高压直流输电

1加”大考城市学院CITYCOLLEGEKUNMINGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY《电力系统前沿学问讲座》高压直流输电专业班级学号同学姓名指导老师2013年9月16日类型第六章直流输电的换流技术要实现直流输电必需将送端的沟通电变换为直流电，称为整流，而到受端又必需将直流电变换为沟通电，称为逆变，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、大容量的换流设施，通常这种设施称为换流阀直流输电的进展与换流技术的进展亲密相关，其中大功率换流器件起着关键的作用直流输电换流技术包括实现换流的高压大功率换流阀和爱护装置以及进行换流的理论和方法，而前者往往起打算性作用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、相应的沟通滤波器和直流滤波器以及爱护装置等目前工程中采纳的基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种它们的主要区分在于所采纳的换流器不同，前者采纳6脉动换流器，后者则采纳12脉动换流器在汞弧阀换流时期，为了削减换流站设施的数量，降低造价，通常采纳最高电压的汞弧阀所组成的6脉动换流单元为基本换流单元在换流站内允许一组6脉动换流单元独立运行，在运行中可以切除或投入一组6脉动换流单元在这种状况下，沟通滤波器和直流滤波器必需按6脉动换流器的要求来配备当采纳晶闸管换流阀以后，换流阀由多个晶闸管串联组成，可以便利地采用不同的晶闸管串联数而得到不同的换流阀电压，从而可得到不同电压的12脉动换流器因此，绝大多数直流输电工程均采纳12脉动换流器作为基本换流单元，此时沟通滤波器和直流滤波器只需按12脉动换流器的要求来配备，这样可大大地简化滤波器装置，减小换流站占地面积，降低换流站造价

一、6脉动换流单元6脉动换流单元由换流变压器、6脉动换流器以及相应的沟通滤波器、直流滤波器和爱护装置所组成，其原理接线见图6-5图6-56脉动换流单元原理接线图1—沟通系统；2—换流变压器；3—6脉动换流器；4一平波电抗器;5—沟通滤波器;6一直流滤波器；7—爱护装置6脉动换流单元的换流变压器可以采纳三相结构也可以采纳单相结构，其阀侧绕组的接线方式可以是星形接线也可以三角形接线6脉动换流器在沟通侧和直流侧分别产生6K±1次和6K次的特征谐波（K为正整数）因此，在沟通侧需要配备6K±1的沟通滤波器，而在直流侧除平波电抗器以外，对于架空线路来说通常还需要配备6K次的直流滤波器第七章直流输电的换流技术爱护装置基本组成通常，直流系统爱护装置采纳多套冗余配置，每套有自己的计算、测量、电源等

一、爱护装置核心处理器自从有了晶体管和集成电路，直流输电掌握爱护的计算系统使掌握爱护性能得到了极大改善，从模拟式进展到数字式尤其在20世纪70年月，以微处理器为基础的电子计算机的进展，对直流输电掌握及爱护性能的提高、推动晶闸管阀为标志的直流输电的普及与进展起了推动作用近十多年来，直流输电掌握爱护的基本功能没有发生革命性的变化但是随着电子信息技术的高速进展，处理器的计算速度越来越快，存储空间越来越大，并行运行的处理器越来越多微处理器技术遍布直流系统各个设施的掌握和爱护，比如极控、站控（沟通场/直流场）、直流系统爱护、换流变压器掌握爱护、交/直流滤波器掌握爱护、换流器冷却系统掌握爱护、站用电系统掌握爱护等

二、测量装置在直流掌握爱护系统中，测量装置是为了向掌握爱护系统供应必要的电气量或其他物理量输入信息

（一）直流电压测量在换流站的直流开关场中，为了测量直流极线电压及中性母线电压，向直流掌握及爱护系统供应信号，直流极母线和中性母线上都需要装设直流电压测量装置

（二）直流电流测量在换流器高压侧及中性线侧出口（通常在穿墙套管中）、直流线路入口及接地极线路入口、直流滤波器高压端和中性端及接地的断路器都应装设直流电流测量装置，向直流掌握爱护系统输出直流电流信号

（三）沟通电压测量对于沟通开关场，除按常规装设沟通电压互感器外，还在换流变压器进线侧装设一只沟通电压互感器，向换流器掌握系统供应换相电压过零点信号，作为计算换流器触发角（角）的计时参考点，向换流器供应触发同步信号

（四）沟通电流测量在沟通开关场中及各种滤波器回路中，为了给换流站掌握和爱护供应信息，需要装设各种不同规格的沟通电流互感器用于掌握目的的沟通电流互感器，其精度不应低于

