第一章概述2012(1)——直流输电发展及系统结构

2）大背景 国家电网的发展规划
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我国2/3以上的水能资源分布在四川、西藏、云南； 2/3以上的煤炭资源分布在山西、陕西和内蒙古。东部发 达地区能源消耗量大，资源匮乏，西部能源基地与东部负 荷中心距离在500－2000公里。必须建立长距离、大容量 的输电系统。
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标志性事件1：1882年，德国，HVDC首次成功试验 送端 受端 技术指标
米期巴赫煤矿
(Miesbach )
慕尼黑国际展 览会(Munich )
2kV,1.5kW，57km电报线
特点
① 第一个电力系统； ② 线路损耗：78%； ③ 从此进入试验性阶段
法国人 德普勒
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此后，直流输电的电压、功率和距离曾 分别达到了125kV、20MW和225km（在法 国，从毛梯埃斯到里昂）。

1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957年美国通用电气 公司开发了世界上第一只晶闸管产品。 1970 年瑞典首先在哥特兰岛直流工程上扩建了直流电压为 50kV ，功率为 10MW ，采用晶闸管换流阀的实验工程。以后 新建的直流工程均采用晶闸管换流阀。 1） 换流设备几乎都采用晶闸管； 2）几乎所有工程都是超高压工程； 3）单回线输电能力增强； 4）发展速度非常快，规模越来越大。
高压直流输电技术 （一）
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2012年09-11月
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0 引言
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为什么要开设《高压直流输电技术》？

1）基本背景 课题项目——毕业生的去向——企业的需求

主张交流输电的科学家：
特斯拉、威斯汀豪斯、法拉第、亨利、奥斯特

原因：
远距离送电—减少输电线路中的电能损失 ——提高电压——改变电压—交流输电
1888 年，由 费朗蒂 设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流 输电站开始输电。以10kV的交流电送往相距 10km外的市 区变电站，在这里降为 2.5kV ，再分送到各街区的二级变 压器，降为100V供用户照明。
到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程 （加拿大纳尔逊河I期工程）建成，世界上共有12 项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。其中：
最大输送容量和最长输送距离的是美国太平洋联络线： 1440MW、1362km； 最高输电电压的为加拿大纳尔逊河I期工程：±450kV

上述时期被称为汞弧阀换流时期。 但汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、可靠性低（易发生 逆弧）、运行维护不便，使直流输电的发展受到了限制。
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1970年，瑞典首先在果特兰岛直流工程上扩建了直流电压
为50kV、功率为10MW，采用晶闸管换流阀的试验工程；
（电压达到150kV、功率30MW、电流200A，96km电缆）；
标志性事件3： 1972年， 加拿大， HVDC首次全部采用晶闸管元件 送端 魁北克省水电站 受端 新不伦威克省 技术指标 2×80kV, 2000A， 2×160MW, 背靠背
使用的教材及参考书
1）赵畹君《高压直流输电工程技术》，中国电力出版社，2009 （80元） 2）浙江大学发电教研组直流输电科研组编写《直流输电》，水利电力出版社， 1985年； 3）戴熙杰《直流输电技术》水利电力出版社，1990年； 4）王官杰，任震《高压直流输电技术》重庆大学出版社，1997年； 5）李兴源《高压直流输电系统的运行和控制》科学出版社，2010年；(28元) 6）夏道止《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》水利电力出版社，1994年 7）张金堂翻译（瑞典 E. 乌尔曼编）《直流输电》科学出版社，1983年。 8）韩民晓等《高压直流输电原理与运行》机械工业出版社，2009年(30元)
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但随着电力系统的迅速扩大，输电功率和输电 距离的进一步增加，交流电也遇到了一系列不可 克服的困难，例如： 造价； 稳定性； 工频过电压； 等
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3）汞弧阀换流时期
解决方案：交流和直流的融合 依赖于——换流技术的发展 1933年，美国通用电气公司为布尔德坝枢纽工程设计出 了高压直流输电装置；
原因有二：

