直流输电线路及换流站接线模式

稳态下直流输电线路的等值电路如图10.3所示。

线路的电流由下列表达式确定

其中 Е_в和Е_и——整流器和逆变器的反向电动势；

R_л——线路的电阻；

r_в和r_и——决定其特性的整流器和逆变器的内阻；整流器输出到直流线路上的功率

P_d1=U_d1I_d（ 10.2）

图10.3 直流输电线路的等值电路

逆变器由线路上得到的功率

P_d2=U_d2I_d （10.3）

整流器的电动势和电流方向是一致的，这说明相对于直流线路整流器是发电装置，同时相对于送端系统是消耗电能的用户。

在逆变器中电流和反向电动势的方向是相反的，这说明逆变器从直流线路上吸收电能，并且向受端系统发出电能。

此时具有条件：

Е_в＞U_d1

E_и＜U_d2 （10.4）

这对于直流回路来说是很常见的，对于协同工作的直流发电机和电动机也有类似关系。发电机从驱动电动机上吸收电能，将电能传输到直流回路，而电动机由直流回路吸收电能，将其传输给机械装置（器具）。此时，保持了如图10.3所示的电流和电动势方向，并且满足式（10.4）的条件。重要的是，为了改变线路上的电流，以及功率由0到额定值变化时，完全可以通过在较小范围内改变Е_в和Е_и来实现，通常是在额定值的8%～10%范围内变化。

在上述接线模式中，输电线路是连接整流器和逆变器的中间环节，可以有各种不同的长度和构造，直流线路可能的实现方式如下所述。

对于直流换流站来说，只是在上述等值电路中缺少线路，但是关系式（10.1）～式（10.4）不变（表达式（10.1）的R_л=0）。此时连接到直流换流站的交流线路电抗将被连接到r_в和r_и上。

目前普遍使用的直流输电线路和直流换流站变流器是静止可控阀式变流器，这些变流器有两种形式：不完全可控的阀型变流器和完全可控的阀型变流器。

已知的三相桥式接线属于第一种形式（见图10.4a），其中使用的阀是普通的晶闸管。只是通过发送小功率的控制脉冲到阀的控制电极上来控制其开启的时间，而在其他因素作用下当其中的电流过0时（不是通过发送控制信号）阀将关闭，这样的变流器具有电流变流器的特性。三相桥式接线几乎在所有现有的直流输电线路和直流换流站中使用。

图10.4 常规晶闸管整流桥 a）和完全可控阀式电压变流器 b）示意图

最近20年来电力半导体技术的发展，使得第二种形式的变流器得以实现。此时大功率的电力晶体管（电流可达2kA以上，电压可达3kV）和完全可控的晶闸管被研制出来，其开启和闭合的时间都可以控制。晶闸管有足够高的参数，整流电流可达5kA、电压可达7kV～10kV。

新的半导体器件使得第二种形式的变流器得以实现，被称为电压型变流器（见图10.4b），这种形式的变流器与常规的桥式接线相比在电气性能上有非常明显的改善。

比较两种形式的变换器，可以发现如下的区别：

第一种变流器既可以作为整流器，也可以作为逆变器。当其由一种状态到另外一种状态过渡时可以改变整流电压的极性，同时电流的极性是不变的。在第二种形式的变流器中，当其从整流器状态向逆变器状态过渡时电流的方向（极性）改变，但是电压的极性不变；

第一种形式的变流器无论是在整流状态，还是在逆变状态下工作，都需要电网提供较大的无功功率，并且电网相电流出现极大的非正弦波形，需要使用较大功率的滤波装置。第二种形式的变流器在两种状态下都可以产生或者是吸收无功功率，避免了大功率补偿设备的使用。此时由于脉宽调制模块的使用，电网相电流的波形是近似于正弦的，降低了交流侧过滤器的功率。

在使用第一种形式变流器时，整流回路（变流器本身或者是在线路上）的短路可以通过控制脉冲使晶闸管关闭来排除。在第二种形式的变流器中，由于回路中存在不可控二极管，做不到这一点。因此，短路时应该断开交流回路的两个开关——整流侧的和逆变侧的。

在第一种形式的变流器中，在整流回路中，为了平滑电流波动采用了电抗器；而在电压变流器中则没有这种电抗器，但极间连接电容器，这是变流器阀工作所必需的条件，电抗器被连接到变压器阀绕组相上。

