第三章-直流输电稳态特性
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1）直流输电工程数目较少； 2）换流技术经历过从汞弧阀到晶闸管（还有IGBT）的转变。
局面：
造成了额定直流电压较繁杂，未形成系列，如：17、25、50、 70 、 80 、 82 、 85 、 100 、 125 、 140 、 150 、 160 、 180 、 200 、 250 、 266、270、350、400、450、500、533、600、660、800等。
在进行直流输电工程设计时，先选定最小直流电流值，为其
额定直流电流的5%~10%。
另外，最小直流电流值通常取等于或大于连续电流临界值 的两倍。即：连续电流临界值为最小直流电流值的1/2。
这就可以根据上式对平抗的电感值进行核算或选择。
直流输送功率为直流电压和直流电流的乘积，当最 小直流电流确定后，则可得到最小直流输送功率。
2012-09-27
19
直流输电工程大多有降压运行的功能，此时 α 增大， sinα 增大，临界连续电流值增大，从而要求的最小直流电流也 要增大。所以，若此时Ld不变，降压运行有可能产生电流 断续现象。 例如：α=0时，Idlj=0，假定选择最小直流电流为 0；若α增 加，还按最小直流电流为 0 来运行，则会产生断续。这时， 应增大Ld，使临界连续电流也减小才行。 大部分直流输电工程，在选定的平抗电感值情况下，降 压运行不需要提高最小直流电流值。由于降压运行时直 流电压的降低，当最小直流电流不变时，直流工程的最 小输送功率也将相应减小。
通常背靠背直流输电工程，由于无直流输电线路，可以 选择较低的额定直流电压和较大的额定直流电流； 而远距离输电直流输电工程，则选择较高的额定直流电 压和较小的额定直流电流。
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四、额定直流电压
额定直流电压是在额定直流电流下输送额定直流功率所要求的直
流电压的平均值。
在换流站的额定交流电压、换流变压器额定抽头以及换流器额定 触发角的条件下，运行在额定直流电流下的直流电压。 通常规定送端整流站的额定直流电压为工程的额定直流电压。
版权所有，未经许可，请勿自行传播
高压直流输电技术
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2012年 09月~ 11月
2012-09-27
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第三章
直流输电的稳态特性
2012-09-27
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第3章 直流输电的稳态特性
☆ 3.1 直流输电工程额定值 ☆ 3.2 直流输电最小输送功率
Leabharlann Baidu
☆ 3.3 直流输电过负荷
☆ 3.4 直流输电降压运行 ☆ 3.5 双极对称与不对称运行方式 ☆ 3.6 直流输电系统的稳态运行特性 ☆ 3.7 直流输电系统损耗
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3.1 直流输电工程额定值
一、额定值的概念
直流电流不是平直的，而是叠加有波纹的。电流波纹的幅值取决 于直流电压的波纹幅值、直流线路参数以及平波电抗器电感值等。
当直流电流的平均值小于某一定值时，直流电流波形可能出现间 断，即直流电流出现断续现象。这种电流断续的状态，对于直流输 电工程是不能允许的。因为电流断续将会在换流变压器、平波电抗 器等电感元件上产生很高的过电压。
直流输电工程的额定值主要是指工程在长期连续运行时的输
送能力，以功率额定值、电压额定值和电流额定值来表示， 它们分别被称为工程的额定功率、额定电压和额定电流。
额定值是进行工程设计、设备参数选择以及决定工程造价的
基础参数。
在进行工程设计时，对工程的过负荷额定值、降压运行额定
值和功率倒送额定值也需作出规定。
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d id (t ) Ld ud (t ) U d dt
1 id (t ) [ud (t ) U d ] d t Ld
对于ud(t)而言，在不计换相角时，它是由交流线电压 正弦波的弧线段组成，每段60°。起始弧度由触发角α决 定。例如，对于V1向V3换相后的 60°弧线段，为（eb-ec） 的一部分，起于ωt=α，终于ωt=60°+α，即：
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Vd 0 id (t ) { [sin( t ) sin( )] cos (t )} 6 6 Ld 3
所以，临界直流电流的平均值为：
I dlj( 6)
Vd 0 (0.0931 sin ) id (t ) d(t ) Ld
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对于一个给定的交流和直流系统，当Ud01和Ud02为
最大值、α和γ为最小值、Id为最大值，xr1和xr2给
