高压直流原理与运行第二章.doc

花开彼岸天

第一章 高压直流输电系统的主要设备
换流装置设计高压直流最重要的电气一次设备，除此之外，高压直流输电系统还需要装设其他重要设备，如：换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路以及控制与保护装置、远程通信系统（属二次设备）等。
2.1 换流装置
1.换流装置
Ø 由电力电子器件组成，具有将交流电转变为直流电或主流点转变为交流电的设备统称为换流装置。
Ø 三相全控整流电路又称为6脉动换流器，实现12脉动换流需要借助换流变压器，使6脉动换流器的同一相产生30°的相位差。
Ø 换流器不仅具有整流和逆变功能，还具有开关的功能，可以实现直流输电系统的启动和停运。

2.器件
Ø 由半控型晶闸管、全控型门极可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管构成的换流器分别称为晶闸管换流器、低频门极关断晶闸管换流器和高频绝缘栅双极型晶体管换流器。
Ø 晶体管是耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件。
3.换流阀
Ø 静态均压电阻作用是克服各个晶闸管器件的分散性，使断态下各晶闸管器件的电压尽可能一致。（分压）
Ø 阻尼电路目的是减小晶闸管关断时由于电压振荡而引起的晶闸管两端的暂态过电压以及过快的电压变化率。
2．换流单元接线方式
（1）6脉动单元
1）换流变压器可以是三相或单相结构，小容量工程三相三绕组，超高压、大容量单相双绕组；网侧一定为星形接线，阀侧即可星形亦可三角形。
2）交流滤波器通常为正对5、7、11、13次的双协调（或单协调）滤波器和高通滤波器，抑制6脉动换流器产生的（6k±1）次特征谐波。
3）直流滤波器抑制6次和12次双调谐（单调谐）谐波，抑制6脉动换流器产生的6k次特征谐波。
4）平波电抗器配合直流滤波器对直流谐波进行抑制，同时削弱直流短路电流的快速上升和防止轻载下的直流断路。
（2）12脉动单元
1）12脉动换流器可使用双绕组或三绕组换流变压器；
2）为使换流变压器阀侧套组电压出现30°相位差，阀侧变压器一个为星形接法，另一个为三角形接法；
3）12脉动换流变压器具有4 种方案，即1台三相三绕组式、2台三相双绕组式、3台单相三绕组式和6台单相双绕组式；
4）12脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生（12k±1）和12k的特征谐波。
5）相同传输情况下，12脉动换流器产生的谐波远小于6脉动。

（1） 在以下情况下，考虑设计每极两组12脉动换流单元接线：
1） 单个12脉动换流单元和换流变压器的最大制造容量限制，以及换流变压器等主要设备的运输限制。
2） 格局工程分期建设的经济性要求。
3） 在直流输电系统的一个极的输出功率较大，而两端的交流系统又比较弱的情况。
Ø 每极两组的换流变压器接线一致，相角重合

2.2 换流变压器
1.换流变压器的功能
1）实现交、直流互换；2）实现电压变换；3)抑制直流故障电流；4）削弱交流系统入侵直流系统的过电压；5）减少换流器注入交流系统的谐波；6）实现交、直流系统的电气隔离。
2.换流变压器的特点
1）短路阻抗大；2）绝缘要求高；3）噪声大；4）损耗高；5）有载调压范围宽；6）直流偏磁严重。7）试验复杂。
3.换流变压器的型式
4种结构：三相三绕组式、三相双绕组式、单相三绕组式和单相双绕组式；
Ø 中小型输电工程优先三相三绕组式，容量较大的换流器可采用单相变压器，运输条件允许优先单相三绕组式。
Ø 原则上采用三绕组变压器更经济、更可靠。
Ø 三相双绕组接线形式：YY、Y ；单相双绕组YYYY、YYY 、Y Y 。

4.换流变压器接入阀厅的方式
1） 换流变压单边插入阀厅布置
2） 换流变压器双边插入阀厅布置
3） 换流变压器脱开阀厅布置

2.3 平波电抗器
1.平波电抗器的主要作用：
1）防止轻载时直流电流断续；2）抑制直流电流故障时的快速增加；3）减小直流电流纹波；4）防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击进入厅阀。
2.平波电抗器型式（干式和油浸式）
（1）干式平波电抗器
a) 优点：1）对地绝缘简单，绝缘可靠性高；2）无油，对环境影响小，不存在火灾危险；3）潮流反转是无临界介质场强；4）电感量不受直流电流影响；5）暂态过电压较低；6）可听噪声低；7）重量轻，易于运输和处理；8）运行维护费用低。
b) 缺点：抗污秽能力弱，抗振性能差。
（2）油浸式平波电抗器
a) 优点：1）电感量大；2）抗污秽能力强；3）抗振性能好；4）采用干式套管，污闪概率低。
b) 相同电感量下，设备费用高，需辅助电源。

