组成，每层线包均浇注环氧树脂绝缘，层间垫有隔条，用于保证层间绝缘和 散热。每层线圈通过垂直紧固件固定牢靠，以确保线圈震动时不变形。由于干式平波电抗 器无铁芯，负荷电流与磁