相对于可关断晶闸管或者是第二种形式变流器中的晶体管，第一种形式变流器回路中的晶闸管成本较小并且功率损耗较小。

目前，电压变流器的功率可达到1100MW、电压±300kV。现在，在一些直流输电线路和直流换流站的电缆线路中，使用的是功率相对较小（200MW～600MW）的电压变流器。带有电压变流器和架空线路的直流输电线路现在尚未出现，这种变流器还处于研究和试运行阶段。

大功率远距离架空直流输电线路也正在被建造，未来将建造使用普通晶闸管变流器的大功率远距离架空直流输电线路。运行经验表明，其具有很高的可靠性。因此，进一步分析如图10.4a所示的传统变流器特性。

现代的大功率高压变流器组件不仅包括变流器本身，还有其他的一系列元件，它们是构成变流器组件不可分割的一部分。

下面分析这些元件的用途。

阀是桥式变流器的主要元件，现在使用的是高压晶闸管阀，其由单个晶闸管串联而成。就目前所达到的晶闸管参数，还没有并联使用的可能性。

晶闸管的主要参数如下：

1）在一个电网频率周期内流经晶闸管的电流平均值I_ср；

2）当阀被打开时，正向和反向所能承受的电压最大值U_{в max}。

在近似中可以取

那么桥式变流器的功率是阀参数的函数

P_dм=U_dмI_d≈2.3I_срU_{в max} （10.5）

由此可以看出，阀的电压和电流越高，单个桥可能达到的功率越大。因此，工程师和设计人员正在努力研制更高参数的阀。

在俄罗斯所研究的一种高压晶闸管阀，平均电流为700A，电压达到480kV，桥式变流器的功率可以达到750MW，电压U_dм=375kV、电流I_d=2kA。

这样的阀在埃基巴斯图兹—中央的直流输电线路上被使用，虽然所得到的单个桥的功率及其电压对于变换直流输电线路的全部功率来说还是不足的。因此，必须将单个的桥式变流器进行串联。

将阳极连接到同一母线上的一组阀被称为阳极组，而阴极被连接到同一母线上的一组阀被称为阴极组。极和相应相变压器绕组对应相连接点之间的部分回路被称为桥臂，每相都有相应的阳极桥臂和阴极桥臂。

将变流桥和送端或受端系统连接的变压器是另一个重要的元件，这个变压器具有两个功能：

1）通过选择变化，建立所需要的整流电压U_{d M}；

2）将整流回路与交流电网之间的电联系切断。

此电解耦的必要性可以用下列情况来解释。对于直流输电线路和直流换流站所连接的、中性点直接接地的220kV～500kV电网，相对地的电势是严格固定的，并且在额定状态下不超过相电压幅值。当其串联时各个桥的对地电势是不同的，并且极电势可能超过相电势。例如，当U_d=±750kV以及电网电压为500kV时，极电势等于750kV，电网相电压的幅值可以达到407.5kV。所以，其电解耦是必要的。(www.xing528.com)

连接到供电系统的变压器绕组被称为网络绕组，而连接到整流桥的绕组被称为阀绕组。变压器绕组的联结组别通常采用Y_y0或者Y_d11，此时出于降低相电流中高次谐波含量的目的，这些联结组别是相互配合使用的。

变压器可以采用双绕组变压器，也可以采用多绕组变压器（通常是三绕组或者四绕组变压器）。对于四绕组变压器，其中一个绕组是网络绕组，两个阀绕组连接到两个串联的桥上，第四个绕组可能连接有高次谐波过滤器或者同步调相机。

在相同功率下，与常规的变压器相比，整流变压器的特殊性是其具有较高的电抗，有x_∗т=0.16～0.22，这说明其工作在变流器条件下。在换向过程中，为了限制阀中电流变化的速度（di/dt值），必须增加变压器的阻抗。变压器的全功率常常超过对其供电的、桥功率的20%～25%，从而增加了无功功率消耗，另外，由于高次谐波电流其有功损耗也增加了。

因为多桥回路中的恒定电压增高，变压器的阀绕组需要有强化的对地绝缘。

整流变压器具有有载调压装置，对于降低电网电压变化时桥所吸收的无功功率是必要的。

桥回路中使用的阀是可控的，即只有当给阀控制极加不大功率的电脉冲时被打开。脉冲的发送时刻可以变化，能够在很宽广的范围内调节桥的状态参数（功率、电压），使桥由整流状态向逆变状态过渡或者相反。重要的是，其状态的变化是无惯性的。

