直流架空和电缆线路及换流站基础设备简介

图12.21 直流架空线路的塔架

a）单极架空线路中间独立塔架 b）双极架空线路中间独立塔架 c）双极架空线路中间带拉线的塔架 d）双回路架空线路（四极）中间独立塔架

直流架空线路与交流架空线路不同，主要区别在于其塔架的结构。对于不同型号的直流线路，可能的塔架结构如图12.21所示。这些塔架需要消耗的钢材较少，并且与相同输电能力和电压等级的交流输电线路塔架相比，具有较简单的结构。

在图12.22上列出了画在同一比例尺上的，1150kV交流线路和±750kV直流线路中间塔架的结构。这些线路有大致相同的输电能力（6000MW左右），交流塔架的重量为19.8t，而直流塔架的重量为9.4t。对于其他类似的直流和交流线路也存在大致相同的关系。此时，对于直流输电线路，其占用土地的宽度比交流线路小25%～30%。由此，在其他原始数据相等的情况下直流输电线路的成本较小。

图12.22 同一比例尺下直流和交流输电线路的中间塔架

a）艾可巴斯图斯-乌拉尔1150kV交流架空线路塔架：输电能力为5000MW，电流密度为0.95A/mm²，导线型号为8×AC-330，塔架的总重量为19.8t

b）艾可巴斯图斯-中心1150kV直流架空线路塔架：输电能力为6000MW，电流密度为0.66A/mm²，导线型号为5×AC-120，塔架的总重量为9.4t

直流电压下的线路绝缘子工作条件与其在交流电压下的工作条件不同。在交流线路上电压沿绝缘子串的分布，主要取决于每个绝缘子本身以及绝缘子与导体之间的电容，同样还有绝缘子与大地之间的电容，结果使得绝缘子表面的杂质对其中的电压分布影响较小。

直流线路中的绝缘子电容，对极—大地之间电压沿绝缘子串的分布不产生影响。其电压分布取决于绝缘子表面的泄漏阻抗，此泄漏阻抗与其表面的杂质有关。当绝缘子清洁干燥的情况下，其中的电压分布是均匀的；但当部分绝缘子潮湿和有杂质时，这种均匀性被破坏，当其他串上的绝缘子电压升高时，可能导致其退出工作。解决这个问题的方法是使用增加了泄漏路径长度的绝缘子，或者是增加绝缘子串的数量，但是此时也增加了线路的成本。

直流线路电极的结构与交流线路的相结构一致。在此同样使用分裂式导线，其原因与超高压交流线路是一样的。第一个原因是电极上的电流很大，从而要求电极导体的总截面积较大（几千平方毫米）。这样截面的导体是生产不出来的，因为其运输以及最终的安装是非常困难的。因此使用较小截面积导线束，其重量较轻。

第二个原因是必须消除导体的总电晕，为此必须降低其表面的电场强度。电场强度的计算方法实际上与交流超高压输电线路是一样的，但与确定电极电容（其他塔架结构）以及导体表面电场强度有关的一些计算表达式除外。

对于直流电缆线路，可以使用各种不同型号的电缆：具有纸绝缘和粘性浸剂的电缆、有压力的油电缆、有压力的气体电缆。目前被广泛使用的是具有纸绝缘和粘性浸剂的电缆，在相同厚度绝缘下此电缆的电气强度要比交流电缆高很多。

其原因在于此类绝缘分为两层：纸和主要成分为油的粘性浸剂。在直流电压情况下，由于其电介质导电性的差别，电场强度是加在纸上的，纸的介电强度比油高。在交流电压下，电场强度的分布是相反的。因此这些电缆在直流电缆线路上得到了广泛应用。现在已经研制出了电压达到400kV、电流达到1.25kA、外部直径为128mm的电缆。

从20世纪90年代末开始，带有硫化（交联）聚乙烯绝缘的直流电缆才投入使用，而带有此类绝缘的高压电缆在交流线路上早就被使用了。其原因是，聚乙烯绝缘对直流和交流电压的反应是不同的。

在直流电压下，这些绝缘中产生了大量的、符号与导电芯中相同的电荷，严重地扭曲了电缆的电场，使其电场强度超过了允许值，电缆中发生了绝缘击穿。为了消除此缺点，需要进行很长时间的研究。

