直流高压输电技术

一、直流高压输电技术简介

　　直流高压输电是指从三相交流电网的一点将电能导出，通过换流站将电流变化为直流，再通过高架线或海底电缆等输电线路把电能传送到接收点，再通过逆变站将电流变为交流进入交流电网的整个输电过程。

　　1、我国直流输电电压等级

　　我国直流输电Z高电压等为±800KV，其余的有±660KV，±500KV，±100KV，±50KV等，其中±800KV输电被称为特直流高压输电，其余则为直流高压输电。我国普遍采用的高压输电等级为±550KV，目前用于葛洲坝-上海南桥线、天生桥-广州线、贵州-广东线、三峡-广东线等输电线路。

　　2、直流高压输电适用范围

　　直流高压输电适合长距离、大容量输电，单项输电工程输电距离可达2000km以上，输电容量达3000MW以上。

　　例如我国于2007年6月建成的贵广二回直流输电线路全长约为1225km，输电电压为±500KV，输电容量达3000MW。于2009年正式投运的云南-广东±800KV特高压输电线路全长1438km，额定输送容量为5000MW。

　　另外由于直流高压输电具有线路走廊窄，地下电缆规模小，对末端电网要求低，轻型直流高压输电技术在欧洲的海底电缆工程中得到了广泛运用，在小规模输电应用上具有很好的发展前景。因此，直流高压输电适应范围较广，无论是大规模、远距离送电，还是小规模轻型输电都可以采用。

二、直流输电基本原理

　　下图为直流高压输电原理图，它代表一个Z简单的直流输电系统.其中包括两个换流站ZH₁和ZH₂和直流线路。两个换流站的直流端分别接在直流线路的两端，他们的交流端则分别连接到两个交流电力系统Ⅰ及Ⅱ，换流站装有换流器，它的功能是实现交流与直流的互换。

　　从电力系统1向电力系统2输送电力时，换流站把输送端电力系统送来的三相交流电流变成直流电流，通过直流线路把直流电流和功率输送到换流站ZH₂，再由ZH₂把直流电流又变成三相交流电流.在这里，由交流变换成直流和从直流变换成交流的过程分别称为整流和逆变。

　　直流输电系统中的换流站可以用下图交流-直流-交流型机电系统中的同步交流电机-直流电机组JZ₁和JZ₂来比拟。系统Ⅰ向系统Ⅱ输送电力时，换流站ZH₁作为整流站运行，相当于JZ₁作为同步电动机—直流发电机组运行;换流站ZH₂作为逆变站运行，相当于机组JZ₂作为直流电动机—同步发电机组运行。二者加在直流线路上的直流电压分别为V_d1和V_d2,

　　线路电流为：

I_d=(V_d1-V_d2)/R

　　式中R——线路的电阻

　　直流线路和交流线路不同，它只输送有用功率，不输送无用功率.换流站ZH₁送到直流线路的功率和换流站ZH₂从直流线路接受的功率分别为：

P_d1=V_d1I_d1

P_d2=V_d2I_d2

　　两者之差为线路损耗：

ΔP=P_d1-P_d2

三、直流高压输电的优点

　　相比较交流输电技术，直流高压输电技术具有诸多优点，其中比较突出的有如下几点：

　　1、输电容量和输电距离上的优点

　　由于高压交流输电线路送电容量受到线路电抗的限制，而直流高压输电容量主要是由输电导线Z高耐温和其横截面积决定，因此，同样输电电压的情况下，直流输电容量更大。例如500KV交流输电线路输电容量大约为1000MW，而我国±500KV直流输电线路输电容量都已达3000MW，甚至可能更高。

　　因此，为了提高交流输电容量，必须在输电线路中串入电容并且同时还要注意无功功率的补偿，导致在交流输电线路中不得不每隔一段距离安设电抗补偿装置，一般为每隔400公里安设一个，这在很大程度上限制了交流输电的输电距离。而直流高压输电无需考虑无功功率补偿和系统稳定性的约束，无论是在输电容量和输电距离上相比较交流输电都有很大优势。

　　2、无需考虑短路容量增大和系统稳定等问题

　　短路容量的大小直接决定电力系统中设备如电力开关器件等的耐受力。当采用6KV电压等级时，短路电流往往可以超过40KA，这时的断路器需要采用50KA等级的，而国内目前标准的开关器件承受值为63KA，所以可以试想电压等级达到550KV时，短路电流超过63KA并不难，这将会造成设备选型困难。

　　交流输电工程在建设的时候必须考虑短路容量的问题，如更换断路器或增设限流装置，而直流输电线路具有“定电流控制”特性，可在短路时快速把电流限定在额定功率附近。因此，直流输电系统无需考虑短路容量增大问题。另外由于直流电路没有电抗，因为不存在交流输电系统中的稳定性问题。

　　3、系统快速可控，可以实现非同步联网

　　直流输电系统可以通过改变直流电流调节器来实现输电功率和输电方向的快速调节，其中系统的潮流翻转功能可以实现电能的双向运输，一条“西电东送”的线路同样可以实现“东电西送”。由于直流输电系统中整流站和逆变站的交流隔离作用，其连接的两个交流电网互不干扰，无需同步运行，即实现非同步联网。

　　4、经济节能

　　首先，直流高压输电线路造价低廉，电缆费用少。直流输电只需两根导线，若采用大地或海水作为回路时只需一根导线，相比较于交流输电大大节省了线路费用。其次，直流高压输电系统运行时电能损耗小，传输效率高，没有无功损耗，传输电能中节能效果显著。Z后，直流输电系统所需的线路走廊较交流输电线路走廊窄，这在铺设电缆的占地问题上帮助减少了征地花费。