0.2级；用于爱护目的的沟通电流互感器，其精度要低一些，特殊在被测电流远大于额定电流值的状况

三、数据传送装置在直流输电系统中，为了保证直流系统的平安稳定运行，分布在换流站的各个掌握爱护设施之间需要相互传递有关信息原先的信息传送采纳特地的串行通道，在传送速度和冗余上有肯定的限制，并且备品、备件易受制造厂的制约运用通用的局域网技术，换流站分布掌握的信息传送从专用电缆变成了局域网可以采纳市场很大的INTERNET网络器件，很好地克服了上述缺点自天一一广直流工程以来的直流输电工程，在站内的分布掌握系统的信息交换都采纳了局域网技术

四、通信装置在高压直流输电的两个换流站之间、各换流站与各自的调度所之间，都必需配备适当的通信设施，用以传递与直流线路运行相关的掌握信息、爱护动作信息、设施状态信息、运行参数测量信息、运行操作信息等对于高压直流输电系统来说，两换流站之间没有其他通信联络，只要有电话可用，也能够运行，但是运行很不便利，一些自动化功能也难于实现假如配备有良好的通信系统，直流系统的运行操作就更加简洁，系统性能会更加完善通信系统以极为基础进行配置，目的是保证双极中各极运行的独立性两极的通信系统在电气上和物理结构上都应予以分开，以便使各系统能够独立运行需要传送的双极共用信息应尽可能地少，必需传送的双极信号应通过各极的通道同时传送对于每一极的通信系统，也应考虑信号通道多重化的要求以确保牢靠性第八章换流变压器的爱护措施换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设施，是交、直流输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设施它的投入和平安运行是工程取得发电效益的关键和重要保证换流变压器的关键作用，要求其具有高牢靠性和高技术性能由于有交、直流电场、磁场的共同作用，所以换流变压器的结构特殊、简单，关键技术高难，对制造环境和加工质量要求严格开展换流变压器设计制造关键技术的讨论、攻克和制造条件改造工作，不断提高试验手段，将有利于全面把握换流变压器的设计制造技术，实现换流变压器国产化，填补国内空白同时可促进国内交、直流输电设施设计制造水平的进一步提高和进展，为特高压交、直流输变电设施的进展打下基础，做好前期预备实现换流变压器国产化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亲密相关，它在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与一般电力变压器有不同的特点和要求1爱护的配置原则为了保证既牢靠又平安，在既简洁又经济的状况下，可以这样配置换流变压器爱护每台换流变压器爱护装设两台爱护装置，每台爱护装置的电源2爱护的配置及原理为了避开换流站特有的谐波对爱护的影响，爱护装置应从硬件和软件上实行措施，使爱护只针对工频重量主爱护包括稳态比率差动、差动速断、工频变化量比率差动、零序比率差动、过激磁爱护后备爱护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和爱护3稳态比率差动爱护由于变比和联接组的不同，电力变压器在运行时各侧电流大小及相位也不同在构成继电器前必需消退这些影响换流变压器的TA一般装在各侧绕组上，因此原、副边绕组电流相位相同，因此只需要对变比的影响进行补偿以下的叙述的前提均为己消退了变压器各侧幅值和相位的差异.4工频变化量比率差动爱护装置中依次按相判别，当满意肯定条件时，工频变化量比率差动动作工频变化量比率差动爱护经过涌流判别元件、过激磁闭锁元件闭锁后出□o由于工频变化量比率差动的制动系数可取较高的数值，其本身的特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和力量较强工频变化量比率差动元件提高了装置在变压器正常运行时内部发生稍微匝间故障的灵敏度且工频变化量比率差动爱护不会受换流变压器分接头调整造成的差动电流不平衡的影响5后备爱护后备爱护包括过流、零序过流、过电压、零序过压、饱和爱护前言高压直流输电在大容量、远距离输电的场合，尤其在我们国家“西电东送”和全国联网中起着主导作用目前世界上重大的高压直流输电工程主要集中在我们国家，直流输电新技术也主要在这些工程中应用高压直流输电的一些技术问题，尤其是特高压直流输电技术问题，不仅是中国电网前所未有的，而且是世界电网进展史中前所未有的，面临一些世界级难题在经济全球化背景下，开展高压直流输电的技术问题讨论，解决高压直流输电技术和交直流混合电网运行中的难题，不仅对我们国家电网的平安稳定运行具有重要的意义，而且将为世界电网技术的进展做出贡献名目第一章超高压直流输电原理其次章直流输电的优点第三章:直流输电的缺点第四章:主要设施第五章直流输电工程系统构成第六章直流输电的换流技术第七章直流输电的换流技术第八章换流变压器的爱护措施第一章超高压直流输电原理高压直流输电线路如上图所示由图中可以看出直流输电的目的是把沟通系统A的电能输送到沟通系统B中去发电和用电系统都是以沟通方式进行，只是输电部分是直流方式首先，沟通发电机产生的沟通电，通过系统A中的变压器，把电压值变换成需要的大小，再送到整流器，通过它把沟通电变为直流电所得到的直流电，通过直流输电线路L输送到用电处的逆变器，由逆变器把直流电变为沟通电，最终由变压器把逆变器出来的沟通电压变成系统B应用时所需要的沟通电压其次章直流输电的优点与高压沟通输电相比较，直流输电具有下列优点

