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1、目录1 引言21.1 本课题主要涉及问题21.2 课题的国内外研究现状及存在的问题21.3 本文主要内容22 直流输电工程的特点22.1 与高压交流输电比较，直流输电有以下优点：22.2 直流输电与交流输电有如下缺点：23 500kV直流输电系统构成23.1 直流输电的换流技术33.1.1 12脉动换流单元33.1.2 基于电压源换流器的新型高压直流输电系统43.2 直流输电的设备43.2.1 换流阀43.2.2换流变压器73.2.3平波电抗器93.2.4滤波器103.2.5 无功补偿装置133.2.6晶闸管整流器的设计154 直流输电的过电压及绝缘配合214.1 换流站避雷器的选择214.2
2、 主要设备绝缘水平确定214.3 换流站的防雷保护224.3.1换流站防雷设计特点224.3.2换流站防雷措施225 直流输电系统保护装置236 电能在系统中的输送237 系统仿真247.1 整流部分247.2 逆变部分24结束语24参考文献25附录26致谢3121 引言1.1 本课题主要涉及问题 本题目我们减少线损角度出发，掌握高电压直流输电系统的设计方法，培养自己独立思考和分析设计问题的工作能力。通过设计，培养综合运用电气工程基础理论、专业知识解决实际问题的能力和实践动手能力及创新精神，增强工程观念，以便能更好地适应工作的需要。1.2 课题的国内外研究现状及存在的问题从1954年第一条直流
3、输电线路问世以来，世界各国直流输电应用范围逐年扩大。直流输电的电压已从最初应用的100千伏提高到533千伏，输电功率已从20兆瓦提高到1920兆瓦，输送距离已从96公里增大到1414公里。随着对高压直流输电技术研究工作的不断深入和运行降压的不断积累，可以肯定，高压直流输电在未来电力系统中，将具有广阔的前景。由于国内能源资源与用电负荷分布极不平衡的特殊性，造成我国“西电东送、南北互联、全国联网”的远距离输电的必然性，形成了目前以三峡输电系统为主体，向东西南北方向辐射的北、中、南三通道为主的南北电网多点互联、纵向通道联系紧密的全国互联网格局，成为实现我国能源资源合理开发、优化配置、高效利用的必然选
4、择。发展超、特高压交、直流输电势在必行。过去几年，500 kV直流输电在我国得到了长足发展，成为“西电东送”的重要方式。1.3 本文主要内容远距离输电有两种方式，一种是直流，一种是交流，采用交流电是因为收发两端不需要转换可直接变压后使用，采用高压是因为减少输电线损失。而高压直流输电是用来克服高压交流输电中导线的电感作用，比如在人口密集的城市输电时要用地下电缆，电缆在金属芯线的外面包着一层绝缘皮，水和大地都是导体，被绝缘皮隔开的金属芯线和水（或大地）构成了电容器。在交流输电的情况下，这个电容对输电线路的末端（受电端）起旁路电容的作用，并且随着电缆增长而增大，旁路电容会增大到交流几乎送不出去的程度
5、。这时交流输电已无实际意义，只能用直流输电，因为电容对稳定的直流不起作用。 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是直接从直流电源送往直流负荷，不需要经过换流，随着交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流取代。由于变压器可以很方面的改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统治地位。但是交流还是有交流所不能取代之处，如远距离电缆送电、不同频率电网之间的联网等。高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，它将在我国西电东送和全国联网工程中起到重要的作用。至目前我国已有高压直流输电工程陆续投入运行1。2 直流输电工程的特
6、点2.1 与高压交流输电比较，直流输电有以下优点：(1)输送相同功率时，线路造价低。(2)线路损耗小(3)适宜于海下输电。(4)没有系统稳定问题(5)调节速度快、运行可靠(6)直流输电可以方便的进行分期建设和增容扩建，有利于发货投资效益。2.2 直流输电与交流输电有如下缺点：(1)换流站的设备比较昂贵。(2)换流装置要消耗大量的无功功率。(3)产生谐波影响。(4)换流装置几乎没有过载能力，所以对直流系统的运行不利。(5)缺乏高压直流开关。(6)直流输电利用大地为回路而带来的一些技术问题。(7)直流输电线路难于引出分支线路，绝大部分只用于端对端送电。3 500kV直流输电系统构成直流输电系统可以
7、分为两大类：两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端直流输电系统只有一个整流站和一个逆变站，它于交流系统只有连接端口，是结构最简单的直流输电系统。多端直流输电系统具有三个或三个以上的换流站，它于交流系统有三个或三个以上的连接端口。目前世界上运行的直流输电工程只有少数工程为多端系统，大多为两端直流系统。3.1 直流输电的换流技术要实现直流输电必须必须将送端的交流电变换为直流电，称为整流，而到受端又必须将直流电变换为交流电，成为逆变，它们统称为换流。这种电力变换的技术就是我们所说的直流输电换流技术。由于直流输电的传输容量大、电压高，要实现这种电力变换，需要有高电压、大容量的换流设备，通常这种设备称
8、为换流阀。直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元主要包括换流变压器、换流器、相应的交流滤波器和直流滤波器以及保护装置等。目前工程中采用的换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种。此次以12脉动换流为例，所以采用12脉动换流器。因采用晶闸管换流以后，换流阀有多个晶闸管串联组成，可以方便的利用不同的晶闸管串联数而得到不同的换流阀电压，从而可以得到不同的电压12脉动变压器。因此，绝大多数直流输电工程均采用12脉动换流器作为换流基本单元，此时交流滤波器和直流滤波器只需按12脉动换流器的要求来配备，这样可大大的简化滤波器装置，减小换流站占地面积，降低换流站造价2。3.1.1 12脉动换流单