正极性导线电晕的电磁干扰和噪声水平大于负极性； 雷电是负极性的，为了防雷的需要。
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a) 单极大地（海水）回线方式
1）直流输电概述（优缺点、系统结构等） 2）直流输电中的换流技术（整流和逆变）及无功补偿； 3）直流系统的稳态运行特性； 4）直流输电系统的控制方式； 5）直流系统中谐波产生及抑制技术； 6）换流站中主设备的特点； 7）直流输电系统中的故障方式及保护方式； 8）直流输电系统的过电压保护和绝缘配合。
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1）工程运行参数较低，运行方式复杂，可靠性低； 2）换流设备几乎都是低参数的汞弧阀； 3）发展速度较慢。
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第二阶段（1954-1972年）——稳步发展阶段
以 HVDC首次投入商业运行为标志。

1954年世界上第一个工业性直流输电工程（果特兰岛直流工 程）在瑞典投入运行 1）HVDC完全进入实用化阶段； 2）HVDC的用途扩大； 3）换流设备仍是汞弧阀，但是参数和质量大大提高。
直 流 输 电 系 统

多端

单极系统


两端

双极系统


背靠背系统
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a)
单极大地（海水）回线方式
1）单极系统
b)
c)
Байду номын сангаас
单极金属回线方式
单极双导线并联大地回线方式

毫无疑问，所谓单极系统就是输电导线只有一种极性的 输电系统，一般采用负极性的。
？？？ 为什么呢
伊尔河背靠背直流工程 特点 从此进入大力发展阶段
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果特兰岛 直流工程
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1.2 高压直流输电发展阶段及其特点

直流输电的发展与换流技术的发展（其中特别是 高压大功率换流设备的发展）有密切的关系。 第一阶段（1954年前）——试验性阶段
以 HVDC首次成功试验为标志。 主要特征：
国 家 电 网
广东电网 海南电网
南 方 电 网
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国家电网公司的指导方针
国家电力公司部署了“西电东送、南北互联、全国联
网”的方针。全国互联电网的基本格局是：以三峡输电系统
为主体，向东西南北方向辐射，形成以北、中、南送电通道 为主体，南北电网间多点互联，纵向通道联系较为紧密的全
国互联电网格局。北、中、南三大片电网之间原则上采用直
东北电网公司：辽宁、吉林、黑龙江
南方电网：
云南、广西、广东、贵州、海南 南方电网
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华中电网

为了实现资源优化配置，在六大区域电网的基础 上开展了全国联网工作。
东北电网
华北电网
西北电网
89葛上线
山东电网
华中电网 川渝电网 贵州电网 云南电网 广西电网
03三常线 06三上线
华东电网
不能办到的。


从此，高压交流输电的有效性和优越性得到了公认。
（例如， Westinghouse1893年芝加哥世界博览会展示，同时点亮 90000盏灯；在美国1895年建成了尼亚加拉水电站73.5MW-35km）
补充：为什么用三相？

与单相电比较,三相电具有许多优点:
1）从发电方面看，对于相同尺寸的发电机，采用三相的比单相的可

主要特征：




工程投产速度：2个/年
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1954年~2000年，世界上投运的直流输电工程63项，其
中：架空线17项、电缆8项、架空电缆混合的12项、背 靠背26项。（2001~2003年，13项）


最高电压：±600kV，巴西伊泰普直流工程
最高输送容量：6300MW，巴西伊泰普直流工程 最长输送距离：1700km：南非英加—沙巴直流工程； 电缆最大输送容量：2000MW，英法海峡直流工程。

标志性事件2： 1954年，瑞典，HVDC首次投入商业运行 送端 受端 技术指标 瑞典大陆 果特兰岛 100/150kV ，200A 20MW/30MW ， 果特兰岛直流工程 96km海底电缆 ① 换流元件:汞弧阀(一期)、晶闸管(二期)； 特点 ② 从此进入稳步发展阶段
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主要特征：