一、输送相同功率时，线路造价低，对于架空线路，沟通输电通常采纳3根导线，而直流只需1根（单极）或2根（双极）导线输送相同功率时，直流输电所用线材仅为沟通输电的2/3〜1/2此外，直流输电在线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，比沟通输电优越对于电缆线路，直流电缆与沟通电缆相比，其投资费和运行费都更为经济这就是越来越多的大城市供电采纳地下直流电缆的缘由

二、线路损耗小由于直流架空线路仅用1根或2根导线，所以导线上的有功损耗较小同时，由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗此外，由于直流架空线路具有“空间电荷”效应，其电晕损耗和无线电干扰均比沟通架空线路要小，直流输电没有集肤效应，导线的截面采用充分这样，直流架空线路在年运行费用也比沟通架空线路经济

三、相宜于海下输电海下输电必需采纳电缆电缆线路的电容比架空线路大得多，较长的海底电缆沟通输电很难实现，而采纳直流电缆线路就比较简洁且电缆的绝缘在直流电压和沟通电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同

四、没有系统稳定问题沟通输电系统中，全部连接在电力系统中的同步发电机必需保持同步运行系统稳定是指在系统受到扰动后全部互联的同步发电机具有保持同步运行的力量由于沟通系统具有电抗，输送的功率有肯定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过它的极限这时，送端的发电机和受端的发电机可能失去同步而造成系统的解列假如采纳直流线路连接两个沟通系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的同步运行稳定问题，即直流输电不受输电距离的限制此外，由于直流输电与系统频率、系统相位差无关，所以直流线路可以连接两个频率不相同的沟通系统

五、能限制系统的短路电流用沟通输电线路连接两个沟通系统时，系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的通断容量，这就要求更换大量设施，增加大量的投资而用直流输电线路连接两个沟通系统时，直流系统的“定电流掌握”将快速把短路电流限制在额定功率四周，短路容量不因互联而增大，有利于实现沟通系统的互联

六、调整速度快、运行牢靠直流输电通过晶闸管换流器能够便利、快速地调整有功功率和实现潮流翻转不仅在正常运行时保证稳定地输出功率，而且在事故状况下可通过正常的沟通系统一侧由直流线路对另一侧事故系统进行支援，从而提高系统运行的牢靠性采纳双极线路时，假如一极消失故障，另一极仍能以大地或水为回路连续输送一半的功率，提高了运行的牢靠性

七、实现沟通系统的异步连接频率不同或相同的沟通系统可以通过直流输电或“沟通一直流一沟通”的“背靠背”换流站实现异步联网运行，既得到联网运行的经济效益，又避开沟通联网在发生事故时的相互影响

八、直流输电可便利地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效、乙双极直流输电工程可按极来分期建设，先建一个极单极运行，然后再建另一个极也可以每极选择两组基本换流单元（串联接线或并联接线），第一期先建一组（为输送容量的1/4）单极运行；其次期再建一组（为输送容量的1/2）双极运行；第三期再增加一组，可双极不对称运行（为输送容量的3/4）当两组换流单元为串联接线时，两极的电压不对称，为并联接线时候，则两极的电流不对称；第四期则整个双极工程完全建成第三章:直流输电的缺点直流输电与沟通输电相比，有如下缺点

一、换流站的设施较昂贵

二、换流装置要消耗大量的无功功率直流输电换流器需要消耗肯定的无功功率，一般状况下，约为直流输送功率的5OQ6O96因此，换流站的沟通侧需要安装肯定数量的无功补偿设施，一般由具有电容性的沟通滤波器供应无功功率

