高压直流输电

第2篇高压直流输电高压直流输电工程自1954年在瑞典Gotland投入工业化运行以来，至今经历了汞弧阀换流和晶闸管换流时期，目前世界上已有60多项直流输电工程投入运行，在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网工程中得到了较大的发展。特别是在20世纪80年代以后，大功率电力电子技术及微机控制技术等高科技的发展，进一步促进了直流输电技术的应用与发展。比较明显的是，背靠背非同步联网和多端直流输电工程以及采用新型半导体器件的轻型直流输电工程，近年来发展很快。到20世纪末已有26项背靠背和2项多端直流输电工程投入运行，另外还有2项直流工程具有多端直流输电的运行性能。到2000年已有5项轻型直流输电工程投入运行。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。到2005年我国已有8项高压直流输电工程相继投入运行。本篇主要从直流输电换流技术、控制系统和保护装置、换流站主接线及主要设备、直流输电接地极、过电压及绝缘配合等方面，总结归纳了国内外高压直流输电工程的建设和运行经验。第6章直流输电概论6.1直流输电的发展6.1.1国外直流输电的发展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，如1882年在德国建成的2kV、1.5kW、57km向慕尼黑国际展览会的送电工程；1889年在法国用直流发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯（Mouties）到里昂（Lyon）的125kV、20MW、230km的直流输电工程等。随着三相交流发电机、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电所取代。由于变压器可方便地改变交流电压，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。但是直流还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。采用直流输电，必须要解决换流问题。因此，直流输电的发展与换流技术的发展有密切的关系。直流输电的发展可分为以下几个时期。一、汞弧阀换流时期1901年发明的汞弧整流管只能用于整流，不能逆变。1928年研制成功了具有栅极控制能力的汞弧阀，它不但可用于整流，而且还可以进行逆变。大功率汞弧阀的问世使直流输电成为现实。但是，汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高，可靠性较低、运行维护不便等因素，使直流输电的发展受到限制。二、晶闸管阀换流时期20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管的问世，晶闸管换流阀和微机控制技术在直流输电工程中的应用，这些进步有效地促进了直流输电技术的发展。晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造、试验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。晶闸管换流阀比汞弧阀有明显的优势，以后建的直流工程均采用晶闸管换流阀。同时，晶闸管逐步替代原来采用汞弧阀的直流工程。三、新型半导体换流设备的应用20世纪90年代以后，新型氧化物半导体器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT）得到广泛的应用。1997年3月，世界上第一个采用IGBT组成电压源换流器的直流输电工业性试验工程在瑞典中部投入运行。2000年时，已有5个轻型直流输电工程在世界投入运行。由于IGBT单个元件的功率小、损耗大，不利于大型直流输电工程采用。近期成功研制出集成门极换相晶闸管（IGCT）和大功率碳化硅元件，该元件电压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高，并具有自关断能力。因此，这些新型的半导体换流器件将会取代普通晶闸管。6.1.2国内直流输电的发展为了长江三峡水利资源的开发以及三峡电站的电力外送，我国在1958年提出直流输电。1963年在中国电力科学研究院建成1000V、5A的直流输电物理模拟装置。20世纪70年代以后，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统，并先后在西安和上海建立了相应的试验装置和试验工程。到了80年代，由于葛—南大型直流输电工程的需要，从瑞士BBC公司引进了一套先进的大型直流输电模拟装置。90年代，在该套装置上又增加了全数字化的直流输电仿真系统（RTDS)，并与暂态网络分析装置（TNA）相连，从而具备了进行更大规模试验研究工作的能力。中国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧阀换流时期。6.2直流输电工程的特点6.2.1直流输电的优点与高压交流输电相比较，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，交流输电通常采用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交流输电的2/3～l/2。另外，直流输电在线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，比交流输电优越。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比，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用地下直流电缆的原因。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。另外，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交流架空线路要小，直流输电没有集肤效应，导线的截面利用充分。这样，直流架空线路在年运行费用也比交流架空线路经济。三、适宜于海下输电海下输电必须采用电缆。电缆线路的电容比架空线路大得多，较长的海底电缆交流输电很难实现，而采用直流电缆线路就比较容易。且电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同。四、没有系统稳定问题交流输电系统中，所有连接在电力系统中的同步发电机必须保持同步运行。系统稳定是指在系统受到扰动后所有互联的同步发电机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，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。如果采用直流线路连接两个交流系统，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。另外，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交流系统。五、能限制系统的短路电流用交流输电线路连接两个交流系统时，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备，增加大量的投资。而用直流输电线路连接两个交流系统时，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大，有利于实现交流系统的互联。六、调节速度快、运行可靠直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节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，而且在事故情况下，可通过正常的交流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可靠性。采用双极线路时，假如一极出现故障，另一极仍能以大地或水为回路，继续输送一半的功率，提高了运行的可靠性。七、实现交流系统的异步连接频率不同或相同的交流系统可以通过直流输电或“交流—直流—交流”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，又避免交流联网在发生事故时的相互影响。八、直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益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；第二期再建一组（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。6.2.2直流输电的缺点直流输电与交流输电相比，有如下缺点：一、换流站的设备较昂贵。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一定的无功功率，一般情况下，约为直流输送功率的50%~60%，因此，换流站的交流侧需要安装一定数量的无功补偿设备，一般由具有电容性的交流滤波器提供无功功率。三、产生谐波影响。换流器运行时在交流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，换流器控制不稳定，对通信系统产生干扰。一般在交流侧安装滤波器限制谐波影响。四、换流装置几乎没有过载能力，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。现在是把换流器控制脉冲信号闭锁，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，采用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承担。六、直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题。接地极附近地下（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。根据以上优缺点，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交流系统之间的联络。(四)用地下电缆向大城市供电。(五)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一。(六)配合新能源的输电。6.3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，它与交流系统只有连接端口，是结构昀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，它与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。6.3.1两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6-1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。换流站的主要设备有：换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、保护装置、远动通信系统、接地极线路、接地极等。图6-1两端直流输电系统构成原理图1—换流变压器；2—换流器；3—平波电抗器；4—交流滤波器；5—静电电容器；6—直流滤波器；7—控制保护系统；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用由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用汞弧阀换流，20世纪70年代以后均采用晶闸管换流阀。目前，已经能制造昀大容量为250kV、4000A的换流阀，以满足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交流电压，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、制造和运行均和普通电力变压器有所不同。平波电抗器与直流滤波器共同承担直流侧滤波的任务，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。运行时换流器的交流侧和直流侧都会产生谐波，所以在两侧需要装设交流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，运行中还吸收大量的无功功率。因此，在换流站要利用交流滤波器提供的无功，有时还需要另外装设无功补偿装置。保护装置是实现直流输电正常起停、正常运行、自动调节、故障处理与保护等功能的设备，它保证直流输电运行的可靠性。20世纪80年代以后，保护装置均采用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。为了利用大地（或海水）为回路，以提高直流输电运行的可靠性和灵活性，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，它不同于通常的安全接地，需要考虑地电流对接地极附近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。两端的交流系统给换流器提供换相电压和电流，同时它也是直