赵婉君《高压直流输电》第一章(3)

能好。对于这种情况则需要对工程的输电方案进行比较和论证，最后根据比较的结果选择技 术经济性能优越的方案

目前直流输电的应用主要在以下几个方面。 (一)远距离大容量输电

直流输电线路的造价和运行费用均比交流输电低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电所的高。因此，对同样的输送容量，输送距离越远，直流比交流的经济性能越好。随着输送距离的增加，交流输电的容量将受其稳定极限的限制，为提高输送能力，往往需要采用各种技术措施，从而又增加了交流输电的投资。通常规定，当直流输电线路和换流站的造价与交流输电线路和变电所的造价相等时的输电距离为等价距离(见图1一5)，也就是说，对于一定的输送功率，当输电距离大于等价距离时，采用直流输电比较经济。等价距离与交流和直流输电线路的造价、交流变电所和直流换流站的造价、交流输电和直流输电系统的损耗和运行费用、损耗的电能价格等一系列经济指标有关。对于不同的国家，由于上述经济指标的不同，其等价距离也不相同。目前，国外架空线路的等价距离约为600～800km，而电缆线路约为20～40km。中国因直流换流站设备目前尚不能自制，需全部进口(经汇率折算后价格均较高)，直流架空线路的造价也偏高，因此架空线路的等价距离约为1 000km。

(二)电力系统联网

电力系统发展的规律势必走向联网，因为它有利于资源的优化配置和应用，可以得到 很好的联网效益。用传统的交流输电方式联网将形成同步运行的大电网，可以取得联网效 益，但也带来一些大电网存在的问题（如稳定问题、故障后可能引起的大面积停电问题、 短路容量增大问题等)。采用直流输电联网，既可取得联网效益，又能避免大电网带来的 问题，同时还能改善原交流电网的运行性能。用直流联网主要有以下优点。

{1)直流联网为非同步联网，这与采用交流的同步联网有本质的不同。非同步联网的 被联电网可用各自的频率非同步独立运行，可保持各个电网自己的电能质量(如频率、电 压)而不受联网的影响。采用交流的同步联网，被联电网联网后必须在同一频率下同步运 行。

{2)被联电网间交换的功率，可以用直流输电的控制系统进行快速、方便地控制，而 不受被联电网运行条件的影响，便于经营和管理。采用交流联网，则联络线上的功率受两 端电网运行情况的影响而很难进行控制。

{3)联网后不增加被联电网的短路容量，不需要考虑因短路容量的增加，断路器因遮 断容量不够而需要更换，以及电缆需要采用限流措施等问题。

{4)可以方便地利用直流输电的快速控制来改善交流电网的运行性能，减少故障时两

电网的相互影响，提高电网运行的稳定性，降低大电网大面积停电的概率，提高大电网运 行的可靠性。

目前在工程中所采用的直流联网有以下两种类型。

(1)背靠背直流联网。其特点是整流和逆变放在一个背靠背换流站内；无直流输电线 路；可选择低的直流电压和较小的平波电抗值；可省去直流撼波器，从而降低了换流站的 造价。另外，它还可以比远距离直流输电更为方便地调节换流站的无功功率，来改善被联 电网的电压稳定性。对于电力系统之间的弱联系，采用背靠背联网更为有利。

(2)远距离大容量直流输电同时又具有联网性质。当电力系统的大型电站需要向其他 电网远离电站的负荷中心送电时，可以利用直流输电在远距离输电和联网方面的优点，选 择这种类型的输电方式。中国三峡电站向华东和广东送电，均属于这种类型，它既解决了 三峡向华东和广东的送电问题，又实现了华中与华东和华中与华南电网的联网间题，在全 国联网中起了重要的作用。 （三）直流电缆送电

直流电缆没有电容电流，输送容量不受距离的限制，而交流电缆由于电容电流很大， 其输送距离将受到限制。交流电缆每相的电容电流可用下式表示

Ic?Un?2?f?C0l （１—２） 式中，Ic为每相的电容电流，A; Un为额定电压，V；f为频率，Hz ; C0为每相单位长度电缆的电容，F/ krn；l为电缆线路的长度，km。Ic通过芯线势必降低芯线的负荷能力。 当Ic等于电缆所允许的负荷电流Ip时，则芯线的全部负荷能力均被Ic所占用，此时己 不可能利用交流电缆来输送电力，其相对应的输送距离称为临界距离(lcr}。其临界距离 可用下式表示

lcr?IpUn?2?fC0（km） (1一3)

由上式可知，交流电缆的临界输送距离与其所允许的负荷电流成正比，而与其额定电压和 单位长度的电容成反比，其额定电压越高，单位长度的电容越大，则临界距离越短。即如 在技术上采用交流电缆也能实现输电时，由于直流电缆的造价低、损耗小、输送容量大等 优点，交、直流输电方案论证的结果也往往是直流方案优于交流方案。

因此，远距离大容量跨海峡的海底电缆送电大部分均采用直流电缆。大城市附近建设 大型电站受环境污染条件的限制，往往是不允许的。而大城市的用电密度高，人口稠密， 架空线路的走廊难以选择。采用高压直流地下电缆将远处的电力送往大城市的负荷中心是 一种有竞争力的选择方案。