现在具有聚乙烯绝缘的电缆被生产出来，其对地电压可以达到300kV。与其他类型的电缆相比这样的电缆具有一系列的优点：尺寸和重量较小、可以敷设在斜坡的表面；因为没有粘性浸剂流动的危险，便于安装。因此，在建造直流输电线路时大量使用了具有聚乙烯绝缘的电缆。

因为电缆线路主要是在有水障碍时被使用，为了降低成本以及提高线路可靠性，所采取的一个重要措施就是：尽可能地增加电缆建造的长度，以减少接头的数量，因为接头对于电缆来说总是不安全的。为此，使用带有大口径水平线轴的电缆敷设船，线轴的直径由船的宽度决定。电缆从船停泊城市的工厂不间断地加到此线轴上，借助于电缆敷设船所敷设的电缆最大长度可以达到200km，中间有一个电缆接头。下面分析长度500km～600km的水下电缆线路建筑物设计。

最早的一批电缆线路是直接敷设在海底的，但是经常被渔网或者是船锚所毁坏。目前当深度小于60m～70m时，将电缆敷设在电缆沟中，电缆沟的深度可以达到1.5m，并且借助于船上操作的水下挖掘机敷设。

变流变压器、变流桥、高次谐波过滤器、线路（平滑）电抗器、同步调相机、电容器组是变流站的主要设备。最后的两种设备在构造上，与类似的交流电网设备是没有区别的。高次谐波过滤器在上面已经阐述过了。因此，所有的这些设备在此不再分析。

相比于一般交流电网的变压器，变流变压器工作条件更加恶劣，原因有几个：流过变流变压器绕组的电流含有高次谐波，会引起绕组和变压器铁心发热。除此之外，当变流桥串联时对变压器阀绕组产生影响的不只是网络交变的交流电压，还有连接于接地点附近桥的直流电压。这使得必须加强变压器绕组的绝缘，变压器绕组的动稳定性也应该被计算，因为这些影响比常规变压器的更大。变流变压器同样也应该考虑在一些不正常状态下流过直流电流的可能性。

当变压器空载运行、连接有高次谐波过滤器或者电容器组时，可能产生谐振现象，从而可能导致产生很大的、持续几秒的过电压，变压器的绝缘也应当考虑这些过电压。

所有的这些都需要很大程度地加强变压器绕组的内绝缘，强化绕组的机械强度，以及增加绕组导体的截面积和变压器铁心的截面积。结果是相对于相同电压等级和容量的常规变压器，变流变压器有效材料（钢、铜）的消耗大概要高1.5倍。

相比于相同功率的常规变压器，变流变压器具有更高的电抗，这可以通过其变流回路的工作条件来解释。一方面，变压器阻抗的增加使得其结构具有一定的特点；另一方面，在工作过程中必须限制阀中电流变化的速度，无论是在正常状态下还是在事故状态下。变压器全功率通常超过对其供电的桥的有功功率的15%～20%，因为桥阀要吸收很大的无功功率，并且高次谐波所致的有功损耗也增加了。为了降低桥吸收的无功功率，变流变压器必须装备有有载调压装置。所有的这些放在一起将导致变压器重量和外形尺寸的增加，使其从生产厂家到安装地点的运输很困难。

现在变流变压器的最大功率可以达到每相500MVA左右。这个功率已经接近于极限值，再大幅度的增加未必可行。(www.xing528.com)

如上所述，变流站的主要设备之一是变流桥及其主要元件——高压可控阀。最初的直流输电线路是在20世纪50、60年代建造的，那时使用的是汞阀。现在的一些输电线路上也采用汞阀，但这些阀具有一系列的（由其中的物理过程和汞的毒性所决定）缺点。因此，在上个世纪70年代研制出了大功率的晶闸管阀——晶闸管之后，所有新的直流输电线路和换流站都是在其基础上建造的。

现在的单个晶闸管具有下列参数：在闭合状态下可以经受的电压为5kV～7kV（将来可达12kV）；平均电流可达3kA～4kA（将来可达5kA）。这些参数中的电流是可以接受的，但是对于建立电压可达几百千伏的大功率变流站来说，电压明显是不足的。

图12.23 在建造高压晶闸管阀时变流桥可能的接线方式

为了建造高压晶闸管阀（ВТВ），可以采取单个晶闸管的串联。此时晶闸管的数量在晶闸管阀中可以达到几百个，在建造高压晶闸管阀时变流桥阀可能的连接方式如图12.23所示。在回路1中，两个变流桥每相的所有阀都连接到一个ВТВ上；回路2显示的是一个极上的阀；回路3显示的是每个变流桥一相上的阀。

