第四部分(换流站)

一、 短路阻抗
为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流以免损坏换流阀的晶 闸管元件，（换流器的换相过程实际上就是换流器的相短路过程，两相
短路或三相短路） ，换流变压器应有足够大的短路阻抗。
但短路阻抗也不能太大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要相 应增加无功补偿设备，并导致换相压降过大。大容量换流变压器的短路 阻抗百分数通常为 12% ~ 18%。
站址的选择原则
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1）站址附近具备水运、铁运及卸货的条件； 2）靠近公路； 3）避开大型的公路桥梁； 4）避开空中障碍物，如立交桥、隧洞等。
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由设计院来制定大件运输的方案，估算运输的费用。 肇庆换流站（山根站址）：2400万元（水运为主） 其它站址：3600万元（要加固多座桥梁；经过乡镇及村庄道路——修路 及排水工作量大，改造费用高；公路运输距离远——超重车辆道路补偿费 用高）
4∆α ⋅ Id 360 °
△α一般在0.2°~0.25°之间，即：△Idc在0.0022~0.0028Id之间。
b）双极变单极运行时，地电位不为零
I2/3 I2/3 I2/3
Hale Waihona Puke Baidu
I2 R1 U(r1)
I2 R2 U(r2)
在换流站或附近的变电站中性点直流电流的大小的影响因素包括： 1）与接地极的距离； 2）接地极周围的大地电阻率； 3）换流站及变电所的电位升高； 4）交流电网的构成及参数 等多方面的因素。
1—交流开关装置； 2—交流滤波器和无功补偿装置；3—换流变压器； 4—换流阀； 5—控制与保护装置； 6—平波电抗器； 7—直流开关装置； 8—直流滤波器； 9—电力线载波；10—接地极
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换流站的主要设备一般分布在以下区域：
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1、交流开关场区域； 2、换流变压器区域； 3、阀厅控制楼区域； 4、直流开关场区域。
H
i
t
t
直流偏磁
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② 直流偏磁下变压器铁心的过热、损耗增加、温升增加、引发局 部过热
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直流偏磁引起的励磁电流增加 , 对铁心拉板或支撑板的温升影响最大。芯式变压器 铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料 , 以获得足够的机械强 度。位于铁心表面的铁心拉板或支撑板 , 与铁心硅钢片的磁场强度相同 , 其厚度比 硅钢片的厚度又厚得多, 大的涡流损耗导致了拉板或支撑板温度升高。
b、每极2组12脉动换流单元串联； c、每极1组12脉动换流单元并联。
主要考虑的是直流系统一组换流单元故障时 对交流系统的冲击。采用 a ，换流器故障即 � （6）交流系统的要求。 极故障，若极的输送功率大，两端系统比较 弱时，换流器故障对交流系统冲击大。采用 � 在上述诸因素中，单个12脉动换流单元的最大制造容量和换流变压 b、c相对来说冲击小一些，但这并不是确定 器的制造及运输限制往往是确定每极换流器组数的决定性因素，有 每极多少个12脉动换流器的决定因素，因为 不论采用 a 还是 b 、 c ，直流系统单极故障总 时分期建设的要求和资金安排也会影响每极组数的确定。 会发生（只是后两者的概率低而已），交流 �由于每极 1 组 12 脉动换流器的方案具有接线布置简单、可 系统总是要承受单极故障的冲击
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四、直流开关场区域
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直流开关场区域主要布置了高压平波电抗器、 直流滤波器、过电压保护装置、直流测量装置 以及用于运行方式切换和故障清除所需的直流 开关装置，如低压直流高速开关(LVHS)、金属 回线转换断路器 (MRTB) 、大地回线转换开关 (GRTS)。
4.2 换流站主接线
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直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元有6 脉动换流单元和12 脉动换流单元两种类型，每个基本换 流单元主要包括换流变压器、换流阀、交直流滤波器、 控制保护设备、交直流开关设备等。
2 3 ia = I d cos(ωt ) − 1 cos(5ωt ) + 1 cos(7ωt ) − 1 cos( 11 ωt ) + 1 cos( 13ωt ) −⋯ 5 7 11 13 π
[
]
I d ' = I d + I ind cos( ω t + φ )
ia中有直流分量
d）换流器交流母线存在正序二次谐波电压，在直 流侧会出现 50Hz 的交流电压分量，从而导致换流 变阀侧电流中出现直流电流分量