9、元12脉动换流单元可以采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器，见图1。为了使换流变压器阀侧绕组的电压相位差300，其阀侧的绕组的接线方式，必须一个为星行接线，另一个为三角形接线。换流变压器可以采取三相结构或单相结构。因此，对于一台12脉动换流单元的换流变压器，可以有四种选择方案：1台三相三绕组变压器；2台三绕组变压器；3台单相三绕组变压器；6台单相双绕组变压器。12脉动换流变压器在交流侧和直流侧分别产生12KA1次和12K次的特征谐波。因此，在交流侧和直流侧分别配备12KA1次和12K次的滤波器。从而可以简化滤波装置，缩小占地面积，减低换流站造价。对于12脉动换流单元除图标出的主要设备外，还有
10、相应的交直流避雷器和交直流开关以及测量设备等。 双绕组换流变压器； 三绕组换流变压器图1 12脉动换流单元原理接线图 1交流系统；2换流变压器；312脉动换流器；4平波电抗器；5交流滤波器；6直流滤波器；7保护装置。3.1.2 基于电压源换流器的新型高压直流输电系统传统直流输电半控功率器件为基础，电流不能自关断，CCC/CSCC在传统直流输电基础上进行改进，增加了附加接线，实现强迫关断，但是仍然采用触发相位控制，只能工作在有源逆变方式。采用IGBT的电压源换流器,具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制技术（SPWM）进行无源逆变,解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。它与电网换相换流器
11、有着本质区别。基于电压源换流器的新型高压直流输电又称为新型高压直流输电3。3.2 直流输电的设备直流输电与交流输电的形势有所不同。在直流输电系统中，首先通过交流电通过整流站变成直流电，然后通过直流输电线送出，最后在电网的受端再通过逆变站把直流电变成交流电，注入受端交流电网。因此，高压直流输电系统主要包括换流站（包括整流站和逆变站）和线路两大部分。下面主要介绍换流设备的设计与选择。3.2.1 换流阀换流技术的发展对直流输电的发展有着重要的影响，特别是大功率的换流器件。直流输电换流技术包括实现换流技术的高压大功率换流阀和控制保护装置以及进行换流的理论和方法，而前者往往起决定性作用。因此，换流阀是直
12、流输电系统中的关键部件，它除了具有整流和逆变的功能外，同时在整流站中还要具有开关的功能，可利用快速可控性对直流输电的起动和停运进行快速操作。要实现直流输电的大容量、高电压，就需要有相对应的高电压、大容量的换流设备，即换流阀。因此，多年来人们对高电压、大容量的换流阀进行了大量的开发研制工作。20世纪50年代汞弧阀的问世，使直流输电工程成为现实。1970年，世界第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着直流输电有了重大突破性进展。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。90年代以后，新型大功率半导体器件（如IGBT、IGCT和碳化硅元件等）的应用，促进直流输
13、电的进一步发展4。晶闸管换流阀是换流站的核心设备之一，其投资约占全站投资的1/4。晶闸管换流阀应能在预定的外部环境及系统条件下，按规定的要求安全可靠运行，并满足损耗小、安装及维护方便、投资省的要求。（一）晶闸管换流阀的阀特性晶闸阀的电路符号及其伏安特性分别如附录图23所示。主电流从阳极流向阴极，在断开状态下，晶闸管能阻断正向电流而不导通，图为伏安特性的断开状态段。当晶闸管处于正向闭锁状态时，通过向门极施加瞬时的或持续的电流脉冲，能触发晶闸管导通。导通事的正向电压降只有几伏（一般为13V,取决于晶闸管闭锁电压的额定值）。一但晶闸管开始导通，它就被锁住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能
14、被门极关断，像一个二极管一样导通。直到电流降到零且有反向偏值电压在晶闸管上时，它才会截至。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻降晶闸管再次触发导通。在反相偏置电压低于反向击穿电压时，流过晶闸管的漏电流很小，几乎可以忽略（图3）。通常，晶闸管的正向和反相阻断额定电压相同。用晶闸管允许通过最大电流有效值和平均值规定电流额定值。在分析换流器时，可以用图4所示的理想特性来表示晶闸管。多个晶闸管元件串联连接时，由于各元件的特性不一致，造成晶闸管间电压分布不均，因此需要加装均压装置来限制其不均匀程度。另外，晶闸管换相时，电压发生突变，由于阀的杂散电容等和回路电感的存在而产生震荡。为了抑
15、制这个震荡过电压需要设置阻尼装置。这些均压、阻尼装置大都是由统一的RLC网络时，则在选择网络参数时，需要同时满足均压参数和与震荡阻尼两方面来的要求，做到统筹兼顾，合理配置。 图4 晶闸管理想特性 （二）系统对换流阀定值的要求在选择晶闸管元件时，一般要求各元件具有下列特性：1、耐压强度高从晶闸管阳极的伏安特性可知，其反向特性与二极管相似，要求在正向电压时，控制极加。触发脉冲就能立即导通；而处于反向电压时，要求不导通。因此，要求晶闸管元件有足够高的绝缘强度承受反向电压。如果反向电压瞬时值超过击穿电压，晶闸管元件降永久损坏。2、承载能力大晶闸元件的额定电流是指通态电流为正弦波时，所允许的通态平均电流，。如果通态电流不是正弦波，则通态平均电流的允许值就不一定等于额定电流。绝对其允许值的最根本依据是晶闸管元件结温的最高运行值。改善散热条件可以通过通态电流的允许值。 3、开通时间和电流上升率（di/dt）的限制当晶闸管元件阳极加正向电压，并在控制极上加足够大的触发电流后，晶闸管元件并不是立即完成开通过程的，它的通态电流上升和通态电压下降都有一个过程。（三）换流
