高电压技术在直流输电中的应用高电压课程设计

高电压与绝缘技术

(课程设计)

题目：高电压技术在直流输电中的应用专

业：电气工程及自动化

学号：

姓名：

目录

摘要 (2)

Abstract (3)

第一章高压直流输电背景 (4)

1.1满足大规模、远距离、高效率的传输要求 (4)

1.2保护环境 (5)

1.3提高能源输送的保障能力 (6)

第二章高压直流输电的构成 (7)

2.1 高压直流输电的概念 (7)

2.2 高压直流输电的特点及其适用的场合 (7)

2.3 高压直流输电的分类 (9)

第三章高电压技术在直流输电中的应用 (11)

3.1直流输电系统的绝缘 (11)

3.2直流系统中的过电压及绝缘配合 (12)

3.3 直流接地 (13)

总结及感想 (14)

参考文献 (15)

摘要

随着经济快速发展高压直流输电系统变得越来越具有吸引性和经济性。尤其是沿海东部地区需求日益增加，但是东中部地区煤炭资源逐渐枯竭，而西部地区煤炭资源以及水资源丰富，采用高压直流输电可以在西部地区建设发电厂将西部的煤炭、水资源转换成电能远距离输送到东中部。高压直流输电因为其远距离传输经济性、互联性、控制性受到广泛应用，高压直流输电对交流系统故障及其敏感，故障的产生会造成换整流站和逆变站的严重问题，可能会造成直流功率的传输中断。高电压技术在直流高压输电中起着重要的作用，它渗透直流输电的很多方面,成为直流输电技术中不可缺少的一部分。虽然交流系统中有关高电压技术的一些结论和研究成果也可以被借用、移植到直流系统中来,但是直流系统中的某些特殊问题,如绝缘子的集污效应、绝缘子和接地体的电化学腐蚀、离子流场分布、直流电场的生态效应以及绝缘介质交、直流抗电强度的等价等都是有待于深入研究的新课题。本文分析了直流输电系统中关于高电压技术的应用，将其发生故障时可能造成对电力系统的影响做出解决的方法。

关键词：1.直流输电系统；2.高电压技术；3.高压直流输电

Abstract

With development of economics high voltage DC (HVDC) transmission system have become more attractive and economical in special situations especially in east region needs more and more. But resources of coals in west and midland consumes nearly exhaustion. resources coals and water in west are rich. Using High Voltage Direct Current (HVDC) technology can make use of coals and water resources transforms power energy west into east and midland. The advantages of economy interconnection control in HVDC can be use widespread. High-voltage direct current transmission the failure of the communication system is extremely sensitive. It can cause Rectifier station or the inverter serious problems. These problems may result in interruption of DC power transmission。In the HVDC system are analyzed in this paper about the application of high voltage technology, its failure may cause influence on the power system solution.

Keyword: 1. DC transmission system; 2.High voltage technology ；

3.High-voltage direct current transmission

第一章高压直流输电背景

1.1满足大规模、远距离、高效率的传输要求

在电力系统中，将负荷和发电厂连接起来的总称。电力系统作用是将自然界的煤炭、天然气、太阳能、风能等能源经过发电设备转换成电能的总称，然后将电能经过架空线路、电缆等输送到负荷侧供用电设备和负荷使用，电能不论在日常生活中还是在国家发展中扮演着越来越重要的角色，毫不夸张的说，没有电，我们什么也干不了。

近年来，伴随着中国经济实力发展快速增长，国家电网规模也随之扩大，电力系统的运行间电压等级不断提高，全国已经形成了以地理分区为划分依据的大型电网，基本形成了以长距离为输电线路的电网。

许多国家都存在能源资源和负荷中心不均匀的现象，用电负荷中心地区经济发展快，用电负荷大且用电需求大的特点。比较缺乏的一次能源，而一次能源地区用电增长相对缓慢或总体用电水平较低。这种能源和负荷的不均匀是由能源资源地理位置分布所决定的，也是由经济发展状况所决定的，所以可光上要求我们进行电力大规模、远距离、高效率的传输。