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重要性：工程能否按期投产、建设进度是否受到影响，换流变的运输是一个 是否关键的因素。
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确定运输方案需考虑问题：取决于站址周围交通的情况及今后几年当地交通 发展的情况。
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有些方案表面上、客观上可行，但实际操作起来，就不可行，这方面的经验 教训实例太多。
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举例说明：例如：三常线宜昌龙泉换流站的2台换流变（铁路——水路—— 公路的大件运输方案）；三广线荆州换流站5台换流变（全程公路，后改为 半程公路——水运）。
正序二次 谐波电压 阀的开关动作 1）正 序 二 次 谐波电流 阀的开关动作 2）交 流 侧 直流电流 直流侧基频阻抗
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思考：
背靠背直流工程中换流变压器直流偏磁的原因？
（3）直流偏磁的危害
B
正负半波不对称的励磁电 流 , 不仅含有奇次谐波还 含有偶次谐波。 ① 直流偏磁引起半个周 波内的铁心过饱和 , 导致 磁致伸缩加剧 , 振动和噪 声增加。
Pd Q= ⋅ sin φ cos φ µ φ =α + 2
∆U = = 3 X π
Vd0 [cos α − cos( α + µ )] 2
C
⋅ Id
二 直流偏磁
B
（1）涵义
B i
i
H
t
H
t
t
t
交流中的铁芯饱和
直流偏磁
（2）直流偏磁的产生原因
a）各阀触发相位的间隔不等（触发角不平衡），使得阀侧绕组 的电流平均值不为零，有直流电流分量。
可能是由于交流系统电压不对称（等距离触发系统）； 这种不平衡： 晶闸管触发回路的触发误差； 同相两个阀触发信号光纤长度的轻微不同。 假定触发延迟角的误差为△α（可正、可负），最严重情况： V5向V1换相提前了△α α i3 i5 i1 i 5 α i1 i6 i2 α i4 α i 6 i2 V1向V3换相滞后了△α V2向V4换相滞后了△α V4向V6换相提前了△α 此时，在阀侧绕组所产生的直流不平衡电流为： ∆ I dc =
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 年 12 月 2009 2009年 12月
第四部分
直流输电换流站及 换流变压器
4.1 换流站概述
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在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流
一、交流开关场区域
�
交流开关场区域主要包括： 按主接线要求进行连接的换流站交流侧开关 设备、交流滤波器及无功补偿设备、防止设备免 遭过电压侵害的交流避雷器，为了对交流侧的电 流、电压等电气量进行监测，在这个区域里还装 设有交流测量装置。
二、换流变压器区域
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大容量高压直流换流站的换流变压器容量大、台数 多、占地面积较大。
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但是受制造能力及运输尺寸的限制，对于大型直流输电 工程，三相双绕组变压器、单相三绕组变压器以及单相 双绕组变压器也广泛应用。
（1）变压器与换流单元组合形式
(a) 一个换流单元—三相三绕组变压器
(b) 一个换流单元—三相双绕组变压器
变压器与换流单元组合形式
(c) 一个换流单元—单相三绕组变压器
(d) 一个换流单元—单相双绕组变压器
c
b
n1 m2
V3' V5'
Vd
负 载
V1'
a
ia△
i'1 i'4 ib△ i'3 i'6 ic△ i'5 i'2
V4' V6' V2'
c
b
n2
(a)
(b)
换流器接线图
（a）6脉动换流器；（ b）12脉动换流器
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每极的换流器接线始终是直流输电工程设计前期需要研究和论证 的课题。
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对于现代直流输电工程，论证的焦点集中在每极采用几组12脉动 换流单元，其可能的接线方式通常有三种：
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a、每极1组12脉动换流单元； b、每极2组12脉动换流单元串联； c、每极2组12脉动换流单元并联。
a、每极1组12脉动换流单元
b、每极2组12脉动换流单元串联
c、每极2组12脉动换流单元并联
每极采用几组12脉动换流单元主要与以下因素有关：
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（1）单个12脉动换流单元的最大制造容量； （2）换流变压器的制造及运输限制； a、每极1组12脉动换流单元； （3）分期建设的考虑； （4）可靠性及可用率； （5）投资考虑；