定时，可得到换流器的最大有功功率。 以整流器 为例说明：
Pd 1 U d 1 I d (U d 01 cos
3 X r1
Id ) Id
当dPd1/dId=0时，可得到整流器在给定系统条件下，达到 最大有功功率时的直流电流IdPM1：
6
额定直流功率=最大直流功率？
换流器的最大直流功率（换流器的有功功率）
(1) 整流站的单极直流功率：Pd1=Ud1×Id (2) 逆变站的单极直流功率：Pd2=Ud2×Id 3 X r1 U d 1 U d 01 cos Id 由此可知：在运行中可以通 过改变 α 或 γ 以及 Ud01 或 Ud02 3X r 2 U d 2 U d 02 cos I d 来改变 I 和 U ，从而得到不 d d 同的Pd。 Ud1 Ud 2 Id R
I dPM1
U d 01 cos 6 X r1
PM U d 1 I dPM1
通常换流器的额定容量和额定电流均比其最大值要小许多。只有在故障情况 下，Id大幅增加时，换流器才有可能瞬时接近其最大有功功率。
2012-09-27 8
三、额定直流电流
额定直流电流是直流输电系统直流电流的平均值，它应能 在规定的所有系统条件和环境条件下长期连续运行，没有 时间的限制。 额定直流电流对设备类型、参数以及换流站冷却系统的设 计具有重要意义。 当额定直流功率确定后，额定直流电流通常是由额定直流 电压的选择来确定。
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（1）连续过负荷
因为额定直流电流是在最严酷条件下都可 以正常运行的，若环境温度降低，冷却设 备投入，则可以长期的过负荷。
主要在双极直流输电工程中，当一极故障长期停运或者
当电网的负荷或电源出现超计划水平时采用。
在此运行条件下，无时间限制。 在最高环境温度下，投入备用冷却设备时的连续过负荷 电流值约为额定直流电流的1.05～1.10倍。
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二、额定直流功率
额定直流功率是指在所规定的系统条件和环境条件的范 围内，在不投入备用设备的情况下，直流输电工程连续 输送的有功功率。 直流输电工程是以一个“极”为一个独立运行单位。每 个极的额定直流功率为极的额定直流电压和额定直流电 流的乘积。 直流输电的主回路系统通常包括整流站、逆变站和直流 输电线路三部分，每一部分都有损耗，因此额定直流功 率的测量点需做出规定，通常： 额定直流功率的测量点在整流站的直流母线处。
Vd 0 [ sin( t ) (t ) cos c] 6 Ld 3
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id (t )
Vd 0 [ sin( t ) (t ) cos c] 6 Ld 3
因为：ωt=α或ωt=60°+α时，电压最小，这时直流电流 也出现最小值，假定此时恰好是id=0的情况（临界，再小就 断续了）。即：令ωt=α时，id=0，由此可得：
ud (t ) 3Em sin( t ) 3
U d Vd 0 cos
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t 3
另外，当不计平抗电阻时，平抗线路侧的电压为：
15
Ld id(t) ud(t)
Ud
因此，平抗两端的电压差为：
ud (t ) U d 3Em sin( t ) Vd 0 cos 3
因此，直流输电工程规定有最小直流电流限值，不允许直流运行 电流小于此限值。通常取等于或大于连续电流临界值的两倍。
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假定：
如何确定 连续电流临界值？
① 平抗线路侧的电压恒定，无纹波； ② 平抗的桥侧，直流电压波形是由正弦波形的 弧线组成的（6段或12段）； ③ 不计平抗的电阻。
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11
随着直流输电技术的发展、成熟以及工程数量
的增多，直流输电的额定直流电压也会像交流
输电那样，形成一定的电压等级系列，以利于 设备的制造和降低工程费用。
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12
3.2 直流输电最小输送功率
直流输电工程的最小输送功率主要取决于工程的最小直流电流， 而最小直流电流则是由直流断续电流来决定的。
换流站额定直流电压的测量点在换流站直流高压母线上的 平波电
抗器线路侧和换流站的直流低压母线之间，接地极引线除外。
V T
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Ld
10
直流输电工程的额定直流电压目前还没有像交流输 电（如： 35 、 110 、 220 、 330 、 500 、 750 、 1000kV 等） 那样形成电压等级的系列，对每一个直流工程都要进行 额定直流电压的优化选择。 原因：
Vd 0 0 [ sin( ) ( ) cos c] 6 Ld 3
所以： c cos sin( ) 6 3 V id (t ) d 0 { [sin( t ) sin( )] cos (t )} 6 6 Ld 3
