高压直流输电一、高压直流输电系统（HVDC）概述众所周知，电的发展首先是从直流开始的，但很快就被交流电所取代，并且在相当长的一段时间内，在发电、输电和用电各个领域，都是交流电一统天下的格局。

HVDC技术是从20世纪50年代开始得到应用的。

经过半个世纪的发展，HVDC技术的应用取得了长足的进步。

据不完全统计，目前包括在建工程在内，世界上己有近百个HVDC 工程，遍布5大洲20多个国家。

其中，瑞典在1954年建成投运的哥特兰（Gotland）岛HVDC 工程（20MW，100kV，90km海底电缆）是世界上第一个商业化的HVDC工程，由阿西亚公司(ASEA，今ABB集团)完成；拥有最高电压（±600kV）和最大输送容量（2 x 3150MW）的HVDC工程为巴西伊泰普（Itaipu）工程；输送距离最长（1700km）的HVDC 工程为南非英加——沙巴（1nga2Shaba）工程；电流最大的HVDC工程在我国：如三常、三广和贵广HVDC工程，额定直流电流均为3000A。

HVDC的发达地区在欧洲和北美，ABB和西门子等公司拥有最先进的HVDC技术，美国是HVDC工程最多的国家。

HVDC在我国是从20世纪80年代末开始应用的，起步虽然较晚，但发展很快。

目前包括在建工程在内，总输送容量已达18000MW以上，总输送距离超过7000km，该两项指标均已成为世界第一。

我国第一个HVDC工程是浙江舟山HVDC工程（为工业试验性工程），葛沪HVDC工程是我国第一个远距离大容量HVDC工程，三常HVDC工程是我国第一个输送容量最大（3000MW）的HVDC工程，灵宝（河南省灵宝县）背靠背HVDC工程是我国第一个背靠背HVDC工程。

我国已投运的HVDC工程见表1。

表1我国已投运的HVDC工程另外，2010年前后建成投运的HVDC工程有四川德阳——陕西宝鸡（1800 MW、±500 kV，550km）、宁夏银南——天津东（3000MW、±500kV，1200km）等；至2020年前后，还计划建设云南昆明——广东增城、金沙江水电基地一华中和华东HVDC工程以及东北——华北、华北——华中、华中——南方背靠背HVDC工程等十几个HVDC工程。

我国关于直流输电技术的研究工作，50年代就开始起步。

目前，我国己经有多条直流线路投入运行，这些直流输电工程的投运标志着我国的直流输电技术有了显著的提高和发展。

随着三峡工程的兴建和贯彻中央“西电东送”的发展战我国将陆续兴建一批超高压、大容量、远距离直流输电工程和交直流并联输电工程。

此外，在这些新建工程中还将采用直流输电的新技术。

随着我国直流输电技术的日益完善，输电设备价格的下降和可靠性的提高，以及运行管理经验的不断积累，直流输电必将得到更快的发展和大量的应用标志着我国的直流输电将进入一个新的发展时期。

二、高压直流输电原理（一）、主要元件偿设备滤波器图1.1 HVDC 原理图偿设备滤波器 1、换流器（Converter ）换流器（Converter ）是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。

换流器（Converter ）可以分为两类：整流器（Recifer ）和逆变器（Inverter ）。

整流器（Rectifer ）是将交流电转换为直流电，而逆变器（Inverter ）是将直流电转换为交流电。

图1.2 三相全波桥式换流电路原理图MN 正极共阴极上下负极共阳极桥臂/阀臂/阀2、换流变压器(Converter T ransformer)换流变压器(Converter Transformer) 接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。

采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。

换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。

换流变压器在直流输电系统中的作用有：a、传送电力；b、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压；c、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°(基波电角度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；d、将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造成直接短接，使得换相无法进行；e、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用；f、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。

技术特点与要求：由于换流变压器的运行与换流器换相造成的非线性密切相关，它在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点和要求。

a、漏抗以往由于晶闸管的额定电流和过负荷能力有限，为了限制阀臂短路和直流母线短路的故障电流，换流变压器的漏抗一般比普通电力变压器的大，一般为15－20%, 有些工程甚至超过20%。

随着晶闸管的额定电流及其承受浪涌电流能力的提高，换流变压器的漏抗可按对应的容量和绝缘水平合理选择，阻抗相应降低，通常为12－18%，因此，设备主参数、绝缘水平、换流器无功消耗及能耗等都可相应降低，同时，换流器的运行性能也有所改进。