2.4无功补偿装置
1.换流站无功补偿装置的分类
（1）机械偷窃式无功补偿装置：优点，无功补偿容量巨大、投资低；缺点，调节速度慢、不能实现平滑调节、不能频繁操作。
（2）静止无功补偿装置：优点，可连续发出和吸收无功功率，调节速度快（可用于一直直流单极故障引起的换流站交流母线的暂时过电压，抑制交流滤波器或并联电容投切时导致的换流母线暂态电压波动。大扰动时可提高直流混合系统的故障后恢复能力）；缺点，投资大。
（3）同步调相机：提高了交流系统短路比，减小换相失败几率，提高了交流系统稳定性。
Ø 选择哪种补偿装置主要取决于交流系统的强度。
2.5 滤波器
1.滤波器的类型
（1）按照用途分类，分为交流滤波器和直流滤波器两种。
（2）按照连接方式分类，可分为串联滤波器和并联滤波器。用做换流器谐波抑制用途的滤波器一定为并联接线形式。
（3）按照电源特性分类，可分为有源滤波器和无源滤波器。
Ø 无源滤波器：优点。结构简单、运行可靠、维护方便；缺点，容易失谐，失去滤波作用。
Ø 有源滤波器：优点，滤波频率范围宽、没有失谐效应、长生串并联谐振可能性小、占地面积少；缺点，性价比低、缺乏工程经验。
（4）按照滤波器的阻抗频率特性分类，可分为调谐滤波器、高通滤波器和调谐高通滤波器三类，它们均为无源滤波器。
Ø 调谐滤波器，调谐至一到两个频率，最多三个，分为但调谐滤波器、双调谐滤波器和三调谐滤波器。
Ø 高通滤波器在骄狂的频率范围内出现低阻抗。
Ø 调谐滤波器和高通滤波器组合成调谐高通滤波器。

2.交流滤波器：并联于交流滤波器小母线上，主要作用是抑制换流器产生的注入交流系统的谐波电流，同时补偿换流器吸收的无功功率。
（1）配置原则
1） 滤波器额定电压等级一般应与换流站交流母线电压等级相同；
2） 合理配置滤波器类型，以2~3种为宜；
3） 在满足滤波器性能前提下，滤波器分组应尽可能少，尽量使用电容器分组；
4） 全部滤波器投入运行时，应达到满足连续过负荷及降压运行的性能要求；
5） 任一组滤波器退出运行时，均可满足额定工况运行时的性能要求；
6） 轻负荷运行时，投入运行的滤波器容量最小，以免换流站交流母线过电压。
（2）接入系统方式
1） 交流滤波器大组接换流站交流母线，或接入串。通常交流滤波器大组由几个交流滤波器分组接在一个滤波器小母线上而形成；
Ø 特点：滤波器接线及主母线可靠性高，便于交流滤波器双投间的相互备用，滤波器分组开关可选用造作频繁的负荷开关。
2） 交流滤波器大组T接在换流变压器进线上；
Ø 特点：滤波器按极对称排列，但不便于双极间的相互备用。
3） 交流滤波器分组接换流站交流母线，或接入串中；
Ø 特点：投资较省，便于交流滤波器双极间的相互备用；交流滤波器操作频繁，断路器故障率较高，从而导致交流母线故障增加。
4） 交流滤波器分组接换流变压器单独绕组。
Ø 特点：交流滤波器投资省，但换流滤波器结构复杂，投资增加。
（3）安装方式
交流滤波器包括高压电容器以及低压电容器、电抗器和电阻单元。
1） 高压电容器有支撑和悬挂两种安装方式。
2） 电容器单元在架上有卧式和立式两种布置方式。
3） 其它单元设备均采用支撑式安装。
3.直流滤波器：并联于直流极线上，主要作用是抑制换流器产生的注入直流系统的谐波电流。
（1）配置原则
1）如果是直流电缆出线，不安装直流滤波器；
2）易装设两组直流滤波器。当一台退出运行时，仍能满足滤波要求；
3）可选择双调谐滤波器或三调谐滤波器，其调谐频率应针对谐波幅值较高的特征谐波并兼顾对等效干扰电流影响较大的高次谐波进行设计；
4）在中性母线上安装一台小电容值的中性点冲击电容器，对经换流变压器绕组对地杂散电容及大地3倍次谐波电流提供低阻抗的通道，从而抑制这些非特征谐波。
（2）电路类型：通常为双调谐滤波器。
（3）交、直流滤波器的比较
1）交流滤波器要向换流站提供无功功率，实际设计无功容量大于滤波特性所要求的无功功率，而直流无此要求。
2）交流滤波器的高压电容器上的电压可以认为是均匀分布在多个串联的电容器上。直流滤波器的高压电容器隔离直流电压并承受直流高压的作用。
Ø 由于直流泄漏电阻的存在，电容器单元内部需装设并联均压电阻以防止直流电压不均匀分布。
4） 与交流滤波器连接的交流系统等值阻抗变化范围较大，特定情况下可能引起并联谐振，故交流滤波器常采用带高通的双调谐滤波器。直流侧阻抗一般恒定，直流滤波器无需带高通特性。

2.6 直流输电线
（1）直流输电线路指直流正极、负极传输导线、金属返回线以及直流接地极引线，其作用是整流站向你变站传输直流电流或直流功率提供通路。
（2）直流架空线路结构简单、线路造价低、线路走廊窄、线路损耗小、运行费用较省，因此直流架空线路比交流架空线路输送距离更长。
直流电缆耐压高、输送容量大、寿命长，比交流电缆输送距离更长。
（2） 直流架空线路
1) 直流架空线路一般采用分裂导线布置方式，对于500kV以上超高压直流架空线 ，通常采用4分裂导线。
2) 架空导线截面积选择：考虑因素有，线路发热，无线电干扰，可听噪声，线损等。
（3） 直流输电电缆线路
1) 技术特点：绝缘要求高、绝缘能承受快速的极性转化、……
2) 绝缘中的场强分布取决于温度。

2.7 接地极
直流接地极线：将直流电流引入大地的线路。
1) 对环境的影响：使变压器产生直流偏磁、使地下金属构件腐蚀（电化学腐蚀）。
2) 抑制直流偏磁的措施：
a) 设计时，将换流站直流接地极远离中性点直接接地飞变压器，同时接地极接入低土壤电阻的大地表层。
b) 采用双金属中性线直流输电方案。
c) 尽量减少单极运行方式的持续时间。
d) 在变压器中性点装设电阻，限制直流电流大小。
e) 在输电线上串联电容器，阻断直流电流。
f) 在变压器中性点装设电容器，阻断直流电流。