通常取连续过负荷额定值小于额定直流电流的1.20倍。
换流变、平抗绕组的热点温度，晶闸管结温，都不允许超过其规定值
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（2）短期过负荷
在大多数情况下，大部分设备故障和系统要求，只需要 直流输电在一定的时间内提高输送能力，而不需要连续过
负荷运行。
（在此时间内，故障可修复或系统的调度可采取相应的措施）
1 1 ) cos ] d t id (t ) [ u ( t ) U ] d t V [ sin( t d d d 0 3 Ld Ld 3 Vd 0 [ cos(t ) cos (t ) c] 3 Ld 3
Vd 0 sin( t ) Vd 0 cos 3 3
对于6脉动桥来说，如下图所示：
Ld id(t) ud(t) Ud
ea Em sin( t 150 ) eb Em sin( t 30 ) e E sin( t 90 ) m c
ea
eb
零参考 相位
ec
d id (t ) Ld ud (t ) U d dt
3
3
6脉动
同理，对于12脉动来说，临界直流电流为：
I dlj(12)
Vd 0 (0.023 sin ) Ld
12脉动
连续直流电流临界值与平抗值、触发角α以及脉动数有关
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I dlj( 6)
Vd 0 Vd 0 (0.023 sin ) (0.0931 sin ) I dlj(12) Ld Ld
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5
在额定直流功率和输电距离确定的条件下，可以对额定 直流电压进行优化选择。额定直流电压选定后，则自然 就有了额定直流电流，因为它等于额定直流功率除以额 定直流电压。
逆变站直流母线的额定功率和额定电压是从整流站的数
值中减去直流线路损耗或线路压降而得到的。
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3.3 直流输电过负荷
在直流输电工程设计时，需对其过负荷能力进行规定。
直流输电过负荷——通常指直流电流高于其额定值。
过负荷能力——指直流电流高于其额定值的大小和持续
时间的长短。
换流设备的过负荷能力决定于直流电流。
根据系统运行需要，过负荷形式分为：
（1）连续过负荷；（2）短期过负荷；（3）暂态过负荷
局面：
造成了额定直流电压较繁杂，未形成系列，如：17、25、50、 70 、 80 、 82 、 85 、 100 、 125 、 140 、 150 、 160 、 180 、 200 、 250 、 266、270、350、400、450、500、533、600、660、800等。
在进行直流输电工程设计时，先选定最小直流电流值，为其
额定直流电流的5%~10%。
另外，最小直流电流值通常取等于或大于连续电流临界值 的两倍。即：连续电流临界值为最小直流电流值的1/2。
这就可以根据上式对平抗的电感值进行核算或选择。
直流输送功率为直流电压和直流电流的乘积，当最 小直流电流确定后，则可得到最小直流输送功率。
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直流输电工程大多有降压运行的功能，此时 α 增大， sinα 增大，临界连续电流值增大，从而要求的最小直流电流也 要增大。所以，若此时Ld不变，降压运行有可能产生电流 断续现象。 例如：α=0时，Idlj=0，假定选择最小直流电流为 0；若α增 加，还按最小直流电流为 0 来运行，则会产生断续。这时， 应增大Ld，使临界连续电流也减小才行。 大部分直流输电工程，在选定的平抗电感值情况下，降 压运行不需要提高最小直流电流值。由于降压运行时直 流电压的降低，当最小直流电流不变时，直流工程的最 小输送功率也将相应减小。
通常背靠背直流输电工程，由于无直流输电线路，可以 选择较低的额定直流电压和较大的额定直流电流； 而远距离输电直流输电工程，则选择较高的额定直流电 压和较小的额定直流电流。
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四、额定直流电压
额定直流电压是在额定直流电流下输送额定直流功率所要求的直
流电压的平均值。
在换流站的额定交流电压、换流变压器额定抽头以及换流器额定 触发角的条件下，运行在额定直流电流下的直流电压。 通常规定送端整流站的额定直流电压为工程的额定直流电压。
版权所有，未经许可，请勿自行传播
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第三章
直流输电的稳态特性
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第3章 直流输电的稳态特性
☆ 3.1 直流输电工程额定值 ☆ 3.2 直流输电最小输送功率
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☆ 3.3 直流输电过负荷
