直流输电线路

直流输电部分

从1954年瑞典果特兰岛高压直流输电工程投入工业化运行以来，全世界投入运行的高压直流输电工程总数已超过100个，总容量超过70000MW。其中±(450~600)kV直流输电工程有20多个，包括我国的葛洲坝—南桥、天生桥—广东、三峡—常州、三峡—广东、贵州—广东1回、三峡—上海、贵州—广东2回等，总的输送容量超过18000MW，已成为世界直流输电第一大国。1-1直流输电的基本原理直流输电的基本原理如图1．1所示，它表示一个简单的直流输电系统。图1．1简单直流输电系统原理图设整流站CS1的直流输出电压为，逆变站CS2的直流输入电压为，则从图1-1可知直流线路电流为：或直流线路和交流线路不同，它只输送有功功率，不输送无动功率。换流站CS1送到直流线路的功率和换流站CS2从直线路接受的功率分别为：两者之差，即为直流线路的损耗。1-2直流输电系统的分类由于目前各种类型的直流断路器都还处于研制阶段，致使直流输电系统还不能像交流系统二样构成各种复杂的网络，所以目前直流输电也大多是两端供电系统。该系统常见的接线类型如图1．2所示图1．2两端直流系统的接线方式一、单极线路方式1、单极线路方式是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成的直流输电系统，如图1．2(a)所示，要注意接地电极的材料之埋设方法和对地下埋设物的腐蚀以及对地下通讯线路、航海罗盘的影响等问题,通常用正极接地的方式较多。2、单极两线制方式(或称同极方式)，是将返回线路用一根导线代替的单极线路方式。单极两线单点接地是将导线任一根在一侧换流站进行单点接地，如图1．2(b)所示。这种方式避免了电流从地中或海水中流过，又把某一导线的电位箝位到零。其缺点是当负荷电流在流过导线时，要产生不小的电压降，所以仍要考虑适当的绝缘强度。这种方式大多用于无法采用大地或海水作为回路以及作为双极方式的过渡方案。二、双极线路方式双极线路方式有两根不同极性(即正、负极)的导线，可具有大地回路或中性线回路，现分述如下：1．双极两线中性点两端接地方式这种方式如图1．2(c)所示，将整流站和逆变站的中性点均接地，双极对地电压分别为+V和-V。正常运行时，接地点之间没有电流通过。实际上，由于两侧变压器的阻抗和换流器控制角的不平衡，总有不平衡电流以大地作为回路流过。当一线路故障切除后，可以利用健全极和大地作为回路，维持单极运行方式。2．双极中性点单端接地方式这种运行方式在整流侧或逆变侧中性点单端接地，正常运行时和上述方式相同。但当二线故障时，就不可以继续运行了。3．双极中性线方式将双极两端的中性点用导线连接起来，就构成双极中性线方式，如图1．2(d)所示。这种方式在整流侧或逆变侧任一端接地，当一极发生故障时，能用健全极继续输送功率，同时避免了利用大地或海水作为回路的缺点。这种方式由于增加了一根导线，在经济上将增加一定的投资。4．“背靠背”换流方式没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背’’换流站。这种方式适用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统之间的互联。1-4直流输电的优缺点

一、输送相同功率时，线路造价低二、线路有功损耗小三、适宜于海下输电四、没有系统的稳定问题五、能限制系统的短路电流六、调节速度快，运行可靠直流输电与交流输电相比，也有如下缺点：1．与交流变电站相比，直流换流站的建设费用要高得多。

2．换流装置要消耗大量的无功功率(详见其它资料)。

3．换流装置是一个谐波源，在运行中要产生谐波，影响系统的运行，所以需在直流系统的交流侧和直流侧分别装设交流滤波器和直流滤波器，从而使直流输电的投资增大。

4．换流装置几乎没有过载能力所以对直流系统的运行不利。

5．由于目前高压直流断路器还处于研制阶段，所以阻碍了多端直流系统的发展。

6．以大地作为回路的直流系统，运行时会对沿途的金属构件和管道有腐蚀作用；以海水作为回路时，会对航海导航仪表产生影响。根据以上优缺点，直流输电适用于以下场合：(1)远距离大功率输电。(2)海底电缆送电。(3)不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络。(4)用地下电缆向大城市供电。(5)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一。(6)配合新能源的输电。第4节特高压直流输电线路技术

1前言特高压输电线路具有电压高、导线大、铁塔高、线路走廊宽、造价高等特点，其气象条件的确定原则、导线选型、绝缘配合及空气间隙、绝缘子串选犁、杆塔方案及荷载、基础、对地距离及交文跨越要求、电磁环境要求等主要技术原则、指标与500kV线路有很大差异。为此，需要确定800kV直流线路工程主要设计技术原则，指导特高压直流线路工程设计。有必要对导线选型及分裂形式研究、绝缘配合研究、绝缘子串研究、对地及交叉跨越距离配合研究、杆塔方案及荷载研究、线路申磁环境影响研究等。