我国能源分布布局是西部地区煤炭资源较为丰富，南部地区水资源蕴含量发达。能源资源和负荷中心分布不均匀的特征明显，中国正在处于发展的关键时期，电力需求增长较快，需求中心也将处于东中部，而煤炭资源开发正逐步西移、北移，水能资源开发正在正向西南地区转移，风能、太阳能新资源也主要分布在西部、北部地区，未来能源流和距离将进一步增大，应地制宜合理开发本地区能源对于国民经济有着很大的好处，但是我国现在能源消耗的布局是东部地区需求较为大，使用陆地、火车等交通工具将西部的煤炭资源运送到东部地区显然成本过高，因此，采用在西部、南部地区建设发电厂，经过长距离输电线路输送的负荷出变的越来越受到青睐。电力生产和消费地区不均衡的情况更加突出，电力输送压力日益增加，迫切要求实现经济高效的大规模送出和大范围的消耗。

与高压输电技术相比，高压直流输电具有在同等条件下容量大、适合长距离、输电中途消耗少的优点，火力发电缺点是消耗煤炭资源排放污染物，为了实现我国

能源布局和人口稠密地区环境统筹发展，在西部地区人口较少地区和煤炭等资源较近的地区建立发电厂经过远距离传输不论是从经济性还是在环保方面的优点毋庸置疑。

1.2保护环境

我国正处于经济快速增长和工业化过程的中期，传统化石能源的开采与消费给我国带来了较为严重的生态环境，尤其是较为经济发达的东中部地区更为突出，中国104个重酸雨城市全部分布在东中部地区；西部地区的环境明显比东部沿海地区好的多，在生产企业较为集中的地区二氧化硫、氮氧化物等污染物排放量超过全国平均20倍。近年来东中部地区经常性出现雾霾天气，尤其是PM2.5严重超标，特别是京津冀、长三角、华中地区污染极为严重。尤其是进入到冬春季北方城市供暖时，大量可吸入颗粒、二氧化硫等污染物排放显著增加，造成了该地区城市的居民们在冬季看不到蓝天白云，取之而代的是烟雾蒙蒙的感觉。随着人们的环保意识越来越强，城市居民们更加渴望蓝天、白云、清水的美好自然环境。

人们在保证自己的日常基本需求时更加希望能够为环境保护做出自己应有的贡献，加快转变能源和电力方式，统筹考虑东西部环境承载能力。特别是近些年来重点城市冬春季出现的大范围的雾霾天气更是增强了人们对于美好环境的要求。

从我国的能源格局来看，现在处于较高比例的仍然是以煤炭作为发电主力，其它能源占一部分的格局。发展高压直流输电，推动风能、太阳能、水能等清洁能源发展和煤电布局优化发展。在我国资源分布不均匀的环境下实现合理配置资源、环境等不可再生资源，充分利用好不可再生资源、可再生资源。

我国为了实现清洁能源高效的利用充分发展高压直流输电技术。力争到2020年，我国跨地区风电、太阳能等清洁能源输送规模将达到100GW,风电、水电、太阳能等清洁能源的输送促进高压直流输电技术发展，同时也促进相关产业快速发展，降低风能、太阳能、水电等可再生资源发电成本。减少弃风，弃水的比例。

发展以煤炭制天然气技术，不仅可以让煤炭资源得到充分的利用，而且还可以让天然气运用到发电厂中，减少因煤炭燃烧带来的环境问题。可以减少发电厂

对于煤炭资源的依赖，当前中东部地区因为人口密度较大、资源消耗几乎殆尽的局面。将西部地区的煤炭资源、水资源经过发电厂发出电能通过高压直流输电传送到东中部地区，不仅可以缓解当地火力发电带来的环境问题，而且还可以促进西部地区经济发展。可谓是一举两得的好政策。

1.3提高能源输送的保障能力

我国的能源格局让我们只能以煤炭资源作为主要能源输出。输煤和输电是能源输送的两种方式，两者在中国资源节约型、环境友好型建设中均可以发挥巨大的作用。

长期以来，基于各省自我平衡为主的电力发展思路，以及煤炭供应越来越依托晋陕蒙宁新等地区煤炭“搬运”至中部地区煤炭运输状况，特别是冬季北方降雪和气温偏低等极端自然环境下陆地运输煤炭的紧张情况反反复复，严重困扰东中部地区电力的稳定供应。

我国煤炭资源主要集中在西部、北部地区，而东中部地区因为开采时间长，不仅在煤炭资源的容量上越来越少，而且煤炭的品质也越来越差。实现高压直流输电不是简单意义上的取代陆地、铁路运输的措施，而是在合理优化配置资源。实现输煤输电一起走的战略思想实现各个部分吸收互相的优点，补充相互不足的地方，真正做到扬长避短。实现能源多渠道供应的措施可以增加东中部地区供电可靠性，东中部地区发展的同时也带动了西部地区经济技术的发展。