☆ 3.4 直流输电降压运行 ☆ 3.5 双极对称与不对称运行方式 ☆ 3.6 直流输电系统的稳态运行特性 ☆ 3.7 直流输电系统损耗
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3.1 直流输电工程额定值
一、额定值的概念
直流电流不是平直的，而是叠加有波纹的。电流波纹的幅值取决 于直流电压的波纹幅值、直流线路参数以及平波电抗器电感值等。
当直流电流的平均值小于某一定值时，直流电流波形可能出现间 断，即直流电流出现断续现象。这种电流断续的状态，对于直流输 电工程是不能允许的。因为电流断续将会在换流变压器、平波电抗 器等电感元件上产生很高的过电压。
直流输电工程的额定值主要是指工程在长期连续运行时的输
送能力，以功率额定值、电压额定值和电流额定值来表示， 它们分别被称为工程的额定功率、额定电压和额定电流。
额定值是进行工程设计、设备参数选择以及决定工程造价的
基础参数。
在进行工程设计时，对工程的过负荷额定值、降压运行额定
值和功率倒送额定值也需作出规定。
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d id (t ) Ld ud (t ) U d dt
1 id (t ) [ud (t ) U d ] d t Ld
对于ud(t)而言，在不计换相角时，它是由交流线电压 正弦波的弧线段组成，每段60°。起始弧度由触发角α决 定。例如，对于V1向V3换相后的 60°弧线段，为（eb-ec） 的一部分，起于ωt=α，终于ωt=60°+α，即：
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Vd 0 id (t ) { [sin( t ) sin( )] cos (t )} 6 6 Ld 3
所以，临界直流电流的平均值为：
I dlj( 6)
Vd 0 (0.0931 sin ) id (t ) d(t ) Ld
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对于一个给定的交流和直流系统，当Ud01和Ud02为
最大值、α和γ为最小值、Id为最大值，xr1和xr2给
定时，可得到换流器的最大有功功率。 以整流器 为例说明：
Pd 1 U d 1 I d (U d 01 cos
3 X r1
Id ) Id
当dPd1/dId=0时，可得到整流器在给定系统条件下，达到 最大有功功率时的直流电流IdPM1：
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额定直流功率=最大直流功率？
换流器的最大直流功率（换流器的有功功率）
(1) 整流站的单极直流功率：Pd1=Ud1×Id (2) 逆变站的单极直流功率：Pd2=Ud2×Id 3 X r1 U d 1 U d 01 cos Id 由此可知：在运行中可以通 过改变 α 或 γ 以及 Ud01 或 Ud02 3X r 2 U d 2 U d 02 cos I d 来改变 I 和 U ，从而得到不 d d 同的Pd。 Ud1 Ud 2 Id R
I dPM1
U d 01 cos 6 X r1
PM U d 1 I dPM1
通常换流器的额定容量和额定电流均比其最大值要小许多。只有在故障情况 下，Id大幅增加时，换流器才有可能瞬时接近其最大有功功率。
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三、额定直流电流
额定直流电流是直流输电系统直流电流的平均值，它应能 在规定的所有系统条件和环境条件下长期连续运行，没有 时间的限制。 额定直流电流对设备类型、参数以及换流站冷却系统的设 计具有重要意义。 当额定直流功率确定后，额定直流电流通常是由额定直流 电压的选择来确定。
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（1）连续过负荷
因为额定直流电流是在最严酷条件下都可 以正常运行的，若环境温度降低，冷却设 备投入，则可以长期的过负荷。
主要在双极直流输电工程中，当一极故障长期停运或者
当电网的负荷或电源出现超计划水平时采用。
在此运行条件下，无时间限制。 在最高环境温度下，投入备用冷却设备时的连续过负荷 电流值约为额定直流电流的1.05～1.10倍。
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二、额定直流功率
额定直流功率是指在所规定的系统条件和环境条件的范 围内，在不投入备用设备的情况下，直流输电工程连续 输送的有功功率。 直流输电工程是以一个“极”为一个独立运行单位。每 个极的额定直流功率为极的额定直流电压和额定直流电 流的乘积。 直流输电的主回路系统通常包括整流站、逆变站和直流 输电线路三部分，每一部分都有损耗，因此额定直流功 率的测量点需做出规定，通常： 额定直流功率的测量点在整流站的直流母线处。
Vd 0 [ sin( t ) (t ) cos c] 6 Ld 3
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id (t )