2我国在建800kV直流输电工程简介根据统一规划，国家电网公司在西南水电送出工程中拟采用800kV特高压直流输电技术。国家电网公司即将建设向家坝一上海、锦屏—苏南、溪洛渡一浙西等+800kV直流工程。向家坝—上海800kV直流输电示范工程输送容量6400MW，额定电流4000A。锦屏一苏南±800kV直流输电工程输送容量7200MW，额定电流4500A。第4节特高压直流输电线路技术

3线路路径选择原则从四川的国家西电东送的水电基地，外送容量共约6000万kW，将这些电源均需要通过特高压交直流线路送电至华东、华中和南方电网。这些送出项目具有送端站址集中、建设期各不相同、回路输送功率大、双回路或多回路共用走廊、交直流共用走廊，部分地段具有环境保护要求高、交通困难、地质条件较差、气象条件复杂等特点。有必须进行总体规划并符合如下的要求。(1)统筹规划、远近结合。近期输电走廊安排要满足远景规划要求，并保证过渡方案合理可行。(2)合理利用输电走廊资源。原则上每个走廊安排1～3回线路。(3)适当分散安排走线。合理安排特高压直流起落点，尽量减少特高压线路之间的交叉跨越。为减轻严重故障对系统的影响，考虑适当分散走线。(4)路径方案尽量与沿线落点相结合，避免相互交叉跨越。(5)总体规划方案应体现经济性。

4．1．设计风速的统计分析方法对设计风速的统计，不管是IEC、ASCE还是我国的规范，风速的年最大值均采用极值I型的概率分布，即极值分布(耿贝尔法)中采用离均系数来计算的方法。推荐±800kV直流线路采用极值I型概率分布的方法统计计算最大设计风速。

4．2．设计风速离地高度

DL／T5092—1999《110kV～500kV架空送电线路设计技术规程》对确定500kV线路最大设计风速时离地高度规定为20m。2002年，建设部发布了GB50009—2001《建筑结构荷载规范》，其中风的基本风压对地高度定为10m。800kV输电线路杆塔全高基本上都要超过60m，都要进行杆塔风荷载调整系数计算，目前±800kV输电线路风的基准高度取10m。

4气象条件取值原则

4．3．±800kV直流线风速重现期鉴于±800kV输电线路的重要性，±800kV输电线路风荷载重现期应比500、750kV线路规定的重现期高，规定为100年。

4．4±800kV直流线路风速最小取值根据研究，当杆塔结构重要性系数取1．1、风荷载重现期取100年时，设计基准风速取值为27m／s(离地10m)时，杆塔结构可靠度指标较500kV线路杆塔结构构件可靠度指标至少提高了一个等级，已满足《建筑结构可靠度设计统一标准》一级安全建筑物可靠度要求。

±800kV直流线路设计风速最小值规定为27m／s(10m高)。

5导线选型及分裂形式

5．1概述特高压直流线路架线工程投资对整个工程的造价影响极其巨大，所以在整个输电线路的技术经济比较中，应该对导线的截面和分裂型式进行充分的技术经济比较，推荐出满足技术要求而且经济合理的导线截面和分裂型式。原则上，在导线选型时，应综合考虑以下因素：

(1)导线的允许温升。

(2)电场效应。

(3)对环境的影响：包括无线电干扰、电晕噪声等。

(4)必要的机械强度。

(5)合理的经济性。

5．2导线选择的主要原则在特高压直流线路导线选择中，要充分考虑导线的电气和机械特性。在电气特性方面，特高压线路由于电压的升高，导线电晕引起的各种问题，特别是环境保护问题将比超高压线路本体问题更加突。本课题研究从电气特性、机械特性和投资分析3个方面对各种导线截面和分裂形式进行了比较，推荐在技术和经济上最优的导线截面和分裂形式，为各工程可行性研究导线方案的选定提供依据。根据特高压直流输电线路的特点，导线选择时，在电气特性、机械性能、经济性等方面需综合考虑以下因素：(1)导线最高允许温度。(2)地面标称电场强度。(3)地面合成电场强度。(4)地面离子流密度。(5)无线电干扰水平(RI)。(6)电晕可听噪声(AN)。(7)导线电流密度。(8)机械强度。(9)年费用。(10)其它方面(如导线的传输效率、电晕损失、对杆塔重量及绝缘子金具的影响及制造、施工条件等)。