三、产生谐波影响换流器运行时在沟通侧和直流侧都将产生谐波电流和电压，使电容器和发电机过热，换流器掌握不稳定，对通信系统产生干扰一般在沟通侧安装滤波器限制谐波影响

四、换流装置几乎没有过载力量，所以对直流系统的运行不利

五、缺乏高压直流开关由于直流输电不存在零点，以致灭弧较困难目前尚无适用的高压直流开关现在是把换流器掌握脉冲信号闭锁，起到部分开关的作用但在多端供电式，就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路近年来，采纳新型可关断半导体器件进行换流时直流断路器的功能将由换流器来担当

六、直流输电采用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题接地极四周地下（或海水中）的直流电流对金属构件、管道、电缆等埋设物有腐蚀作用；地中直流电流通过中性点接地变压器使变压器直流偏磁，产生局部过热、振动、噪声；以海水作为回路时，会对通信系统和航海磁性罗盘产生干扰

七、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依据以上优缺点，直流输电适用于以下场合

（一）远距离大功率输电

（二）海底电缆送电

（三）不同频率或同频率非周期运行的沟通系统之间的联络

（四）用地下电缆向大城市供电

（五）沟通系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之O

（六）协作新能源的输电U!包括换流器、换流变压器、平波电抗器、沟通滤波器、直流避雷器及掌握爱护设施等换流器又称换流阀是换流站的关键设施其功能是实现整流和逆变目前换流器多数采纳晶闸管可控硅整流管）组成三相桥式整流作为基本单元称为换流桥一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现沟通变直流直流变沟通的功能换流器在整流和逆变过程中将要产生

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17、19等多次遁遗为了削减各次谐波进入沟通系统在换流站沟通母线上要装设滤波器它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设施串联组成通过调谐的参数协作可滤掉多次谐波一般在换流站的沟通侧母线装有

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11、13次谐波滤波器组第五章直流输电工程系统构成直流输电系统可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，它与沟通系统只有连接端口，是结构最简洁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，它与沟通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1两端直流输电系统两端直流输电系统通常由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成，其原理接线如图所示具有功率反送功能的两端直流系统的换流站，既可作为整流站运行，又可作为逆变站运行；当功率反送时整流站作为逆变站运行，而逆变站则作为整流站运行换流站的主要设施有换流变压器、换流器、平波电抗器、沟通滤波器和无功补偿设施、直流滤波器、爱护装置、远动通信系统、接地极线路、接地极等两端直流输电系统构成原理图1—换流变压器；2—换流器；3一平波电抗器；4—沟通滤波器；5—静电电容器；6一直流滤波器；7-掌握爱护系统；8—接地极线路；9—接地极；10—远动通信系统直流输电所用的换流器通常采纳由12个（或6个）换流阀组成的12脉动换流器（或6脉动换流器）早期的直流输电工程曾采纳汞弧阀换流，20世纪70年月以后均采纳晶闸管换流阀目前已经能制造最大容量为250kV、4000A的换流阀，以满意特高压直流输电的需要换流变压器可实现交、直流侧的电压匹配和电隔离，还可以限制短路电流换流变压器阀侧绕组所承受的电压为直流电压叠加沟通电压，并且两侧绕组中均有一系列的谐波电流因此，换流变压器的设计、制造和运行均和一般电力变压器有所不同平波电抗器与直流滤波器共同担当直流侧滤波的任务，同时它还具有防止线路上的陡波进入换流站，防止直流电流断续，降低逆变器换相失败率等功能运行时换流器的沟通侧和直流侧都会产生谐波，所以在两侧需要装设沟通滤波器和直流滤波器由晶闸管换流阀所组成的电网换相换流器，运行中还汲取大量的无功功率因此，在换流站要采用沟通滤波器供应的无功，有时还需要此外装设无功补偿装置爱护装置是实现直流输电正常起停、正常运行、自动调整、故障处理与爱护等功能的设施，它保证直流输电运行的牢靠性20世纪80年月以后，爱护装置均采纳高性能的微机处理系统，大大改善了直流输电工程的运行性能为了采用大地（或海水）为回路，以提高直流输电运行的牢靠性和敏捷性，两端换流站还需要有接地极和接地极线路换流站的接地极大多是考虑长期通过运行的直流电流来设计的，它不同于通常的平安接地，需要考虑地电流对接地极四周地下金属管道的电腐蚀，以及中性点接地变压器直流偏磁的增加引起的变压器饱和等问题两端的沟通系统给换流器供应换相电压和电流，同时它也是直流输电的电源和负荷沟通系统的强弱、系统结构和运行性能对直流输电系统的设计和运行均有较大影响另一方面，直流系统运行性能的好坏也直接影响两端的沟通系统的运行性能两端直流输电系统可分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统三种。