赵婉君《高压直流输电》第一章

直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。直流输电与交流输电相互配合 构成现代电力传输系统。目前电力系统中的发电和用电的绝大部分均为交流电，要采用直 流输电必须进行换流。也就是说，在送端需要将交流电变换为直流电(称为整流)，经过 直流输电线路将电能送往受端；而在受端又必须将直流电变换为交流电(称为逆变)，然 后才能送到受端的交流系统中去，供用户使用。送端进行整流变换的地方叫整流站，而受 瑞进行逆变变换的地方叫逆变站。整流站和逆变站可统称为换流站。实现整流和逆变变换 的装置分别称为整流器和逆变器，它们统称为换流器。

直流输电工程的系统结构可分为两端〔或端对端)直流输电系统和多端直流输电系统 两大类。两端直流输电系统是只有一个整流站〔送端)和一个逆变站(受端)的直流输电

系统，即只有一个送端和一个受端，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直 流输电系统。多端直流输电系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口，它有三个或三 个以上的换流站。例如，一个三端直流输电系统包括三个换流站，与交流系统有三个端口 相连，它可以有两个换流站作为整流站运行，一个换流站作为逆变站运行，即有两个送端 和一个受端;也可以有一个换流站作为整流站运行，两个作为逆变站运行，即有一个送端 和两个受端。目前世界上已运行的直流输电工程大多为两端直流输电系统，只有意大利一 撒丁岛(三端)和魁北克一新英格兰(五端)直流输电工程为多端直流输电系统。此外， 纳尔逊河双极1和双极2以及太平洋联络线直流工程也具有多端直流输电的运行性能。 一、两端直流输电系统

两端直流输电系统的构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。对于可进行 功率反送的两端直流输电工程，其换流站既可以作为整流站运行，又可以作为逆变站运 行。功率正送时的整流站在功率反送时为逆变站，而正送时的逆变站在反送时为整流站。 整流站和逆变站的主接线和一次设备基本相同(有时交流侧滤波器配置和无功补偿有所不 同)，其主要差别在于控制和保护系统的功能不同。图1一1所示为两端直流输电系统构成

的原理图。在图1-1中，如果从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ送电，则换流站1为整流站， 换流站2为逆变站;当功率反送时，则换流站2为整流站，换流站1为逆变站。

送端和受端交流系统与直流输电系统有着密切的关系，它们给整流器和逆变器提供换 相电压，创造实现换流的条件。同时送端电力系统作为直流输电的电源，提供传输的功 率；而受端系统则相当于负荷，接受和消纳由直流输电送来的功率。因此，两端交流系统 是实现直流输电必不可少的组成部分。两端交流系统的强弱，系统结构和运行性能等对直 流输电工程的设计和运行均有较大的影响。另一方面，直流输电工程运行性能的好坏也直 接影响两端交流系统的运行性能。因此，直流输电系统的设计条件和要求在很大程度上取 决于两端交流系统的特点和要求。例如，换流站的主接线和主要设备的选择。其中特别是 交流侧滤波和无功补偿配置方案;换流站的绝缘配合和主要设备的绝缘水平；直流输电控 制保护系统的功能配置和动态响应特性等与两端交流系统有着密切的关系。通常在进行系 统设计时，两端交流系统用等值系统来表示。

直流输电的控制保护系统是实现直流输电正常起动与停运、正常运行、运行参数改变 与自动调节、故障处理与保护等所必不可少的组成部分。是决定直流输电工程运行性能好 坏的重要因素，它与交流输电二次系统的功能有所不同。此外，为了利用大地(或海水) 为回路来提高直流输电运行的可靠性和灵活性，直流输电工程还需要有接地极和接地极引 线。因此，一个两端直流输电工程，除整流站、逆变站和直流输电线路以外，还有接地 极、接地极引线和一个满足运行要求的控制保护系统等。