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本节主要介绍：
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1、换流器的接线； 2、换流变压器与换流器的连接方式； 3、交流滤波器的接入系统方式； 4、直流开关场的接线； 5、换流站特殊的接线方式。
A C B
V1 V3
m1
V5
Id
a
ia Y
i1 i4 ib Y i3 i6 ic Y i5 i2
V4 V6 V2
一、换流阀组接线
靠性高、投资省的特点，若制造商具备生产制造能力，且运 输通道不受限制，则应优选采用这种方案。
二、换流变压器与换流阀连接
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换流变压器的型式直接影响换流变压器与换流阀的连接 及布置。
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由于三相三绕组换流变压器具有接线布置最简单、投资 最省等特点，对于中小型直流输电工程，在条件许可的 前提下，总是优先采用。
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换流变压器阀侧套管插入阀厅的布置
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优点：
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（1）可利用阀厅内良好的运行环境来减小换流变压器阀侧套 管的爬距； （2）可防止换流变压器阀侧套管的不均匀湿闪； （3）可省掉从换流变压器到阀厅电气引线的单独穿墙套管。 （1）阀厅面积显著增大，增加了阀厅及其附属设施的造价及 年运行费用； （2）增加了换流变压器的制造难度； （3）换流变压器的运行维护条件较差； （4）换流变压器的备用相更换不方便。
电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对 安全稳定及电能质量的要求，换流站中应包括的主要设备 或设施有： 换流阀、换流变压器、平波电抗器、 交流开关设备、交流滤波器及交流无功补偿装置、 直流开关设备、直流滤波器、 控制与保护装置以及远程通信系统等。
1
2
3
4
5
6
7
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9
10
高压直流换流站典型构成图
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为了缩短换流变压器阀侧套管与阀厅之间的引线长 度，减少直流侧由于绝缘污秽所引起的闪络事故， 一般要求换流变压器靠近阀厅布置。
�
保护换流变压器的交流避雷器靠近换流变压器布置。
三、阀厅控制楼区域
�
阀厅与控制楼大都采用整体建筑结构。阀厅内安 装晶闸管换流阀及其相应的开关设备和过电压保 护设备。 在大多数高压直流换流站中，换流变压器的阀侧 套管都直接插入阀厅，以减少套管的污闪几率。 采用水作为冷却介质的晶闸管换流阀还安装了冷 却水管路。 阀厅的防火措施也值得重视。
c）直流输电线路周围有交流输电线路时，即使是对称运行 的，各相与直流线路距离不相等，感应出 50Hz 的交流电压 →直流线路流过50Hz的交流电流
???? 换流变绕组中为何流过直流电流？
对于线路上流过直流电流，则阀侧绕组提供的电流为有正有负的对称交流； 而现在线路上流过的是交流，则阀侧绕组提供的电流应该始终为一个方向的电 流，即为直流。！！！ 类似于逆变器的工作原理
（2）换流阀与换流变的接线
�
换流阀通常布置在阀厅（Valve Hall）内，对双极直流系 统，阀厅中间常常布置有主控室。 由于阀与换流变压器接线组合的差异，换流变压器与阀 厅的布置有不同的形式，归纳起来有三种：
� �
�
（1）换流变压器单边插入阀厅布置，可适用于各种接线方式； （2）换流变压器双边插入阀厅布置，可适用于每极两组 12脉动 换流器的情况； （3）换流变压器脱开阀厅布置，可适用于各种接线方式。
变压器与换流单元组合形式
(f) 两个换流单元并联—单相三绕组变压器 (e) 两个换流单元串联—单相三绕组变压器
选择组合方式的依据
到底采用哪一种？ 1）直流输电工程的容量、 2）换流器以及换流变的生产制造能力 以及 3）换流变运输尺寸的限制 来确定。
换流变的运输方案问题
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特点：一直是换流站工程建设中的一个难题，它前期调查工作量大、运输措 施费用大、运输时间长、影响面广、地方协调工作量大。
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缺点：
�
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4.3 换流变压器 .1 换流变压器功能与特点 4.3 4.3.1
�
换流器所用的电力变压器简称换流变，它和普
通的电力变压器结构基本相同，但由于换流变压 器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相 关，所以换流变压器在漏抗、绝缘、谐波、直流 偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器 有着不同的特点。