第二章高压直流输电的构成

2.1 高压直流输电的概念

采用电力电子技术中的交/直，直/交变换是实现高压直流输电的基础，在电力系统中，交流电、直流交换站、长距离输电线路、交流交换站、交流电是高压直流输电的主要组成部分。通俗的讲，将发电厂、直流交换站、输电线路、交流交换站、负荷就是将我们在大学三年级学习的电力电子技术和电力系统稳态、暂态分析等专业课知识应用到实践的一个最好的例子。晶闸管（半控型器件）应用到实际的换流站（直流交换站、交流交换站）这种技术最为普及。近些年来采用新型技术（全控型器件）到高压直流输电技术中。因为高压直流输电涉及的知识繁多，所以在电力系统中任意一部分出现故障都有可能对整个系统带来影响。

2.2 高压直流输电的特点及其适用的场合

直流输电由于自身的结构和性能，具有一系列的特点：

（1）经济性

科学技术日新月异，电力电子技术也不例外。我们在考虑同等条件下经济性这一个主要的指标就更加的重要。因为在保证系统正常运行的前提下，采用投资省在工程中显得尤为突出。直流换流站和交流换流站的先期投资较大，但是在超过一定距离的情况下直流输电线路比交流输电线路经济性要好的多。在同等条件下，直流输电比交流输电输送容量、线路损耗、传送距离远的特点使得高压直流输电得到越来越多的利用。通常规定，当直流输电线路和换流站的造价与交流输电线路和直流换流站的造价相等时输电距离为等价距离，工程上认为600—700km为架空线路的等价距离，20—40km电缆线路等价距离。

(2) 互联性

各个交流系统相互之间联网，其容量也随之增加，但是这样会带来交流短路容量不断扩大，变电站等用电场所不得不更换和增加断路器，而断路器随着交流输电电压等级的提高选择型号会变得越来越困难。采用交流系统和直流系统相互连接的措施，不仅不会带来短路容量的增加，而且还可以在系统出现故障的时候

有选择、快速、灵敏的切断故障。以防出现重要用电用户突然停电而带来的生命财产上损失。在我国交流电力系统之间采取直流连接的方式可以增加系统间的稳定性。

交流输电需要考虑两侧的同步问题，但是直流输电两侧不用考虑同步问题，直流输电可以进行不同频率的直流电网和交流电网相互连接，可以将模拟量转换成数字信号以提高抗干扰的能力。

（3）控制性

潮流可控制且快速变换性是直流输电的优点之一，交流系统频率不随时间发生变化的能力也会大幅度增加。高压直流输电换流站的基本原理就是以电力电子技术为代表的整流和逆变这一过程。其作用在电力系统中的潮流快速控制中精确性大大增强。其精度也较以往好的多。对于两端连接的高压直流输电来说，当其中的一方出现故障时候，系统能够快速稳定的来实现潮流的转换，使的故障一方能够在负荷不停电的前提下（经过备用母线）来实现故障的快速查找与排除。潮流转换的过程往往是在瞬间完成的，这就要求我们在设计潮流转换的过程中药考虑到可能带来的对于高压直流输电系统对各个元器件的承受能力，要事先查阅相关资料并且做出最优方案，并且要对极端事故做出合理的规划，为出现的紧急事故抢修流出一定的裕量。且潮流翻转的速度主要取决于两端交流系统对直流功率变化速度的要求，以及直流输电系统主回路的限制。其在出现故障时转换的时间约为200—500ms。

（4）缺点

凡事都是有利有弊的，当然高压直流输电也存在着这样那样的问题。比如说是换流站其中的晶闸管较多，其中晶闸管出现因为管子老化、出现散热不及时的问题等是避免不了的，这就要求我们在日常的工作中及时发现问题去记录解决问题。以后出现同样的问题就知道该怎么去解决。直流输电同样也会带来消耗的无功功率较大，合理利用无功补偿装置去补偿这部分的损耗同样也是我们要在实际中去考虑的。非线性元件设备在换流器中同样使用也会带来谐波的产生，不仅影响通信设备，还会造成对于电能计量设备的计量有偏差。考虑到这篇文章里面涉及题目的要求是高压直流输电，对于谐波的影响可以用交流、直流滤波器来解决这个问题。另外由于高压直流输电线路较长，而换流站选址一般为20—60km之间，所以在合理选择换流站的地址也是非常重要的，因为各种土壤之间的电阻率