四、直流高压输电存在的问题

　　1、直流高压输电过程中的电磁环境

　　交流输电线路工作时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述，工频电场能在人和物体上感应出电压。

　　在强电场中，对地绝缘的人接触接地物体，处于地电位的人接触对地绝缘的物体，可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是，工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高，尤其发展到特高压阶段，输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何，已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊，除了考虑电气强度因素外，输电线路下方的电场强度也是一个重要因素。

　　空间某点电场强度值与每根导线上电荷的数量以及该点与导线之间的距离有关;导线上的电荷多少，除与所加电压有关外，还与导线的几何位置及其尺寸有关。因此，导线的布置形式、对地距离和相间距离、分裂根数以及双回路时两回路间电压的相序等，都直接影响线下电场强度的分布和大小。

　　高压输电线路的电场还会产生生态影响，主要有短期影响、长期影响两类。短期影响指人在高压输电线路附近短暂停留可能产生的影响;相对的，长期影响指人在高压输电线路附近长期工作或生活时可能受到的影响。

　　2、直流高压输电过程中的电压稳定性研究

　　电力系统在给定的运行状态下并在某一时刻受到一定的扰动后，如果负荷节点处的电压趋于扰动后某一平衡值，就称系统是“电压稳定”的，如果电压不断降低(不断升高)则电压失稳。

　　电压稳定根据受到扰动的大小可以分为静态电压稳定(小扰动电压稳定)和大扰动电压稳定。静态电压稳定主要是研究系统中负荷缓慢变化的过程中对电压的控制能力，通常使用的研究方法是在给定平衡点对系统进行线性化。大扰动主要研究例如系统发生故障、切负荷、切机、直流闭锁等情况下对系统电压的控制能力，需要通过在一个相对长的时间内对系统的动态行为进行分析。

　　根据研究的方法的不同，可以把电压稳定分为静态、动态和暂态稳定。静态电压稳定研究中所用的系统模型采用不计及元件动态特性的代数方程表示，负荷端母线电压随负荷的缓慢增加而缓慢变化，Z后恢复到稳定的水平。动态电压稳定研究负荷缓慢变化过程中系统维持电压在某一稳定值的水平。暂态电压稳定研究系统DAE模型在大扰动下，节点电压能够恢复到稳定性水平的能力。

　　3、直流高压输电过程中的线路保护

　　对于长距离直流输电线路，有些情况下的故障可能会使直流差动保护的机制发生误判。

　　比如，则分布电容电流较大。为了提高线路的可靠性，可以适当补偿对该分布电容电流，从而使得分布电容电流对于直流差动保护的影响大大降低。

　　新型特直流高压输电线路差动保护方案为了保证线路的可靠稳定和灵敏度要求。

　　传统直流线路差动任何导致直流电压变化的暂态过程均可导致传统直流差动保护误动。之所以这样是由于传统线路保护没有考虑长距离大容量直流线路故障后的暂态电容电流影响。新型的直流线路电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点。

　　耐故障电阻能力差是目前直流高压输电线路保护遇到的Z大问题。总体来看，当前所采用的直流高压输电线路保护方案存在隐患。在直流线路末端故障或直流。

五、直流高压输电技术在我国的工程应用

　　近年来由于社会的发展和我国电能的分布格局，直流高压输电技术在我国得到了广泛的工程应用，主要有：

　　1、三峡-上海线

　　此线路于2007年12月正式投入商业运营，采用±500KV高压输电，输电容量3000MW，西起宜都换流站，东至上海青浦区华新换流站，输电全程1040km，是当时国内输电容量Z大，输电距离Z长的直流输电线路。

　　2、向家坝-上海线

　　此输电工程是我国shou个自主研发、设计、建设和运行特直流高压输电示范工程，处于世界lingxian水平。该线路于2010年初投入商业运营，采用±800KV特高压输电，输电容量6400MW，电流4000A，西起宜宾复龙换流站，东到上海奉贤换流站，输电全程1891.6km。

　　3、宁东-山东线

　　此线路于2010年9月建成，输电电压为±660KV，双极总输电容量达4000MW，西起宁夏银川东换流站，东至山东青岛换流站，线路长度1335千米。宁东直流工程投入商业化运行，标志着我国在远距离、大规模直流输电技术领域取得又一重大突破，标志着建设自主知识产权的高、精、尖直流输电工程的技术水平再上新台阶。

　　4、锦屏-苏南线

　　此线路于2011年7月建成，采用±800KV特直流高压输电，输电容量7200MW，输电线路采用节能效果明显的900导线，全程2090km，是目前世界上输送容量Z大，线路Z长的直流高压输电线路。

六、直流高压输电技术的发展方向及前景

　　直流高压输电技术目前在我国已发展得比较成熟，这从目前我国的直流输电工程应用上可以看出，未来我国直流高压输电将主要向柔性直流输电、电容换相直流输电等方向发展，更多的全控型电子器件将会运用于直流输电系统。

　　其他高新技术也将逐渐进入直流高压输电产业，如光电式电流互感测量技术，直流集控技术等，这将大大有助于我国输电水平向高、精、尖发展，在世界同行业起到领跑作用。相信在未来很长一段时间，直流输电技术会一直是输电行业里的主导技术，并且能够不断克服自身的缺点，应用范围变得更广。