两端直流输电系统又可分为单极系统(正极或负极)、双极系统(正负两极〕和背靠 背直流系统(无直流输电线路)三种类型。 (一)单极系统

单极直流输电系统可以采用正极性或负极性。换流站出线端对地电位为正的称为正 极，为负的称为负极。与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线；也可以称 为正极线路或负极线路。单极直流架空线路通常多采用负极性(即正极接地)，这是因为 正极导线的电晕电磁干扰和可听噪声均比负极导线的大。同时由于雷电大多为负极性，使

得正极导线雷电闪络的概率也比负极导线的高。单极系统运行的可靠性和灵活性均不如双 极系统好，实际工程中大多采用双极系统。双极系统是由两个可独立运行的单极系统所组 ，便于工程进行分期建设，同时在运行中当一极故障停运时，可自动转为单极系统运 。因此，虽然所设计的单极直流输电工程不多，但在实际运行中单极系统的运行方式还 是常见的。

单极系统的接线方式有单极大地(或海水)回线方式和单极金属回线方式两种。另外 当双极直流输电工程在单极运行时，还可以接成双导线并联大地回线方式运行。实质上 这是利用已有的输电导线为降低线路损耗而采用的一种单极大地回线方式。图1一2中的 (a)、(b), (c)分别给出这三种方式的示意图。

1单极大地回线方式

单极大地回线方式是利用一根导线和大地(或海水)构成直流侧的单极回路，两端换 流站均需接地，见图1一2 (a)。这种方式的大地(或海水)相当于直流输电线路的一根 导线，流经它的电流为直流输电工程的运行电流。由于地下(或海水中)长期有大的直流流过，这将引起接地极附近地下金属构件的电化学腐蚀以及中性点接地变压器直流偏磁的增加而造成的变压器磁饱和等问题，这些问题有时需要采取一定的技术措施。对于单极大地回线方式的直流输电工程，其接地极设计所取的连续运行电流即为工程连续运行的直流电流。 单极大地回线方式的线路结构简单，可利用大地这个良导体，省去一根导线，线路造价低，但其运行的可靠性和灵活性均较差；同时对接地极的要求较高，使得接地极的投资增加。这种方式的应用场合主要是高压海底电缆直流工程，因为省去一根高压海底电缆所节省的投资还是相当可观的。采用这种方式的直流输电工程有：瑞典一丹麦的康梯一斯堪工程，瑞典一芬兰的芬挪一斯堪工程，瑞典一德国的波罗的海工程，丹麦一德国的康特克工程等。 2．单极金属回线方式

单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路，见图1一2(b)，其中一

根低绝缘的导线〔也称金属返回线)用来代替单极大地回线方式中的地回线。在运行中， 地中无电流流过，可以避免由此所产生的电化学腐蚀和变压器磁饱和等问题。为了固定直 流侧的对地电压和提高运行的安全性，金属返回线的一端需要接地，其不接地端的最高运 行电压为最大直流电流时在金属返回线上的压降。这种方式的线路投资和运行费用均较单 极大地回线方式的要高。通常是在不允许利用大地(或海水)为回线或选择接地极较困难 以及输电距离又较短的单极直流输电工程中采用。 （二）双极系统

双极系统接线方式是直流输电工程通常所采用的接线方式，可分为双极两端中性点接 地方式、双极一端中性点接地方式和双极金属中线方式三种类型。图1一3所示为双极直 流输电系统接线示意图。

1，双极两端中性点接地方式(可简称双极方式)