是不尽相同的，在前期地址选择的时候要去实地考察该地区土壤间的电阻率。确保换流站接地能够安全稳定的运行。

2.3 高压直流输电的分类

借助换流阀的开通和关断、高压直流输电直流侧和交流侧的连接方式可以有以下的分类方式。

（1）高压直流远距离输电如图1.1所示，目的是为了实现经过电力电缆将陆地的电能向岛屿输送电能。能源中心向负荷输送电能可以采用这种输电方式。采用这种输送方式可以将电能向一个或者两个负荷输送。由发电厂将发出的电能经过线路输送到用电终端，当岛屿用电量偏大的时候需要用到同时直流输电的模式。因为采用这样的直流输电模式，所以可以将交流换流器和直流换流器采用一样的结构，整流器和逆变器都可以采用一样的换流器来使用。

图1-1 高压直流远距离输电模型图

（2）背靠背直流输电如图1.2所示。为了防止电流在系统出现故障的时候对系统产生不利影响，采用平波电抗器与三绕组换流变压器并联连接的方式，因为换流器在同一工作地点，所以可以在系统故障时快速实现潮流转换的过程。对于交流系统的功率和频率有很大的优点。

图1-2 背靠背直流输电接线图

（3）直流、交流并联输电模式图1.3所示为该模式的接线图，采用交流、直流同时作用于交流系统两端的方式，直流输电可以解决交流输电带来的稳定性问题，实现交流直流之间优势互补。在输电的途中还可以设立落点，解决负荷用电的要求。

图1-3 交、直流并联送电方式

（4）直流、交流相互送电交流线路中同时传送直流电，原交流输电线路同时输送交流和直流电能，线路传输的能力增强。如图1.4所示.交、直流叠加送点方式，直流输电的特点之一是系统的功角稳定得到提高，输送容量也大幅度增加，交流输电可以在途中设立落点给予负荷使用。

图1-4 交、直流叠加送电

第三章高电压技术在直流输电中的应用

高电压技术在直流高压输电中起着重要的作用，它渗透直流输电的很多方面,成为直流输电技术中不可缺少的一部分。虽然交流系统中有关高电压技术的一些结论和研究成果也可以被借用、移植到直流系统中来,但是直流系统中的某些特殊问题,如绝缘子的集污效应、绝缘子和接地体的电化学腐蚀、离子流场分布、直流电场的生态效应以及绝缘介质交、直流抗电强度的等价等都是有待于深入研究的新课题。总之,直流输电中的高电压技术是一门发展中的新技术,需要进一步完善和发展。

3.1直流输电系统的绝缘

一、外绝缘

直流绝缘子在污秽和腐蚀两方面都比交流绝缘子严重。由于各种原因,包括直流高压导线上的电晕放电产生的空间电荷会使大气中的尘埃带电,成为荷电微粒。由于静电吸尘作用,带异性电荷的微粒将移向导线,附着在导线和绝缘子上。实验证明,直径为1-10um的荷电微粒,最易受到电场力的吸引而污染绝缘子,因此,直流下绝缘子的积污严重,且在真流下绝缘子上下表面积污的不均匀程度,也较交流为高。

另一方面,绝缘子和绝缘子串在交流下的电压分布一般取决于电容,污秽严重时也取决于电导,而直流下的分布总是取决于电导。由于污秽和潮湿的不均匀导致直流下绝缘子电压分布很不均匀。所以污秽和潮湿较易引起直流绝缘子闪络,因而对直流外绝缘应采取有力的防污措施。目前采用的防污措施有以下两个方面:

