直流输电第4章(1)

第1页第4章直流输电线路•4.1引言•4.2高压直流架空线路•4.3高压直流架空线路的电晕效应•4.4直流电缆线路第2页4.1引言按其结构分类：架空线路、电缆线路以及架空、电缆混合线路三种类型；按接线方式可分为单极线路、双极线路等。一般直流系统中的“极”对应于三相交流系统中的“相”。但应注意，从电力传输的角度来说，交流系统中的三相是同时起作用的；而直流系统中的“极”则能单独地输送电力。直流架空线路在线路投资和运行费等方面都比交流架空线路经济。对于电缆线路，在有色金属和绝缘材料相同的条件下，两根心线的直流电缆线路输送的功率Pd比三根心线的交流电缆线路输送的功率Pa大得多。第3页在跨海峡等必须用电缆线路进行输电时，如果用直流电缆，则线路部分的造价可比交流电缆输电低得多，而在有些情况下，只能采用直流电缆进行送电。电缆用于交流时，除了心线的电阻损耗之外，还存在绝缘的介质损耗以及铅包和铠装中的磁感应损耗；而用于直流时，则基本上只有心线的电阻损耗且绝缘的老化也缓慢得多。因此，直流电缆的年运行费用比相应的交流电缆低得多。第4页4.2直流架空线路1、按构成方式的不同，直流架空线路可分为三种基本类型：直流架空线路（a）单极线路；（b）同级线路；（c）双极线路第5页(1)单极线路只有1根导线，一般以大地或海水作为回流电路。(2)同极线路具有两根同极性导线，同时也利用大地或海水作为回流电路。(3)双极线路具有两根不同极性的导线，有些采用大地（海水）回流，也有一些采用金属回流。当两极导线中的电流相等时，回流电路中就没有电流。如果一极导线发生故障，另一极导线仍可利用回流电路继续运行。第6页直流架空线路具有一系列相交流架空线路不同的特点，例如：超高压直流架空线路上的直流电晕及其派生效应；直流线路绝缘子的结构与运行特性；直流架空线路的耐雷性能与绝缘配合：直流架空线路的杆塔结构等等。第7页2、直流电晕及其派生效应交，直电晕机理不同在女流电压下，电晕产生的空间电荷只在导线附近一个相当小的范围内往返振荡，大部分外围空间不存在空间电荷；在直流单极电晕的情况下，整个电极空间(导线一大地)充斥着符号和导线极性相同的空间电荷。因为电压极性保持不变，所以这些空间电荷将使导线附近的电场变弱，使外围空间的电场增强，从而使整个电场变得较为均匀，这就是空间电荷产生的“屏蔽效应”。第8页在双极线路上，同一基杆塔上悬挂着正，负两种极性的导线。这时产生的“双极电晕”。并不等于两个彼此无关的“单极正电晕”与“单极负电晕”的简单叠加．在双极电晕的作用下，电圾空间存在着两股极性和运动方向都相反的离子流，彼此削弱了对方所造成的“屏蔽效应”，从而使两根导线表面的场强都增大了。第9页电晕损耗在交流或直流电压作用下，电晕放电几乎是在同样的电压值(指幅值相等)下开始出现的，不过随着电压进一步提高，交流下的电晕损耗增加得比在直流下快得多。和交流电晕相比，直流电晕（包括单极、同极、双极）损耗与电压的相关性都稍小，与气候条件的相关性更要小得多，而且几乎和导线直径的大小以及是否为分裂导线无关。单极电晕损耗：负极性约等于正极性的两倍。双极电晕损耗要比两种极性的单极电晕损耗之和大得多(3—5倍)。第10页和交流线路的情况相反，直流线路的全年电晕损耗基本上取决于好天气时的数值，这一点可以用下述事实来解释：在坏天气时(雨、湿雪、大雾等)，直流线路的电晕损耗不过比晴天时增加几倍；而交流线路则增加几十倍甚至上百倍。当导线表面电位梯度相等时，双极直流线路的年平均电晕损耗仅为交流线路的50％～65％。第11页无线电干扰交流的电晕干扰主要是在电压为正的半周内产生的。在直流下，无沦在晴天或是雨天，正极性导线产生的无线电干扰也要比负极性导线强得多，所以单极直流线路一般均采用负极性。在交流下，雨天时的电晕无线电干扰要比晴天时大15～25dB；但在直流下，正极性电晕所产生的无线电干扰水平在雨天时反而低于晴天。双极直流线路的无线电干扰水平要比正极性单极线路高。第12页可闻噪声正极性导线上的电晕是直流架空线路可闻噪声的主要来源。雨水能使直流线路的可闻噪声稍微减轻一些；下雪时的噪声水平和晴天差别不大。距正极性导线的横向距离每增加一倍，直流线路的可闻噪声约衰减2.6dB。第13页3、直流架空线路的绝缘绝缘要求能够长期耐受运行电压。直流下绝缘子污染速度快，电气强度下降得多，腐蚀问题严重，所以应采用特殊的直流绝缘子。能够两受正常操作及故障所引起的内部过电压。应该使直流架空线路的雷击故障率处于容许值以下。第14页直流线路绝缘子直流线路绝缘子的工作条件与技术要求和交流线路绝缘子不同：集尘效应强、污闪电压低、老化快、钢脚的电腐蚀严重等等，因而一种性能良好的交流绝缘于不一定就是好的直流绝缘子。在同样条件飞直流绝缘子比交流绝缘子更易受到污染。