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為什麽采用高壓直流輸電?

來源:http://www.agt0.com/ | 發布時間:2017/4/16 22:00:00

  追溯曆史,最初采用的輸電方式是直流輸電,於 1874 年出現於俄國。當時輸電電壓僅 100V。隨著直流發電機製造技術的提高,到 1885 年,直流輸電電壓已提高到 6000V。但要進一步提高大功率直流發電機的額定電壓,存在著絕緣等 一係列技術困難。由於不能直接給直流電升壓,輸電距離受到極大的限製,不能滿足輸送容量增長和輸電距離增加的要求。19 世紀 80 年代末,人類發明了三相交流發電機和變壓器。 1891 年, 世界上第一個三相交流發電站在德國竣工。 後, 此 交流輸電普遍代替了直流輸電。隨著電力係統的迅速擴大,輸電功率和輸電距離的進一步增加,交流輸電遇到了一係列技術困難。
    大功率換流器(整流和逆變) 的研究成功,為高壓直流輸電突破了技術上的障礙,直流輸電重新受到人們的重視。 1933 年, 美國通用電器公司為布爾德壩樞紐工程設計出高壓直流輸電裝 置; 1954 年,建起了世界上第一條遠距離高壓直流輸電工程。之後,直流輸電在世 界上得到了較快發展,現在直流輸電工程的電壓等級大多為±275~±500kV, 投入商業運營的直流工程最高電壓等級為±600kV(巴西伊泰普工程),我國計 劃在西南水電送出的直流工程中采用±800kV 電壓等級。
   在現代直流輸電係統中,隻有輸電環節是直流電,發電係統和用電係統仍然 是交流電。在輸電線路的送端,交流係統的交流電經換流站內的換流變壓器送到整流器, 將高壓交流電變為高壓直流電後送入直流輸電線路。直流電通過輸電 線路送到受端換流站內的逆變器,將高壓直流電又變為高壓交流電,再經過換流 變壓器將電能輸送到交流係統。在直流輸電係統中,通過控製換流器,可以使 其工作於整流或逆變狀態。
我國目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電係統。 兩端直流輸電係 統主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成,
  兩端直流輸電係統可以采用雙極和單極兩種運行方式。
  在雙極運行方式中,利用正負兩極導線和兩端換流站的正負極相連,構成直 流側的閉環回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電係統的備用導線。正常運行時,直流電流的路徑為正負兩根極導線。實際上,它們是由兩個獨立運 行的單極大地回路係統構成。正負兩極在地中的電流方向相反,地中電流為兩極 電流之差。兩 極電流之差形成的電流為不平衡電流,由接地極導引入地。在雙極運行時,不平衡電流一般控製在額定電流的 1%之內。
   單極運行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運行方式。 在單極金 屬返回運行方式中,利用兩根導線構成直流側的單極回路,直流線路中的一根導線用作正 或負極導線,另一根用作金屬返回線。在此運行方式中,地中無電流 通過。在單極大地返回運行方式中,利用一根或兩根導線和大地構成直流側的單 極回路。在該運行方式中,兩端換流站均需接地,大地作為一根導線,通過接 地極入地的電流即為直流輸電工程的運行電流。
高壓直流輸電與交流輸電相比,具有諸多優點:
(1)高壓直流輸電具有明顯的經濟性。輸送相同功率時,直流輸電線路所用線材僅為交流輸電的 1/2~2/3。直流輸電采用兩線製,與采用三線製三相交流輸 電相比,在輸電線路導線截麵和電流密度相同的條件下,若不考慮趨膚效 應,輸送相同的電功率,輸電線和絕緣材料可節省約 1/3。
   如果考慮到趨膚效 應和各種損 耗,輸送同樣功率交流電所用導線截麵積大於或等於直流輸電所用 導線截麵積的 1.33 倍。因此,直流輸電所用的線材幾乎隻有交流輸電的一半。 另外,直流輸電 線路的杆塔結構也比同容量的三相交流輸電線路的簡單,線路 走廊占地麵積也大幅減少,但是,直流輸電 係統中的換流站的造 價和運行費用要比交流輸電係統變電站的高,當輸電距離增加到一定值後,直流輸電線路所節省的費用剛好抵償了換流站所增加的費用, 此時這個輸電距離即被稱為 交流輸電與直流輸電的等價距離。如果把交流輸電 和直流輸電兩種輸電方式在輸送一定功率時,所需的費用和輸電距離之間的關係 兩曲線交點的橫坐標就是等價距離。
 
(a)交流輸電線路走廊;(b)直流輸電線路走廊

(a)總投資與線路距離的關係;(b)架空輸電線路的損耗
(2)在電纜輸電線路中,高壓直流輸電線路不產生電容電流,而交流輸電線路存在電容電流,引起損耗。在一些特殊場合,如輸電線路經過海峽時,必須 采用電 纜。 由於電纜芯線與大地之間構成同軸電容器, 在交流高壓輸電線路中, 空載電容電流極為可觀。而在直流輸電線路中,由於電壓波動很小,基本上沒有電容電流加 在電纜上。
(3)采用直流輸電時,線路兩端交流係統不需同步運行,而交流輸電必須同步運行。 采用遠距離交流輸電時, 交流輸電係統兩端電流的相位存在顯著差異; 並網的 各子係統交流電的頻率雖然規定為 50Hz,但實際上常產生波動。這兩種 因素導致交流係統不同步, 需要用複雜而龐大的補償係統和綜合性很強的技術加 以調整,否則就可能在設備中形成強大的環流而損壞設備,或造成不同步運行 而引起停電事故。采用直流輸電線路將兩個交流係統互連時,其兩端的交流電網 可以按各自的頻 率和相位運行,不需進行同步調整。
(4)高壓直流輸電控製方便、速度快,發生故障的損失比交流輸電的小。兩個交流係統若用交流線路互連,則當一側係統發生短路時,另一側要向故障側 輸送短路 電流。 因此, 將使兩側係統原有斷路器切斷短路電流的能力受到威脅, 需要更換斷路器。若用直流輸電將兩個交流係統互連,由於采用可控矽裝置,電路功率能迅 速、方便地進行調節,直流輸電線路向發生短路的交流係統輸送的 短路電流不大,故障側交流係統的短路電流與沒有互連時幾乎一樣。因此不必更 換兩側原有開關及載流設備。
(5)在高壓直流輸電工程中,各極是獨立調節和工作的,彼此沒有影響。所以,當一極發生故障時,隻需停運故障極,另一極仍可輸送至少 50%的電能。 但在交流輸電線路中,任一相發生永久性故障,必須全線停電。
高壓直流輸電也有其缺點:
(1)直流換流站比交流變電站的設備多、結構複雜、造價高、損耗大、運行費用高;
(2)諧波較大;
(3)直流輸電工程在單極大地回路方式下運行時,入地電流會對附近的地下金屬體造成一定腐蝕,竄入交流變壓器的直流電流會使變壓器噪聲增加;
(4)若要實現多端輸電,技術比較複雜。
由上可見,高壓直流輸電具有線路輸電能力強、損耗小、兩側交流係統不需 同步運行、發生故障時對電網造成的損失小等優點,特別適合用於長距離點對點大功率輸電。而采用交流輸電係統便於向多端輸電。交流與直流輸電配合,將是 現代電力傳輸係統的發展趨勢。