摘要：目前直流输电主要应用在远距离直流输电、海底输电和非同步联络站。直流输电系统主要有2 种运行方式:单极运行方式和双极运行方式。直流高压开关在双端直流系统很少使用,在低压侧(中性线) 使用一些低压断路器和开关,在高压侧为了维修使用很多隔离开关和接地开关。
关键词：直流输电 开关设备 整流站 逆变站
1 直流输电简介
直流输电历经直流发电机、汞弧阀换流器和可控硅换流器3 个时期。70 年代后大功率可控硅研制成功,电子和计算机技术的迅速发展从根本上改善了直流输电控制特性,提高了运行的可靠性,有着交流输电不可取代的优点, 因而在世界上日益获得广泛应用。目前主要应用在以下3 个方面:
1. 1 远距离直流输电
交流长距离输电的传输容量受到同步运行稳定性的限制,而由于直流输电线路的直流损耗小,没有无功损耗, 直流输电不受此限制, 输送容量可以很大,因此更为经济可靠。
1. 2 海底输电
用电缆从大陆向岛屿送电,如采用交流输电,其电容电流特别大, 末端电压高到人们无法接受的程度,因此交流电缆送电受到电缆长度的制约。而直流输电无此问题。
1. 3 非同步联络站
可以连接频率和电压不同的2 个交流网络, 联络站有时称之为“背靠背”装置, 即整流站和逆变站间没有线路。联络站平时可以传输调配2 个网络之间的功率,任一交流网络短路故障情况下,由于联络站的隔离作用,不至于严重波及到另一个网络,同时避免了大的短路电流值, 减小了对开关开断能力的要求。所以直流输电技术在交流电力系统的联网及其分割功能将充分发挥作用。
2 直流输电系统的运行方式
目前直流输电系统主要是两端系统, 即一端是整流站,另一端是逆变站,主要有2 种运行方式:
2. 1 单极运行方式
2. 1. 1 单极大地运行方式
如图1 (a) 所示,只有1 根导线,1 种极性。直流电流由整流站经导线至逆变站再经由大地(或海水)返回。因只需1 根导线, 具有结构简单、操作方便、投资小等优点。其不足之处是大地电流所经之处,埋于地下或放置在地面的管道和金属设施都会发生电腐蚀,有时还会对附近的磁性罗盘和通讯等产生不良作用。
2. 1. 2 单极金属回线运行方式
如图1 (b) 所示,有2 根金属导线构成回路,其中用1 根电压较低的导线代替了大地(或海水) 作为回路,这就避免了上述大地返回方式金属腐蚀等问题。但是,很明显2 根导线会使线路投资增大,操作也变得复杂,同时导线电阻往往要比大地电阻大,导致线路损耗增大。
2. 1. 3 单极金属线运行方式
参看图1 (c) ,2 根金属线并联作为高压导线,返回线仍为大地(或海洋) 。这种运行方式回路电阻要比1 和2 都小,但也存在方式1 的不足之处。
2. 2 双极运行方式
参看图2 ,双极运行方式可以看作2 个单极系统合成的结果,大多数情况下,两端换流站的中点直接通过地极接地。当两极对称运行时, 流过正极的电流Id + 和流过负极的Id - 在大地(或海洋) 中抵消,可以看成是沿正极和负极运行的Id 。当两极不对称运行时(如触发角α不完全相等) , Id + 和Id - 不相等, 在大地(或海洋) 就有不平衡电流Id + + Id - 流过,有专门的调节器可控制其数值到额定值的1 %左右,使金属腐蚀降到最小程度。
双极运行的最大优点是不仅输送功率大, 而且可靠性高,当1 极发生故障, 健全极仍能以大地(或海洋) 为回路输送一半的功率至对方,不至于使受端冲击太大而崩溃。
3 直流输电开关设备
目前绝大部分直流输电系统都是双端系统, 在高压直流线路上采用高压直流断路器不会有特别好处。当直流系统发生故障如直流线路短路时, 由于线路电容对地放电, 使短路点弧道电流和流过整流器的电流都有一个过冲, 但其幅值仅为额定电流的2～3 倍。直流系统两端换流站都带定电流控制调节器能在几十个ms 内将整流侧电流降到额定值,逆变侧可降到0. 85～0. 9 倍额定值, 而短路点稳态电流可以控制在额定电流以下。为了消除短路故障,定电流调节器整流侧加大α角,约110°,处于逆变状态运行,而逆变侧限制β角在80°左右,直流电压非常低,这时两侧都处于逆变状态运行,能使线路上的能量在0. 2～0. 5 s 范围内尽快被返送到交流系统中去,让闪络故障充分游离,绝缘恢复到能承受正常电压时,进行自动再启动,对架空线而言大多数情况下可获得成功。若为永久性故障,启动后,故障检测和控制调节器再次动作,使线路再次去除能量并停机。
消除直流故障和再启动, 相当于交流系统断路器的故障跳闸与自动重合闸, 并且直流线路再启动是按指数缓慢上升,不会发生电压大幅度冲击,必要时可以使再启动电压降低到额定值的50 %～70 %, 运行一段时间待系统平稳后再升至额定电压。实际上直流系统除桥臂短路外各种类型故障都可以通过控制系统的各调节器得到比较有效的抑制并消除。桥臂短路故障也可以采用迅速跳开交流开关等措施来补救。目前直流高压开关大都从交流开关改造而成, 交流开关本身就很复杂, 为了断开直流,尚需加入强迫电流过零的装置, 其中包括电容器、电抗器和非线性电阻等,且都需要用绝缘支柱支起,承受高电位,结构很复杂,成本高,技术上也不够规范,因此,在双端直流系统中很少使用。但是在运行中为了改变运行方式以及清除返回线及接地线等故障,在低压侧(中性线) 使用一些低压断路器和开关。此外,在高压侧为了维修使用很多隔离开关和接地开关。
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