双极两端中性点接地方式是大多数直流输电工程所采用的正负两极对地，两端换流站的中性点均接地的系统构成方式，见图1-3(a)，利用正负两极导线和两端换流站的正负 两极相连，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线。实际上它是由两个独立运行的单 极大地回线系统构成。正负两极在地回路中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差值。双极中的任一极均能构成一个独立运行的单极输电系统，双极的电压和电流可以不相等。双极的电压和电流均相等时称为双极对称运行方式，不相等时称为电压或电流的不对称运行方式。当双极电流相等时，地中无电流流过，实际上仅为两极的不平衡电流，通常小于额定电流的l%。因此，在双极对称方式运行时，可基本上消除由于地中电流所引起的电腐蚀等问题。当双极电流不对称运行时，两极中的电流不相等，地中电流为两极电流之差值。为了减小地中电流的影响，在运行中尽量采用双极对称运行方式。如果由于某种

原因需要一个极降低电压或电流运行，则可转为双极电压或电流不对称运行方式。

双极方式的直流输电工程，当输电线路或换流站的一个极发生故障需退出工作时，可 根据具体情况转为三种单极方式运行，即：①单极大地回线方式；②单极金属回线方式； ③单极双导线并联大地回线方式。通常是在故障极停运时，健全极的电流通过两端接地极 和大地(或海水)所构成的回路返回，首先自动形成单极大地回线方式运行，同时可利用直流输电工程的过负荷能力，使健全极在短时间内输送的功率大于其额定值，以减小对两端交流系统的冲击。然后根据具体情况来确定直流工程继续运行的系统构成方式。为了提高双极直流输电工程的可用率，在双极对称运行时，一端接地极系统故障，可将故障端换流站的中性点自动接到换流站内的接地网上临时接地，并同时断开故障的接地极，使其退出工作，以便进行检查和检修，这样可保持双极对称方式正常运行。

双极直流输电工程的两端接地极系统可根据工程所要求的单极大地回线运行时间的长 短来进行设计。如果单极大地回线方式只作为当一极故障时向单极金属回线方式转换的短 时过渡方式来考虑，则可大大降低对接地极的要求。因此，双极两端中性点接地的直流输 电，对于不同的工程要求，其接地极系统的差别也较大。 2．双极一端中性点接地方式

这种接线方式只有一端换流站的中性点接地，见图1-3（b），其直流侧回路由正负两 极导线组成，不能利用大地(或海水)作为备用导线。当一极线路发生故障需要退出工作时，必须停运整个双极系统，而没有单极运行的可能性。当一极换流站发生故障时，也不能自动转为单极大地回线方式运行，而只能在双极停运以后，才有可能重新构成单极金属回线的运行方式。因此，这种接线方式的运行可靠性和灵活性均较差。其主要优点是可以保证在运行中地中无电流流过，从而可以避免由此所产生的一些问题。这种系统构成方式在实际工程中很少采用，只在英一法海峡直流输电工程中得到了应用。 3.双极金属中线方式

双极金属中线方式是利用三根导线构成直流侧回路，其中一根为低绝缘的中性线，另 外两根为正负两极的极线，见图1-3（c）。这种系统构成相当于两个可独立运行的单极金 属回线系统。共用一条低绝缘的金属返回线。为了固定直流侧各种设备的对地电位，通常 中性线的一端接地，另一端的最高运行电压为流经金属中线最大电流时的电压降。这种方 式在运行中地中无电流流过，它既可以避免由于地电流而产生的一些问题，义具有比较可 靠和灵活的运行方式。当一极线路发生故障时，则可自动转为单极金属回线方式运行；当 换流站的一个极发生故障需要退出工作时，可首先自动转为单极金属回线方式，然后还可 转为单极双导线并联金属回线方式运行。其运行的可靠性和灵活性与双极两端中性点接地 方式相类似。由于采用三根导线组成输电系统，其线路结构较复杂，线路造价较高。通常 是当不允许地中流过直流电流或接地极极址很难选择时才采用。例如，英国伦敦的金斯诺 斯地下电缆直流工程、日本纪伊直流工程以及加拿大一美国的魁北克一新英格兰多端直流 工程的一部分是采用这种系统构成方式。 (三)背靠背直流系统

背靠背直流系统是输电线路长度为零(即无直流输电线路)的两端直流输电系统，它

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