所有晶闸管的工作应当是被其中均压装置、系统冷却装置、以及施加到每个晶闸管上控制脉冲的信道来保障的。

具有保障其功能装置的每个晶闸管布置在晶闸管单元中（见图12.24），其中电阻器和RC电路与晶闸管并联。电阻器是为了使电压在ВТВ所有串联的晶闸管之间均匀分布；当阀关闭时，RC电路是为了保障电压在关闭的晶闸管上有容许的变化速度。

雪崩二极管与晶闸管并联^[1]，用于对可能产生的过电压进行保护。在每个晶闸管单元中都有控制单元，沿光导纤维由外壳接地的微波发射器得到光脉冲，形成控制脉冲并将其施加到晶闸管的控制电极上（当使用光控晶闸管时无此单元）。监测单元跟踪晶闸管的完好性，在晶闸管关闭的期限内、当阴极-阳极之间有电压时形成光脉冲，这个脉冲沿着光导纤维流向大地，从而表明晶闸管的完好性。当晶闸管击穿时此脉冲消失。微波发射器、光信号接收器、逻辑单元布置在外壳接地的控制、保护和信号柜中。

几个晶闸管单元连接成一个模块，是ВТВ中的可更换元件。ВТВ的支撑结构是由绝缘子组成的硬支架，这个支架形成了几层空间结构。在每一层上都布置有连接在一起的晶闸管模块，ВТВ可能的结构之一如图12.25所示。在此结构中为了对大地绝缘使用了支撑绝缘子，类似的ВТВ布置在密封室内。

图12.24 晶闸管单元、模块和ВТВ的结构

VS—晶闸管 R—分流电阻器 VD—雪崩二极管 БУ—控制单元 БК—监测单元 АР—阳极电抗器 М—模块 ПСС—光信号接收器 БЛ—逻辑单元 КГ—微波发射器

图12.25 内部装配连接在一起的4个ВТВ外形

1—模块 2—放电管 3—支撑绝缘子 4—水冷却系统的绝缘管 5—光导纤维

在地震频发区通常采用悬挂绝缘子，在图12.26中表示了具有ВТВ悬挂绝缘子的直流换流站阀室。目前为直流输电线路和直流换流站生产设备的公司正在研制变电站的结构，整个变电站的变流部分是模块化设计的，并且布置在预制板构架的轻型建筑物内。

图12.26 具有阀悬挂绝缘子的直流换流站阀室

有一种ВТВ的结构，其晶闸管布置在充满变压器油的槽内，这样的ВТВ可以被安装在开放的环境下，但是在此结构中维修是很困难的。

控制脉冲的传输是非常复杂的，在时间上应当具有非常高的准确性，在电力电磁干扰的条件下由地面施加到阀上，变流器本身就是这种干扰源，为此现在使用光纤做为通信通道。

控制脉冲是由СУРЗА系统形成的，需要保证必要的相位（角度α或者β），使微波发射器发射此脉冲（激光）。微波发射器产生光脉冲，沿着光导纤维传输到ВТВ的所有晶闸管。

晶闸管的控制和监测系统的构建是，在阀导通时控制脉冲流是由地面到阀上的，而关于每个晶闸管状态的不间断信息是由阀传输到控制台的。必要时变流器组件退出工作，有被损坏的晶闸管模块被完好的晶闸管替换。

线路电抗器（平滑）连接到线路的每极上，并且是输电线路的多功能元件，其不仅平滑极电流的波动，还保证线路电流在其中短路、以及晶闸管不正常工作时按照给定速度变化。除此之外，这些电抗器用于保护变流器免受过电压波的影响，包括可能由架空线送来的雷电波。

在极电压下电抗器的绕组应当是对地绝缘的，在正常状态下除了直流分量作用于绕组绝缘上之外，整流电压的交流分量也作用于绕组绝缘上。整流电压的交流分量与变流器工作时的控制角有关，并且随着控制角的增大而增大。这两个电压分量在绕组绝缘上产生了不同的载荷，使其结构复杂化。

电抗器的磁系统没有内部铁心，但是具有磁路和大量的空气隙，以避免电抗器被直流电流饱和。电抗器绕组以及其磁系统布置在充满变压器油的槽内，为保证绕组端子能够穿过槽顶引出使用了充油的套管或者气体套管。