对变流器桥的状态控制是通过控制系统实现的（见图10.4a）。通过产生控制脉冲，将其在桥阀中进行分配，并且相对供电电压完成必要的相位位移。自动调节系统作用在控制系统上，通过改变所施加的脉冲相位，使得状态参数（例如线路电流、传输功率和一系列其他的参数）维持在给定的界限内。继电保护同样作用在控制系统上，当整流桥或者线路中发生事故时，自动将加到阀上的控制脉冲撤销。除此之外，自动装置也作用在控制系统上，例如，实现保护动作后自动地将桥投入运行，并且完成一系列的其他功能。所有的这些系统被组合为一个整体СУРЗА（控制系统、调节系统、保护系统和自动装置），它是变流器组件不可分割的一部分。现在直流输电线路和直流换流站中使用单片机技术来实现СУРЗА。

电感为L_d的电抗器连接到桥极上，通常对于直流换流站其有较大的电感0.5H～1.0H。此电抗器被用于平滑整流电流的波动，以及与安装在极上的6和12次谐波过滤器一起，避免这些谐波流入线路。除此之外，当线路上存在事故时，此电抗器还能限制di/dt的值，主导阀的工作条件，同样保护变电站设备（首先是保护整流桥免受线路上可能发生的过电压冲击）。为了降低功率损耗，电抗器的品质因数Q=x/R非常高，并且使用的是没有钢芯的绕组。

滤波补偿装置是整流桥的必要元件之一，用于补偿变流器产生的高次谐波电流，及其吸收的无功功率。高次谐波过滤器、静态电容器组、同步调相机或者是静止的无功功率电源构成了滤波补偿装置，滤波补偿装置的接线和元件构成可能是多种多样的。例如，滤波器既可以连接到整流变压器的附加绕组上，也可以直接连接到网络绕组母线上。同步调相机或者其他的补偿装置同样可以连接到网络母线上，或者是整流变压器的附加绕组上，通常这个问题在整个变流站的设备集成时被考虑。在其回路的任何一点上，很多情况下高次谐波过滤器布置的合理性取决于邻接交流电网的参数及其频率特性。

如上所述，对埃基巴斯图兹—中央输电线路，研制和使用了功率为750MW的变流器桥。其他直流输电线路的桥功率较小，例如，具有最大功率的伊泰普直流输电线路整流桥的功率为400MW。从原理上来说，在现有的晶闸管参数下，整流桥可以建造为大功率的。但是，由此可能产生与变流器供电变压器有关的限制。上面已经说明了，这些变压器工作在比通常条件恶劣得多的情况下，并且其功率应当大于整流桥的功率。所有的这些都导致其结构复杂、重量增加，最终引起由制造厂向安装地点的运输困难。因此，现在所能达到的整流变压器的最大功率每相将近400MVA。显然此功率接近于极限，显著增加功率未必可能。实际上，500kV常规变压器的最大功率为每相533MVA。

图10.5 可能的增加直流输电线路功率的方式

a）增加极电压 b）增加极电流 c）双回线路

由此产生了当限制整流桥的功率时，整个输电线路功率增加的问题。这个问题可以分为两方面：直流输电线路的功率增加和直流换流站的功率增加。

对于输电线路，特别是远距离输电线路，增加其功率是最重要的。当然要增加线路的电压等级。因此，输电线路功率以及电压的增加可以通过串联几个整流桥来实现，此时极电压等于各个桥电压的和（见图10.5a）。为了限制串联桥的数量以简化变电站接线，每个桥都必须有足够高的整流电压，自然就增加了设备的成本。

但是对于能够传输很大功率的输电线路，这个方案可能还是不够的。为了增加输电线路功率还必须增加极电流。为此，采取两个支路的并联，每一个支路包括几个串联的整流桥（见图10.5b）。这可以解释如下，暂时还没有可能将包括整流变压器、线路电抗器在内的设备功率和额定电流提高到如此程度。此方案已经在埃基巴斯图兹—中央输电线路上使用了。还有一个增加远距离输电线路功率的方式是，建造第二条并联回路，就像伊泰普输电线路那样（见图10.5c）。任何一个方案的选择都应当是在详细的经济技术比较基础上进行的。

对于直流换流站，因为其中没有直流线路，也没有大幅度增加整流电压的必要性，所以真正可以说是降低了设备的成本、简化了变电站结构。因此，在直流换流站中按照并联整流桥的方式，其功率增加比直流输电线路的小，电压增加的也比直流输电线路低。其中，直流换流站功率的增加可以进一步按照并联新组件的方式实现。此时不得不采取每个组件整流桥的串联方式，以减少变流器向电网注入的高次谐波电流含量。