为减少非特征谐波，换流变压器的三相漏抗平衡度要求比普通电力变压器高，通常漏抗公差不大于2%。

如果运输条件允许，现在的工程多采用如图1所示的单相三绕组换流变压器结构，进一步减少十二脉动换流单元中换流变压器六个阻抗值的差别。

b、绝缘换流变压器阀侧绕组和套管是在交流和直流电压共同作用之下工作的，如图2 所示。

在这种电压作用下，由于油、纸两种绝缘材质的电导系数与介电系数之比差别很大，油纸复合绝缘中直流场强按电导系数分布，交流场强则按介电系数分布。

当直流电压极性迅速变化时，会使油隙绝缘受到很大的电应力。

在套管与底座的连接部分，由于绝缘结构复杂，这一问题最为严重。

越接近直流两极的阀侧绕组对地电压越高，在设计时必然增大绕组端部与铁芯轭部的距离，使绕组端部的辐向漏磁和局部损耗增加，因谐波漏磁而引起的损耗则增加更多。

作为阀侧绕组外绝缘的套管，其爬电距离要考虑到直流电压的分量，为了避免雨天时在直流电压作用下，由于不均匀湿闪而造成的闪络故障，一般阀侧套管均伸入阀厅。

目前，干式合成套管已得到实际应用。

为了抗震，套管法兰盘处一般装有振动阻尼装置。

c、谐波换流变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。

在有较强漏磁通过的部件要用非磁性材料或采用磁屏蔽措施。

谐波磁通所引起的磁致伸缩噪声处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔音措施。

d、直流偏磁换流器触发时刻的间隔不等，交流母线正序二次谐波电压和与直流线路并行的交流线路的感应作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产生直流分量；接地极入地电流引起的地电位变化会在交流侧绕组电流中产生直流分量，二者共同使换流变压器产生直流偏磁现象。

使在铁芯的B－H曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态，部分进入一侧的饱和段，励磁电流分量出现一个半波的尖峰波形，使变压器的损耗、温升以及50Hz 的噪声(正常时基波噪声频率为100Hz)都有明显增加，应在换流变压器设计中充分考虑。

e、有载调压换流变压器应具有较多的有载调压开关，利用调压开关可使直流输电系统经常运行在接近最佳状态，换流器触发角运行在适当的范围内，以兼顾到运行的安全性和经济性。

分接开关的调压范围一般为20－30%，每档调节量为1%－2%，以达到分接开关调节和换流桥触发控制联合工作，做到既无明显的调节死区，又可避免频繁往返动作。

3、平波电抗器（Smoothing Reactor）平波电抗器用于整流以后的直流回路中。

整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。

这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。

直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。

直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。

平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路。

平波电抗器一般串接在每个极换流器的直流输出端与直流线路之间,是高压直流换流站的重要设备之一。

平波电抗器和直流滤波器一起构成直流T型谐波滤波网，减小交流脉动分量并滤除部分谐波，减少直流线路沿线对通信的干扰和避免谐波使调节不稳定。

平波电抗器还能防止由直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，使换流阀免遭过电压的损坏。

当逆变器发生某些故障时，可避免引起继发的换相失败。

可减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的机率。

当直流线路短路时，在整流侧调节配合下，限制短路电流的峰值。

电感值并不是越大越好，因为电感的增大对直流输电系统的自动调节特性有影响。

在直流输电系统中，当直流电流发生间断时，会产生较高过电压，对绝缘不利，使控制不稳定。

平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来防止直流电流的间断，从而降低换流器的换相失败率。

分类：1）按型式分类：（1）油浸式平波电抗器（2）干式平波电抗器油浸式平波电抗器的结构与变压器相似，主要由线圈、铁芯和油箱、套管、冷却系统等部件组成。

油浸式平波电抗器因构造上有铁芯，其负荷电流与磁性成非线性关系。

干式平波电抗器主要由线圈、支架、绝缘支柱、均压环、底座等组成。

线圈由多层同心压缩铝线包组成，每层线包均浇注环氧树脂绝缘，层间垫有隔条，用于保证层间绝缘和散热。

每层线圈通过垂直紧固件固定牢靠，以确保线圈震动时不变形。

由于干式平波电抗器无铁芯，负荷电流与磁性成线性关系。

油浸式平波电抗器优点：油浸式平波电抗器由于有铁芯，因此要增加单台电感量较容易；油浸式平波电抗器的油纸绝缘系统很成熟，运行也很可靠；油浸式平波电抗器安装在地面上，因此重心低，抗震性能好；油浸式平波电抗器采用干式套管穿入阀厅，取代了水平穿墙套管，解决了水平穿墙套管的不均匀湿闪问题；油浸式平波电抗器的垂直套管也采用干式套管，使其发生污闪的概率降低。

干式平波电抗器优点：对地绝缘简单。

干式平波电抗器的绝缘主要由支柱绝缘子提供，提高了主绝缘的可靠性。

无油，消除了火灾危害和环境影响。

干式平抗无油绝缘系统，因而没有火灾危险和环境影响，在阀厅和户外之间也不需要装设防护墙。

潮流翻转时无临界质场强。

高压直流翻转需要改变电压极性，会应捕获电荷的原因在油纸复合绝缘系统中产生临界场强；但对于干式平波电抗器来说，改变电压极性仅在支柱绝缘子上产生应力，没有临界场强的限制，这样干式平波电抗器的支柱绝缘子与其他母线支柱绝缘子的特性相似。

负荷电流与磁链成线性关系。

由于干式平波电抗器没有铁芯，因而在故障情况下不会出现磁链饱和现象，在任何情况下都保持同样的电感值。

暂态过电压较低。

因干式平波电抗器对地电容较低，所以对平抗的冲击绝缘水平要求也较低。

可听噪声低。

质量轻，易于运输和处理。

运行、维护费用低。

干式平波电抗器基本上是免维护的。