Vd 0 [ sin( t ) (t ) cos c] 6 Ld 3
因为：ωt=α或ωt=60°+α时，电压最小，这时直流电流 也出现最小值，假定此时恰好是id=0的情况（临界，再小就 断续了）。即：令ωt=α时，id=0，由此可得：
ud (t ) 3Em sin( t ) 3
U d Vd 0 cos
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t 3
另外，当不计平抗电阻时，平抗线路侧的电压为：
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Ld id(t) ud(t)
Ud
因此，平抗两端的电压差为：
ud (t ) U d 3Em sin( t ) Vd 0 cos 3
因此，直流输电工程规定有最小直流电流限值，不允许直流运行 电流小于此限值。通常取等于或大于连续电流临界值的两倍。
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假定：
如何确定 连续电流临界值？
① 平抗线路侧的电压恒定，无纹波； ② 平抗的桥侧，直流电压波形是由正弦波形的 弧线组成的（6段或12段）； ③ 不计平抗的电阻。
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随着直流输电技术的发展、成熟以及工程数量
的增多，直流输电的额定直流电压也会像交流
输电那样，形成一定的电压等级系列，以利于 设备的制造和降低工程费用。
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3.2 直流输电最小输送功率
直流输电工程的最小输送功率主要取决于工程的最小直流电流， 而最小直流电流则是由直流断续电流来决定的。
换流站额定直流电压的测量点在换流站直流高压母线上的 平波电
抗器线路侧和换流站的直流低压母线之间，接地极引线除外。
V T
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Ld
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直流输电工程的额定直流电压目前还没有像交流输 电（如： 35 、 110 、 220 、 330 、 500 、 750 、 1000kV 等） 那样形成电压等级的系列，对每一个直流工程都要进行 额定直流电压的优化选择。 原因：
Vd 0 0 [ sin( ) ( ) cos c] 6 Ld 3
所以： c cos sin( ) 6 3 V id (t ) d 0 { [sin( t ) sin( )] cos (t )} 6 6 Ld 3
通常取连续过负荷额定值小于额定直流电流的1.20倍。
换流变、平抗绕组的热点温度，晶闸管结温，都不允许超过其规定值
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（2）短期过负荷
在大多数情况下，大部分设备故障和系统要求，只需要 直流输电在一定的时间内提高输送能力，而不需要连续过
负荷运行。
（在此时间内，故障可修复或系统的调度可采取相应的措施）
1 1 ) cos ] d t id (t ) [ u ( t ) U ] d t V [ sin( t d d d 0 3 Ld Ld 3 Vd 0 [ cos(t ) cos (t ) c] 3 Ld 3
Vd 0 sin( t ) Vd 0 cos 3 3
对于6脉动桥来说，如下图所示：
Ld id(t) ud(t) Ud
ea Em sin( t 150 ) eb Em sin( t 30 ) e E sin( t 90 ) m c
ea
eb
零参考 相位
ec
d id (t ) Ld ud (t ) U d dt
3
3
6脉动
同理，对于12脉动来说，临界直流电流为：
I dlj(12)
Vd 0 (0.023 sin ) Ld
12脉动
连续直流电流临界值与平抗值、触发角α以及脉动数有关
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I dlj( 6)
Vd 0 Vd 0 (0.023 sin ) (0.0931 sin ) I dlj(12) Ld Ld
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在额定直流功率和输电距离确定的条件下，可以对额定 直流电压进行优化选择。额定直流电压选定后，则自然 就有了额定直流电流，因为它等于额定直流功率除以额 定直流电压。
逆变站直流母线的额定功率和额定电压是从整流站的数
值中减去直流线路损耗或线路压降而得到的。
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3.3 直流输电过负荷
在直流输电工程设计时，需对其过负荷能力进行规定。
直流输电过负荷——通常指直流电流高于其额定值。
过负荷能力——指直流电流高于其额定值的大小和持续
时间的长短。
换流设备的过负荷能力决定于直流电流。
根据系统运行需要，过负荷形式分为：
（1）连续过负荷；（2）短期过负荷；（3）暂态过负荷