上面已经叙述了可能的整流变电站接线方式，现在分析可能的直流输电线路实现方式。

因为在直流输电线路的交流和直流回路中不存在电联系，如果直流回路中没有对地联系，那么此回路的对地电势将由一些偶然因素决定。其中主要是不容许的绝缘泄漏电流，即此时绝缘配合是不可能实现的。因此，直流回路上的一点应当是接地的。在实际中，直流输电线路中常常有两点接地，可能是一个传输极从线路两侧接地，或者是整流变电站的中性点上。

在第一种情况下，当一个传输极接地时此传输极没有导线，大地代替了导体的作用。其与交流输电线路的区别在于，交流线路在整个沿线上电流在反方向流入大地一定深度，而直流流过整个大地。大地的电阻实际上与单位阻抗无关，只是电流频率f的函数，并且取决于方程

r_з=π²f （10.6）

当f=0时，大地的电阻同样等于0。因此，接地极的阻抗将只取决于与将极大地连接的分流接地装置阻抗。这个电阻是很小的，零点几欧姆（对于伏尔加格勒-顿巴斯的直流输电线路r_з=0.05Ω～0.15 Ω），并且对输电线路的状态无影响。因此，如果是架空线路，或者是敷设在地下、海底的单芯电缆线路，只需要悬挂于绝缘子串上的单极输电线路，这样的输电线路被称为单极线路。单极直流输电线路如图10.6所示。

图10.6 单极直流输电线路

通常在大的水域中建造单极输电线路，例如海峡。当功率由整流器向逆变器传输时，需要的只是敷设一根计及极-大地电压的单芯电缆。接地极直接放置于岸边的大地上，或者直接放置于水中，在后一种情况应当采取措施，防止泄漏电流对鱼的影响。

很多输电线路都是按照这种方式实现的：地中海意大利—撒丁岛的输电线路，瑞典—丹麦的通过波罗的海斯卡格拉克海峡两岸的输电线路，瑞典—芬兰的输电线路，以及一些其他的输电线路。瑞典—芬兰的输电线路是最大功率的单极输电线路（500MW，400kV，230km），长度为200km的电缆敷设仅仅使用了一个连接头。

当电流增大时使用大地也有负面的影响，其最本质的缺点是可能腐蚀敷设于地下接近接地点的工程金属设施——管型导线和电缆。部分传输电流将在这些设施内传播、从其中流出，由于电解的作用可能引起损坏，直到在管型导线或者是电缆外壳上形成孔洞。理论计算和实践表明，当接地极的电流等于1kA时，接地点附近的危险区域半径为5km。对于分布在这个区域内的地下设施，必须采取阴极保护。在一些情况下，当线路敷设在存在很多地下工程设施的地方时（例如在城市中心），为了避免电流在大地中的溢流，接地极采用电缆的形式，电缆芯从两侧接地。

单极输电线路的使用范围，是用于在相对较短的距离上传输相对较小的功率（几百MW），主要用于跨越水障碍时。对于大功率的输电线路，则使用另一种接线方式，其中线路有两极，每一极都是对地绝缘的。整流变电站的中性点接地，这样的传输线路被称为双极输电线路。此输电线路的一个回路接线如图10.7所示，有时此回路也被称为双极回路。当必须增加传输功率时，则可以建造另一条类似的回路。

图10.7 双极直流输电线路示意图

由于整流变电站的中间点接地，每条回路可能被分成两条独立的半回路，在额定状态下整流器到逆变器的电流沿着线路的正极传输并返回到负极。当两个半回路的负荷相等时，大地中的电流等于0。但是可以发现，实际上设备和每一条半回路的状态参数完全相等的条件是不可能保证的，因此永远存在一些不平衡，大地中的电流也不等于0，但是可能比极电流小得多，从而可以将之忽略。当一条半回路退出工作时，另一个半回路继续工作，流经大地的电流增加了。

对于大功率输电线路，极电流可以达到几千A，大地中电流所影响的危险区域比上述情况大的多。因此，接地点需要借助于专门的线路、在距离整流变电站几十公里之外被实现。

对于双极输电线路，将线路电压分成两种类型：极—大地的电压和极间电压。显然，极间电压比极—大地的电压大2倍。因此，诸如±500kV输电和1000kV输电，这是同一种输电形式。

双极输电线路的使用范围，是大功率远距离输电。目前，所有的大功率和远距离直流输电线路都采用双极接线：伊泰普（巴西）、太平洋（美国）、卡布巴萨—阿波罗（莫桑比克—南非），以及其他很多输电线路。按此接线模式建造的埃基巴斯图兹—中央输电线路，其与上述输电线路的区别在于，每个变电站中的整流桥采用了两个分支。