5．3导线选择的主要控制参数在导线选型时，应按允许载流量选择，与允许的最大输送容量相配合，然后还应进行线路电晕特性参数的校核。电晕特性参数包括电晕损失、无线电干扰、电视干扰、皂场效应和可听噪声等环境影响参数，最后还要通过综合技术经济比较确定。导线分裂结构主要由导线的电晕特性和其对导线本身机械特性(包括振动、舞动、覆冰)、金具及杆塔的影响来确定。导线选择的主要控制参数如下：

(1)钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度一般采用+70℃。

(2)±800kV直流线路线下地面合成场强不超过30kV／m，线下地面离子电流密度不超过100nA/m2；线路临近民房时，民房所在地面的未畸变合成场强按湿导线条件，不超过15kV／m，以满足测量时民房所在地面的合成电场80％值不超过15kV／m和最大值不超过25kV／m的要求。

(3)无线电干扰限值取0．5MHz，20m处58dB。

(4)可听噪声标准取在距正极导线20m处好天气50%时间噪声水平不得超过45～50dB(A)。其中下限值用于一般乡村居住环境区，上限用于人烟稀少地区。

5．4导线截面和分裂方式的选取基于各种要求和系统确定的条件，按照我国现在导线生产的情况，，在进行导线型号的选取时，首先应立足于国内已有成功制造、施工和运行经验的导线型式，根据我国的导线制造标准，参考国际上常用的导线标准(主要是美国标准)。在特高压线路中为解决电晕问题，一般都需要增加导线分裂根数和导线截面，本课题研究报告初选了4～8分裂共16种分裂方式。导线分裂间距的选取要考虑分裂导线的次档距振荡和电气两个方面的特性。输送功率为6400MW时，极导线推荐采用6×ACSR-720／50钢芯铝绞线，分裂间距450mm；输送功率为7200MW时，极导线推荐采用6×LGJ-900钢芯铝绞线，分裂间距450mm；也可考虑采用8×LGJ-630／45钢芯铝绞线，分裂间距400mm。

5．5电场效应在直流线路设计中，需要考虑的电场因素主要包括两部分：一部分是地面标称场强、合成场强和离子流密度；另一部分是导线起晕场强和导线表面最大电场强度。

5．6电磁环境

5．6．1无线电干扰

Q／GDW145—2006《±800kV直流架空输电线路电磁环境控制值》中规定：距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20m时，0.5MHz无线电干扰场强80％时间，80％置信度，一般地区不超过58dB(V／m)。海拔每升高300m，无线电干扰增加1dB。

5．6．2听噪声直流输电线路的可听噪声在下雨时较晴天反而有所减小，下雪天的噪声与晴天差别不大。在一年内，晴天数目比雨天多，而且晴天的背景噪声比雨天小，电晕噪声的影响显著，因此晴天的可听噪声是设计直流线路时首先要考虑的条件。直流线路雨天可昕噪声较晴天小6dB(A)。因此，好天气条件下的可听噪声水平是衡量直流线路整体噪声水平的一个特征量。

《±800kV直流架空输电线路电磁环境控制值》推荐采用BPA及EPRI的计算公式。距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20平处晴天时由电晕产生的可听噪声限值(L50)不超过45dB(A)；海拔高度大于1000m且线路经过非居民区时，控制在50dB(A)以下。

5．7导线经济性比较年费用法为财务评价方法之一，能反映工程投资的合理性、经济性。年费用比较法是将参加比较的诸多方案在计算期内的全部支出费用折算成等额年费用比较，年费用低的方案在经济上最优。年费用包含初投资年费用、年运行维护费用、电能损耗费用及资金的时间价值(即利息)。为了进一步分析各种导线的经济性，采用最小年费用法对10种导线的年费用进行了分析对比计算。在10、15mm及以下冰区，输送功率为6400MW，推荐采用6×ACSR-720／50导线；6×LGJ-900／75导线具有最小的压降和电能损耗，8×LGJ-630／45导线县有更优的电磁环境指标。在10、15mm及以下冰区，输送功率为200MW，推荐采用6×LGJ一900导线或8×LGJ-630导线。

6绝缘配合

6．1绝缘子选型直流线路绝缘子积污速度快，污闪电压低，因此直流线路绝缘子的串长主要取决于工作电压下绝缘子的污闪特性，±800kV级直流输电线路绝缘子的选型建议如下：

(1)绝缘子材质可选瓷、玻璃、合成绝缘子，轻污区悬式绝缘子可采用盘式绝缘子或合成绝缘子。

(2)中污区和重污区悬垂绝缘子采用合成绝缘子，耐张绝缘子采用盘式绝缘子。

(3)钟罩式绝缘子比较适合于雨水充沛的地区，三伞式绝缘子比较适用于内陆工业污秽和粉尘性污秽地区。

6．2±800kV特高压直流输电线路绝缘选择输电线路的绝缘配合主宴是选择绝缘子型式、绝缘子串的片数和空气间隙，它们应同时满足工作电压、操作过电压和雷电过电压的要求。直流输电线路的绝缘子片数选择主要取决于工作电压下的污秽耐压特性。因此，一般是根据污秽性超甚选择绝缘子片数，再校核计算操作及雷电冲击特性。