(四)现有交流输电线路的增容改造

一些地区高压架空线路走廊的选择越来越困难。直流输电的输电密度比交流输电高， 改建现有交流输电线路为直流输电线路是利用已有的线路走廊，提高输电能力值得考虑的 办法。假定利用原交流线路的导线，将U、V、W三相改为直流输电的正、负两极(总导 线截面不变)，在直流输电和交流输电电流密度相同的条件下，直流线路电流可比原交流 线路电流增加l.5倍。因为直流极线的导线截面比原交流每相的导线截面增大1.5倍。交

流线路的改造主要是导线的重新排列，绝缘子串的加长或更换，铁塔塔头的改造(塔身和 基础均不变)。在上述条件下，改造后直流的输送容量比原交流输送容量提高的倍数取决 于直流极对地电压对交流相电压(有效值)提高的倍数。以一回交流线路改为一回双极直 流线路为例。取U?为交流相电压有效值; Ud为直流极对地电压; Il为交流线电流;Id 为直流极电流。假定交流输电的cos??1，则交流和直流的输送功率可用以下公式表示 交流输送功率 PU?Il (1一4) a?3 直流输送功率 Pd?2UdId (１一5)

按上述条件取 Ud?kU? (1一6) Id?3Il (1一7) 2式中，k为直流极对地电压对交流相电压提高的倍数。将式(1一6)、式(1一7) (１一５)可得

PU?Il)?kPa (１一８) d?k(3由此可见，在上述条件下改造后的直流输送功率比原交流输送功率提高的倍数取决于直流 极对地电压对交流相电压提高的倍数k值。对于一回交流改为一回单极直流以及两回交 流改为一回双极直流或三回双极直流等情况，也会得到同样的结果。k值与直流电压和交 流电压的绝缘耐受能力以及直流输电工程和交流输电工程的绝缘水平有关。 假定对同样的绝缘，直流的耐受电压(Udw)和交流的耐受电压有效值(Uaw)之比 为k1，则

k1?Udw (1一9) Uaw交流输电工程和直流输电工程的绝缘水平，通常与其操作过电压倍数ka和kd有关。ka和

kd可分别用以下公式表示

ka?

kd?交流绝缘水平 (l一1０)

U?直流绝缘水平 (l一11)

Ud假定交、直流愉电绝缘比为R?，交流相电压所需的绝缘长度为la，直流极对地电压所需 的绝缘长度为ld，则

R??U?kd?la交流绝缘水平直流绝缘水平ka?UdkU?/?/?k1?a?? (1一12) ld交流耐压水平直流耐压水平UawUdwkdUd当绝缘长度相等时，即R??１，则有 Ud?k1?ka?U? (1一13) 令

kdk?kka1?k d(1一14) 则 Ud?kU? （１—１５）

式中，k即为人们所求的直流极对地电压对交流相电压可以提高的倍数。

架空线路绝缘子串耐受直流电压和交流电压的能力与线路所经地区的污秽状况有 关。对于严重污秽区直流电压的耐受能力相当于交流电压的有效值，而对于清洁区则相 当于交流电压的峰值。前者k1值为1，而后者则为2。对于不同绝缘介质的电缆线路， 直流的耐压能力比交流的更高，一般k1值为2一3。交流输电工程的操作过电压倍数一 般为2.5 ～3倍，而直流输电工程通常为1.7倍。对于不同情况的交流架空线路或电缆 线路，采用不同的k1 , ka和kd值，改建成直流输电后，可提高输送容量的倍数，详见 表1一1。

因此，可以粗略地认为，当选择交、直流输电线路的电流密度相等时，架空线路可提 高输送容量1.５一2.５倍，而电缆线路则可提高3一5倍。如果考虑到直流输电线路的电流 密度可以选择比交流输电更高时，则改建后的直流输电工程的输送容量还可以更大一些。 此外，将交流改为直流后，还可以利用直流的快速控制来改善交流系统的运行性能，提高 系统的运行可靠性。在进行工程改造时，输电线路的两端必须新建整流站和逆变站，这将 需要相应的投资。对于具体的工程，均需由全面的技术经济论证来确定。 (五)轻型直流输电(HVDC Light)

轻型直流输电是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电工程。它采用脉宽调制 ( PWM)技术，应用绝缘栅双极晶体管( IGBT)组成的电压源换流器进行换流。由于这种 换流器的功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，从而称之为轻型直 流输电。它主要应用于向孤立的远方小负荷区供电、小型水电站或风力发电站与主干电网 的连接、小型背靠背换流站以及输送功率较小的配电网络。轻型直流输电的建设周期短 (一年内可以建成)，换流器的控制性能好，在配电网络中有较好的竟争力。到2000年， 世界上已有5项轻型直流输电工程建成。轻型直流输电介绍详见第二章第七节内容。 二、直流输电工程类型

直流输电工程按其结构来分，有两端直流输电工程和多端直流输电工程两大类，其中 又有单极直流工程、双极直流工程和背靠背直流工程三种类型(详见本章第一节内容)。 按工程的性质来分有远距离大容量直流架空线路工程、背靠背直流联网工程、跨海峡的直 流海底电缆工程、向大城市送电的直流地下电缆工程、向孤立的负荷点送电或从孤立的电 站向电网送电的直流工程、与交流输电并联的直流工程等。此外，还有采用新型电子器件 换流的轻型直流输电工程。不同性质的直流工程的特点如下。

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