有时在其他一些情况下也采用双极输电线路，例如，经过英吉利海峡敷设的英国—法国直流输电线路，就是采用双极接线。采取这种方案的原因之一是，尽力避免单极线路磁场对海峡中航行舰船导航仪器的影响。

应该注意，目前所研制的高压电压变流器不允许线路任何一极接地，因此，此变流器不可能被用于建造单极和双极直流输电线路。

直流输电线路，无论是单极的还是双极的，都没有线路断路器，取而代之的是可控变流器阀。

在直流线路发生事故的状态下，取消整流器阀的控制脉冲，能够使得线路中的电流中断。阀既可以通过变电站运行人员手动关闭，也可以由反应于故障的保护装置自动关闭。

由于不存在线路断路器，可以简化变流站的结构，并且使投资成本减少。但是，只有对于主干输电线路才会采取这种方式；对于有中间抽头的输电线路，合理地使用直流断路器可以消除部分输电线路分段上产生的故障。

研制高压直流断路器面临非常复杂的技术难题，必须进行大量的科研工作和结构设计，这个问题正在研究中。现在，无论在俄罗斯还是在其他国家，都正在研制电压达到750kV的高压直流断路器，但是暂时还没有投入实际应用中。

对于直流输电线路上的中间抽头功率，必须在抽头点上建造中间变流站。为了保证逆变器的正常工作，通常将当地电网与之相连。这个中间变流站可以串联或者并联到线路上。

当中间变电站串联时（见图10.8a），部分整流桥分布在从终端变电站到中间点的线路上，每一个中间变电站既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。当工作于整流状态时，中间变电站系统的电能传输到直流线路中；当工作于逆变器状态时，电能由直流线路输送到中间变电站系统中。

图10.8 直流输电线路上的串联 a）和并联 b）功率抽取

功率串联抽取的缺点是，依赖于所有变电站的相互配合工作。这使得部分变电站的功率调节变得困难，因为对于所有的分段来说，串联回路中的电流值应该是不变的。任何一个变电站由于事故退出工作都可能导致其余变电站过电流以及断电。因此中间变电站应当装设分流设备，其中包括分流阀，可以在事故状态下自动连接到本变电站上。除此之外，应当考虑到所有的中间变电站变流设备都是处于极电压下，这需要增加投资。

中间变电站的并联（见图10.8b），首先要允许存在在所有变电站上相互独立的功率调节以及方向改变，即任何一个变电站可以由整流状态过渡到逆变状态，或者由逆变状态过渡到整流状态；其次，要通过建立高压直流网络，使得几个中间系统互联。

带有并联功率抽取直流输电线路的缺点是，当需要切断故障分段时，必须使用直流断路器。此时必须首先对整个输电线路断电，然后经过一个时间间隔切断输电线路的故障分段，并重新投入运行。输电线路的断电可以通过取消工作于整流器状态的变流器控制脉冲来实现（关闭变流器）。所有的这些都可以通过输电线路上的保护和自动装置来完成。在拥有五个变电站的加拿大—美国直流输电线路上就是采取这种方式的。这个方式也同样应用在意大利—科西嘉岛—撒丁岛的直流输电线路上，此直流输电线路在科西嘉岛上存在功率抽头。

当并联回路中的某个变流站，无论是工作在整流状态下，还是逆变状态下，都必须有切换变流器极性的设备，主要是为了在保证线路电压极性的同时改变变流器的极性。

对于直流换流站，没有必要增加电压和变流器组件的功率。可以通过并联几个组件来增加换流站的功率，就像发电厂中发电机组并联那样。

下面以俄罗斯—芬兰维堡的直流换流站为例进行介绍。它是由4个相同的成套高压变流设备组成，每个功率达到355MW，同向连接到330kV母线上，高压变流设备的一侧连接到列艾涅尔格，另一侧连接到芬兰电力系统的440kV母线上。每一个成套高压变流设备的变流器（整流器和逆变器）以及为之服务的系统（调节、控制、保护和自动装置系统、冷却系统等）都布置在独立的建筑物内，每一个整流桥的电压为85kV，整流器和逆变器的一对桥在直流回路中的额定电压为170kV，额定电流为2100A。330kV和440kV母线借助于单相四绕组、每相功率为135MVA的变压器连接。在直流回路中连接有两个独立的平滑电抗器，每个的电抗值为0.1H，一个电压为38.5kV的变压器绕组被用于连接高次谐波过滤器。除此之外，在330kV和440kV母线上同样连接有高次谐波过滤器。变流器无功功率的补偿部分由高次谐波过滤器完成，因为其在50Hz时是发出无功功率的，同样也可以由经过变压器连接到330kV和440kV母线上的同步调相机来补偿。