高压直流输电

高压直流输电

人类输送电力，已有一百多年的历史了。输电方式是从直流输电开始的，1874年俄国彼得堡第一次实现了直流输电，当时输电电压仅100V，随着直流发电机制造技术的提高，到1885年，直流输电电压已提高到6000V，但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，由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到极大的限制。不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器。1891年，世界上第一个三相交流发电站在德国劳风竣工，以3104V高压向法兰克福输电，此后，交流输电就普遍的代替了直流输电。

随着社会经济的快速发展，对用电的需求也快速增长。但是一次能源分布不均且距离较远，输电通道用地越来越紧张。为了解决上述问题，提高输电容量，建设更高电压级的输电线路作为主干网用于远距离输电将是一种新的解决办法。

现代输电工程中存在着两种输电方式，高压交流输电和高压直流输电，而高压交流输电因为有着：提高传输容量和传输距离；提高电能传输的经济性；节省线路走廊；利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站造价较为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，方便送配电的优点，而被世界各个国家广泛使用。

但是，交流输电在拥有提高传输容量和传输距离；提高电能传输的经济性；节省线路走廊；利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站造价较为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，方便送配电的优点的同时也存在着一些问题。

交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损

耗。为了解决交流输电电阻的损耗，采用高压和超高压输电来减小电流来减小损耗。但是交流电感损耗不能减小。因此交流输电不能做太远距离输电。如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上；跨过海峡给海岛输电时要用水下电缆，穿过人口密集的城市输电时要用地下电缆，电缆在金属芯线的外面包着一层绝缘皮，水和大地都是导体，被绝缘皮隔开的金属芯线和水（或大地）构成了电容器，在交流输电的情况下，这个电容对输电线路的受电端起旁路电容的作用，并且随着电缆增长而增大，旁路电容会增大到交流几乎送不出去；另外交流输电并网还要考虑相位的一致。如果相位不一致两组发电机并网会互相抵消。为了解决这些不足，我们在电力输电系统中引入高压直流输电。形成高压交流、高压直流并存的输电系统。

高压直流输电有着许多优点，可以很好的解决高压交流输电中的不足。

高压直流输电不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行，直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性；限制短路电流，如用交流输电线连接两个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置，然而用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大；线路造价低，对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多；年电能损失小，直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小；调节快速，运行可靠，直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”(功率流动

方向的改变)，在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制，在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性；没有电容充电电流，直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿；大幅度降低线路建设投资成本，节省输电走廊，提高线路传输能力。直流电能的输送只需1根(单极)或2根(双极)导线与大地构成传输回路。例如±500kV蔡白线输电线路的两极导线(每极均为四分裂导线)，分别与在三峡蔡家冲和上海白鹤两头的换流站接地极(大地)构成传输回路，使设计输送功率达到300万kW；与同等交流输电容量等级的线路相比，直流输电线路的铁塔与铁塔基础设计要小得多；换流站少，例如蔡白线就只有两座换流站。因此，直流输电方式比较适合远距离大功率的电力输送；线路在运行中产生的电磁幅射非常小，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空输电线路小很多，属于绿色输电；交流电并网输电需要严格掌握“同相序”、“同频率”、“同电压”，直流并网输电只需掌握“同极”、“同电压”即可；高压直流输电特别适合使用海底电缆为载体的传输。

因此，高压直流输电可以用于远距离大功率输电；联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统；作网络互联和区域系统之间的联络线（便于控制、又不增大短路容量）；以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电；在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行，利用直流输电线的快速调节，控制、改善电力系统的运行性能。以解决高压交流输电所不能解决的问题和领域。

但是高压直流输电也存在着许多问题问题。

换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量时，直流线路单位长度的造价比交流低，而直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功率的

40%～60%，需要无功补偿。产生谐波影响。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。不能用变压器来改变电压等级。线路污秽外绝缘。线路电晕环境。线路离子流场。直流偏磁问题。输电系统的稳定性。缺乏直流开关。直流无波形过零点，灭弧比较困难。目前把换流器的控制脉冲信号闭锁，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电式，就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路。

虽然高压直流输电仍然存在着上述几个大问题，但是我们更应该看清它的优点和优势。我国能源与负荷分布的严重不平衡以及未来电力发展的巨大空间迫切需要特高压直流输电技术。特高压直流输电技术符合电力工业发展规律和电网技术的发展方向，而且根据20 世纪80 年代特高压输电工程的试验研究和输电设备研制技术的积累，目前我国已具备特高压输电工程的建设条件。虽然在少数技术方面还需加以研发，如换流变压器和绝缘套管，但我们应该抱着乐观的态度积极的思想，相信在技术上没有不可逾越的障碍，期待几年之内即可确保特高压设计方案用于实际的应用项目上。