工程投产速度：1个/2年 到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程（加拿 大纳尔逊河Ⅰ期工程）建成，世界上共有12项采用汞 弧阀换流的直流工程投入运行。

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第三阶段（1970年以来）——大力发展阶段

以 HVDC首次全部采用晶闸管元件为标志。
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为了实现资源优化配置，在六大区域电网的基础上开展了全国 东北电网 联网工作。 华北电网
国家电网： 西北电网
华北电网公司：北京、天津、河北、山西、山东、内蒙
华中电网公司：湖北、湖南、江西、河南、四川、重庆
华东电网公司：上海、江苏、浙江、安徽、福建 西北电网公司：陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、西藏 华东电网
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因此，从1954年开始，输电方式进入了：
交直流输电并存的新的历史时期
（不是简单的恢复到爱迪生时代）
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1.3 直流输电工程的系统结构

主接线，汇集、输送、 分配电能的电路
单极大地（海水）回线方式 单极金属回线方式 单极双导线并联大地回线方式 双极两端中性点接地方式 双极一端中性点接地方式 双极金属中线方式
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4）高压直流输电的进一步发展—— 晶闸管换流时期

到了 20 世纪 70 年代以后，电力电子和微电子技
术迅速发展，高压大功率的晶闸管问世、微机控 制和保护技术、光电传输技术、水冷技术等新技 术也在直流输电工程中得到广泛应用，促进了高 压直流输电的进一步发展。
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19 世纪 80 年代，（多利沃 - 多布罗夫斯基）相继发明出了
三相交流发电机（1888年）和三相变压器（1891年）。

随着三相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展， 发电和用电领域很快被交流电取代；同时，由于变压器可 以方便的改变电压，从而进一步使交流输电和交流电网得 到迅速发展，占据了统治地位。
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交流标志性事件：
1891年，多利沃-多布罗夫斯基在德国法兰克福的电气技术博览会上
，成功地进行了远距离三相交流输电实验，将劳风 (Lauffen) 三相交
流发电机发出的电能用15kV的高压送电到180公里外的法兰克福，输 电效率达到75％，在当时的条件下，如此高的传输效率是直流输电所
流背靠背或常规直流隔开，以控制交流同步电网的规模。预 计今后十几年内直流输电项目不少。
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学习本课程的目的和意义
了解和基本掌握高压直流输电的基本原理及其中的关键问题，为
大家今后从事直流输电工程的规划、设计、运行管理以及直流输电 设备的设计、制造和试验等打下一定的基础。 本课程的主要内容包括：
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第一章 导论

1.1 高压直流输电发展概貌
采用交流输电还是直流输电？ （国外的发展历史）
1）早期直流输电阶段

对电的认识和电科学的发展源于直流。(电报的启发)

主张直流输电的科学家：爱迪生、开尔文、德普勒
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1）早期的直流输电
1874年，在俄国彼得堡第一次实现了低压直流输电， 电压100V；
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早期的直流输电不需要换流，直接从直流电源 到直流线路，再到直流负荷，即发电—输电— 用电，均是直流电。

要进一步提高大功率直流发电机的额定电压，
存在着绝缘等一系列技术困难。

只能间隔一定距离加装直流发电机，经济性很 差，直流电昂贵。
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2）交流输电阶段
以提高功率约50%； 2）从输电方面看，在输电距离、输送功率、功率因数、电压损失和 功率损失等相同的输电条件下 ,输送三相电能较输送单相电能可以节约铜 25%； 3）从配电方面看，三相变压器比单相变压器更经济，而且三相变压 器更便于接入三相及单相两类负载； 4 ）此外 ,在用电设备方面，三相笼型异步电动机具有结构简单，价 格低廉,坚固耐用,维护使用方便，且运行时比单相电动机振动小等优点。