1.加大爬距,采用大爬距绝缘子。

例如普通悬式绝缘子 X-4.5的爬距为280mm,而大爬距绝缘子XFP一4.5的爬距增大为400mm。

2.在污秽区的绝缘子表面涂硅油。

近年来,以硅橡胶和玻璃纤维为主要材料的合成绝缘子在国内外得到了发展。由于硅橡胶材料天然的憎水性,合成绝子具有良好的抗污性能,特别适用于直流

线路,所以,这种绝缘子已在国外的高压直流线路上大量采用( 如美国太平洋联络线等 )。

直流绝缘子在受潮条件下,随着泄漏电流增大,绝缘子的金属部分会受到电化学腐蚀,尤以正极性线路上绝缘子的铁脚受到的腐蚀最为严重。腐蚀的结果不仅使铁脚变细,机械强度降低,而且在化学反应过程中产生的化合物由于体积膨胀而使瓷件破裂。在国外曾发生多次因绝缘子腐蚀造成系统的严重事故。所以,直流绝缘子的腐蚀问题已受到人们的重视。

二、内绝缘

由液体和固体介质组成的电气设备内绝缘,都具有相当高的短时抗电强度,例如,油纸绝缘比空气高30多倍。但在长期电压作用下,抗电强度却显著降低,其主要原因在于局部放电的作用。一般来讲,直流电压下局部放电的影响比交流电压下小得多,但仍然使油纸绝缘的抗电强度降低3 一4倍。

3.2直流系统中的过电压及绝缘配合

直流系统中的过电压由以下几个途径产生

一、来自交流系统的雷电和内部过电压

主要通过换流变压器绕沮之间的静电藕合和电磁摆合进入直流系统。一般来讲,过电压的幅值和陡度都受到限制,不会对直流系统造成很大威胁。

二、直流线路产生的过电压除了由雷击引起的大气过电压以外,主要是直流线路的操作和极接地故障引起的内部过电压。当换流、逆变两端换流阀的触发控制失灵而造成空载全电压合闸时,会引起幅值很高的操作过电压。研究结果显示线路末端和首端直流母线上的最大过电压幅值分别可达2.4 倍。

三、换流站内部产生的过电压换流阀在正常运行及故障情况下都会产生波形和幅值都极不相同的过电压。主要有以下几种：

1.换流振荡过电压。由阀在截止时的振荡过程产生,幅值约1.2一 1.4倍。

2.母线接地引起的过电压。由交流母线接地产生陡度很大的衰减振荡过电压,幅值由接地点的位置决定。

3.桥臂短路路过电压。由桥臂短路使阀阻断引起振荡,可在直流母线上产生2倍过电压。

4.载流过电压，由避雷器动作、断线或汞弧阀离子衰竭等原因造成截流过电压。由于系统中存在较大电感的元件,如平波电抗器,所以截流过电压的幅值可能很高。

换流站普遍采用氧化锌避雷器实现绝缘配合。氧化锌避雷器的最大连续运行电压( MCOV )按安装地点最大的稳态电压, 一般按系统最高电压确定。额定电压按安装点的暂时过电压及其持续时间选取。此外,还要考虑避雷器的最大通流容量。

直流线路绝缘配合主要在于确定空气间隙和绝缘子串。空气间隙按过电压选择。由内过电压决定尺寸,然后用大气过电压校核。过电压倍数一般取 1.8。

绝缘子的选择原则是,爬距由最大直流工作电压决定, 空气间隙长度由内部过电压决定。

3.3 直流接地

利用大地作为回路实现单极运行可以节省投资和降低损耗。常用于直流线路建造初期作为过渡运行方式, 或者双极线路, 当一级故障时的临时运行方式。因此, 直流接地在直流系统中起着重要的作用。

为了降低接地电阻和接地极电位,往往将接地极埋在海岸附近, 甚至海底, 以利用海水很低的电阻率 ( 约为陆地的数百分之一)。大量的负荷电流入地, 势必给地下及地面环境造成不良后果,如对地下金属物的腐蚀、土壤发热、谐波干扰、跨步电势以及对渔业和航海业的影响等。为了减少地中电流对换流站内金属管道的腐蚀及其它影响,换流站的直流接地极应远离换流站8 一50km 以外。接地引线也应采用对地绝缘的架空线。阳极腐蚀是一个严重的问题。某工程当负荷电流为l000 A 时,每年阳极因腐蚀而造成的损失竞高达 9t, 因此, 常在阳极周围填充焦炭或采用耐腐蚀材料如石墨等。接地网可采用封闭形 (园形或方形) 或放射形两种,前者适用了平垣地区,后者则适用于山区岩石地带。

总结及感想

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高电压技术方面的知识，同时对高压直流输电也有了一定的了解。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

在此过程中，我不断发现错误，不断改正，通过查阅相关资料解决了很多问题，学到了很多知识。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。