在实验室内进行的对比试验表明：直流电压下的污染度约为交流电压下的两倍。但在室外试验场进行的观测表明：两者相差没有这样大，这是雨水冲刷和风吹等因素的影响。第15页在交流下，绝缘于表面各点的污染度是比较均匀的；在直流下，不但总的污染度大于交流，而且绝缘子下表面的污染度要比上表面大得多。就全串而言，导线侧各元件污染最严重，接地侧各元件次之，中间部分各元件的污染度最小。正极性导线的绝缘子串要比负极性导线的绝缘子串吸附更多的污秽，这反映了污染特性中的极性效应。绝缘子的直流耐压随污染度的增大而降低，而且比交流下降得更多。在同样条件下，绝缘子串的负极性直流闪络电压约比正极性时低10～20％，所以通常取负极性作为耐压试验条件。第16页直流绝缘子的电解腐蚀现象：电蚀导致绝缘子损坏，是由于两方面的过程所致：（1）钢脚变细，导致绝缘子的机械强度大幅度下降；（2）电蚀生成物在体积上的膨胀导致瓷体破裂。解决办法：最通用的办法是在钢脚上加锌套，它一般可使直流绝缘子的寿命延长一估左右。第17页直流绝缘子的结构型式一般均为耐污型，即具有较长的表面泄漏距离，以利于缩短绝缘子串的总长度。美国的研究表明：理想的直流绝缘子的泄漏距离L与高度H的比值范围约为2.5～3.0（普通交流绝缘子为2.0左右）。此外，直流绝缘子还应具有良好的自浩性能。第18页F160PD.C.型直流玻璃绝缘子CA－735型直流瓷质绝缘子第19页4、绝缘子串的选择在选择绝缘子串的片数时，原则上应同时满足工作电压、内部过电压和雷电过电压三方面的要求，但是，实际上往往取决于第一个要求，即工作电压才是决定性因素，其原因是：(1)由于有换流器的控制系统．平波电抗器，冲击波吸收电容器，直流滤波器等的有利作用，直流线路上常见的内部过电压水平一般不超过1.5～1.7倍，远较交流线路小。另一方面，绝缘子串的操作冲击耐压约为直流耐压的2.2～2.3倍，可见凡是能满足工作电压要求的绝缘子串一定也能符合内部过电压方面的要求。(2)按工作电压的要求选出来的绝缘子串，其总泄漏距离和片数均大大超过同样电压等级的交流线路。但是污染并不会使绝缘子串的雷电冲击闪络电压降低很多，所以按工作电压要求选得的绝缘子串，在冲击电压下往往处于“过绝缘”状态，因而耐雷水平很高。第20页由此可知：不仅大气污秽地区的线路，即使是洁净地区的直流线路．其绝缘子串的选择也取决于工作电压的要求。按污染条件和工作电压的要求选择绝缘子片数的方法有好几种，我们仅介绍最常用的“泄漏比距法”。第21页地区类别适用范围泄漏比距（cm/kV）交流线路λac直流线路λdcλdc/λac1洁净地区林区、农村1.62.21.382一般地区工业区外围、远离海岸处2.34.01.743污秽地区工业区、滨海区3.05.21.734严重污秽地区化工厂、火电厂附近4.07.01.75线路绝缘子的泄漏比距第22页除1类地区外，λdc与λac基本上都满足因此可把交流线路的泄漏比距换算为对地电压的对应值，然后用于直流线路。不少直流架空线路的实际运行经验表明；表中洁净地区的λdc值偏小，按λdc＝2.2cm/kV设计的直流线路曾多次出现污闪事故。因此可以认为，把表中洁净地区的λdc从2.2增大为2.8cm／kV，将是比较合适的。3dcac第23页选定λdc后，按下式确定绝缘子片数：dcdcUnl式中l为一片绝缘子的表面几何泄漏距离（cm）；Udc为线路额定直流电压（kV）。例：某500kV直流输电线路，采用CA－735EZ型直流瓷质绝缘子，用于一般地区，求一串绝缘子中的绝缘子片数。45003754.5n第24页直流线路的实际运行经验还表明：在大气严重污秽的地区(例如海边或某些工业区)，单单靠增大泄漏比距往往不能使泄漏电流减小到足够低的水平，还需要采取一些其他辅助措施以减小泻漏电流，例如：(1)涂硅脂。在绝缘表面涂上硅脂，能使其绝缘性能显著改善。泻漏电流大大减小，囚为这种材料具有憎水性和埋置外来固体微粒的特性，从而能阻止连续导电层的形成。不足：当所埋微粒达到某一饱和状态时，硅脂将突然丧失其限制表面电导的性能。所以，涂层必须定期清除和更换，其周期可为数月到数年，这取决于该地区的污秽程度。第25页(2)加强停电清洗或带电清洗。美国±400kv太平洋联络线的南段(该地区雨水较少、干燥期较长)，投运后曾因汽车废气污染而导致频繁的污闪，后来采取补救措施，除将绝缘子从27片增加到30片，使泄漏比距增大为3.43cm／kV外，还把绝缘子的清洗周期缩短到60天左右。(3)在某些工程中，当污染特别严重，气候又特别恶劣时，还曾试用“降压运行”这样的应急措施来避免污闪事故的发生。显然，上述几种辅助措施都会给运行单位带来麻烦，而且它们的作用也是有限的。所以，在建设直流输电工程时，应注意把换流站站址和线路路径选得离工业区和其他染源远一些。