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为什么采用高压直流输电


问题63:为什么采用高压直流输电?

发布时间:2007-07-23

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追溯历史,最初采用的输电方式是直流输电,于1874年出现于俄国。当时输电电压仅 100V。随着直流发电机制造技术的提高,到1885年,直流输电电压已提高到6000V。但要进 一步提高大功率直流发电机的额定电压, 存在着绝缘等一系列技术困

难。 由于不能直接给直 流电升压,输电距离受到极大的限制,不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19 世纪80年代末,人类发明了三相交流发电机和变压器。1891年,世界上第一个三相交流发电 站在德国竣工。此后,交流输电普遍代替了直流输电。随着电力系统的迅速扩大,输电功率 和输电距离的进一步增加,交流输电遇到了一系列技术困难。大功率换流器(整流和逆变) 的研究成功,为高压直流输电突破了技术上的障碍,直流输电重新受到人们的重视。1933 年,美国通用电器公司为布尔德坝枢纽工程设计出高压直流输电装置;1954年,建起了世界 上第一条远距离高压直流输电工程。之后,直流输电在世界上得到了较快发展,现在直流输 电工程的电压等级大多为±275~±500kV,投入商业运营的直流工程最高电压等级为 ±600kV (巴西伊泰普工程) , 我国计划在西南水电送出的直流工程中采用±800kV 电压等级。 在现代直流输电系统中,只有输电环节是直流电,发电系统和用电系统仍然是交流电。 在输电线路的送端, 交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器, 将高压交流电 变为高压直流电后送入直流输电线路。 直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器, 将 高压直流电又变为高压交流电, 再经过换流变压器将电能输送到交流系统。 在直流输电系统 中,通过控制换流器,可以使其工作于整流或逆变状态。 我国目前建成的高压直流输电工程均为两端直流输电系统。 两端直流输电系统主要由整 流站、逆变站和输电线路三部分组成,如图5-1所示。

图5-1两端直流输电系统示意图 两端直流输电系统可以采用双极和单极两种运行方式。 在双极运行方式中, 利用正负两极导线和两端换流站的正负极相连, 构成直流侧的闭环 回路。两端接地极所形成的大地回路可作为输电系统的备用导线。正常运行时,直流电流的 路径为正负两根极导线。实际上,它们是由两个独立运行的单极大地回路系统构成。正负两 极在地中的电流方向相反, 地中电流为两极电流之差。 两极电流之差形成的电流为不平衡电 流,由接地极导引入地。在双极运行时,不平衡电流一般控制在额定电流的1%之内。 单极运行方式又分为单极金属返回和单极大地返回两种运行方式。 在单极金属返回运行 方式中,利用两根导线构成直流侧的单极回路,直流线路中的一根导线用作正或负极导线, 另一根用作金属返回线。在此运行方式中,地中无电流通过。在单极大地返回运行方式中, 利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单极回路。 在该运行方式中, 两端换流站均需接地, 大地作为一根导线,通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。 高压直流输电与交流输电相比,具有诸多优点: (1)高压直流输电具有明显的经济性。输送相同功率时,直流输电线路所用线材仅为 交流输电的1/2~2/3。直流输电采用两线制,与采用三线制三相交流输电相比,在输电线路 导线截面和电流密度相同的条件下,若不考虑趋肤效应,输送相同的电功率,输电线和绝缘 材料可节省约1/3。 如果考虑到趋肤效应和各种损耗, 输送同样功率交流电所用导线截面积 大于或等于直流输电所用导线截面积的1.33倍。 因此, 直流输电所用的线材几乎只有交流输 电的一半。另外,直流输电线路的杆塔结构也比同容量的三相交流输电线路的简单,线路走 廊占地面积也大幅减少,图5-2分别给出了两者的走廊照片。但是,直流输电系统中的换流 站的造价和运行费用要比交流输电系统变电站的高, 当输电距离增加到一定值后, 直流输电

线路所节省的费用刚好抵偿了换流站所增加的费用, 此时这个输电距离即被称为交流输电与 直流输电的等价距离。 如果把交流输电和直流输电两种输电方式在输送一定功率时, 所需的 费用和输电距离之间的关系绘成如图5-3(a)所示的曲线,两曲线交点的横坐标就是等价距 离。图5-3(b)给出了随着输送距离的增加,交流和直流输电系统的线路损耗曲线。

图5-2交流输电和直流输电线路走廊 (a)交流输电线路走廊; (b)直流输电线路走廊

图5-3交流输电与直流输电系统等价距离和线路损耗对比图 (a)总投资与线路距离的关系; (b)架空输电线路的损耗 (2)在电缆输电线路中,高压直流输电线路不产生电容电流,而交流输电线路存在电 容电流,引起损耗。在一些特殊场合,如输电线路经过海峡时,必须采用电缆。由于电缆芯 线与大地之间构成同轴电容器,在交流高压输电线路中,空载电容电流极为可观。而在直流

输电线路中,由于电压波动很小,基本上没有电容电流加在电缆上。 (3)采用直流输电时,线路两端交流系统不需同步运行,而交流输电必须同步运行。 采用远距离交流输电时, 交流输电系统两端电流的相位存在显著差异; 并网的各子系统交流 电的频率虽然规定为50Hz,但实际上常产生波动。这两种因素导致交流系统不同步,需要用 复杂而庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整, 否则就可能在设备中形成强大的环流 而损坏设备, 或造成不同步运行而引起停电事故。 采用直流输电线路将两个交流系统互连时, 其两端的交流电网可以按各自的频率和相位运行,不需进行同步调整。 (4)高压直流输电控制方便、速度快,发生故障的损失比交流输电的小。两个交流系 统若用交流线路互连,则当一侧系统发生短路时,另一侧要向故障侧输送短路电流。因此, 将使两侧系统原有断路器切断短路电流的能力受到威胁, 需要更换断路器。 若用直流输电将 两个交流系统互连,由于采用可控硅装置,电路功率能迅速、方便地进行调节,直流输电线 路向发生短路的交流系统输送的短路电流不大, 故障侧交流系统的短路电流与没有互连时几 乎一样。因此不必更换两侧原有开关及载流设备。 (5)在高压直流输电工程中,各极是独立调节和工作的,彼此没有影响。所以,当一 极发生故障时,只需停运故障极,另一极仍可输送至少50%的电能。但在交流输电线路中, 任一相发生永久性故障,必须全线停电。 高压直流输电也有其缺点: (1)直流换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高; (2)谐波较大; (3)直流输电工程在单极大地回路方式下运行时,入地电流会对附近的地下金属体造 成一定腐蚀,窜入交流变压器的直流电流会使变压器噪声增加; (4)若要实现多端输电,技术比较复杂。 由上可见,高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、 发生故障时对电网造成的损失小等优点, 特别适合用于长距离点对点大功率输电。 而采用交 流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合,将是现代电力传输系统的发展趋势


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