6．2．1绝缘设计的线性关系根据我国±500kV直流输电线路绝缘选择的研究结论，运行电压下的污秽条件是选择绝缘子片数的基础，操作过电压和雷电过电条件通常不控制。因此，污秽绝缘子的耐压强度和串长的关系是否线性就非常关键。用短串的污闪或耐受电压来估算长串的污闪特性，在工程实用上是成立的，一般可将线性关系确认到特高压范围。

6．2．2表征污秽绝缘子运行状态的特征量外绝缘的污秽等级应根据各地的污湿特征、运行经验并结合其表面污秽物质的等值附盐密度(简称盐密)三个因素综合考虑划分，按我国±500kV线路的设计惯例，将污秽分级为轻污区、中污区和重污区，其等值盐密分别取0．05、0．08mg／cm2和0．15mg／cm2。

6．2．3特高压直流线路的绝缘选择方法

6．2．3．1按运行电压污秽条件

(1)按±500kV线路的绝缘水平外推。若假定绝缘子串的污耐压与串长成正比，可推得±800kV线路的要求片数。

(2)按爬电比距法。原电力部向泰西蒙公司咨询，通过其提供的数据分析，可以初步得出在导线对地电压情况下，爬电比距与等值盐密的关系益线及对数拟合表达式详见图3。图3盐密与爬距关系曲线A=0．889ln(ESDD)十6．2606式中A——要求的爬电比距；ESDD——等值盐密。参照中国电力科学研究院的测试数据和湖北对±500kV葛南直流线路与附近交流线路绝缘子积污的测试结果，可以认为在内陆地区同一环境条件下，直流线路绝缘子串积污比(等值盐密)是交流线路的2.0倍，按上式计算出直流线路爬电比距应满足表1的要求。表1推算的直流线路要求的爬电比距表直流等值盐密(mg／cm2)等效交流等值盐密(mg／cm2)推算的直流线路要求爬电比距(cm／kV)0．030．063．760．050．104．210．080．164．630．150．305．19

(3)按污耐压法。对于第一条新建线路或者采用新型绝缘子，原则上要用此法。选择适合的试验室和试验方法，求出预选型号绝缘子的污闪电压曲线。

(4)±800kV直流线路绝缘子片数选择结果分析。综合考虑，建议海拔小于1000m地区，±800kV直流线路最高运行电压下，绝缘子片数选择结果按下表选取。当ESDD>0．05mg／cm2的污区，建议采用合成绝缘子。±800kV直流线路绝缘子片数的结果见表2。污秽等级绝缘子型号轻污区(0．05mg／cm2)中污区(0．08mg／cm2)重污区(0.15mg／cm2)盘式CA一35EZ(160kN)647591CA—45EZ(210kN)647591CA-755EZ(300k-N)5667816．2．3．2按过电压条件校核表2推荐的片数是按运行电压污秽条件决定的，必须按过电压条件加以校核是否满足要求。根据800kV直流线路上过电压研究，其操作过电压水平在1．7～1．85p．u．，最大操作过电压发生在线路中间。当一极对地闪络时，本课题研究健全极上通过耦合达到的最大值不超过1．7p．u．。由于污秽原因，直流线路的绝缘子片数(串长)较交流1000kV线路还多(长)，其在雷电冲击电压下的绝缘裕度较大，反击雷电流超过200kA，雷电过电压对绝缘子片数的选择不起控制作用。6．2．3．3高海拔的修正(1)海拔校核公式。目前对污秽绝缘子的闪络电压与气压的关系一般均采用Plfilips的公式表示，即气压影响特征指数(污闪电压随气压下降指数)忍与污秽程度、绝缘子结构、电压类型等有关。(2)推荐结论。计算表明，若取均值n=0．5(IEC建议值)，当变化为0.4~0.6时，海拔在2000m及以下时，闪络电压的波动范围为±3%，应该是可以接受的。大体而言，海拔每升高500m，绝缘子应补偿3.1%，海拔每升高1000m，绝缘子应补偿6.2%。6．2．4±800kV直流线路合成绝缘子的选择

国内外污闪试验结桌(包括STRI试验)证实：同等污秽，即便在亲水性状态下，复合绝缘子污闪电压比瓷和玻璃绝缘子高50％以上，因此,同样运行电压下，合成绝缘子爬距仅需要瓷和玻璃绝缘子爬距的2／3即可；按照目前±500kV超高压直流输电线路绝缘配置，合成绝缘子爬距定为瓷绝缘子爬距的80％以上已经有相当裕度。采用污耐压法设计合成绝缘子配置方案，同样需要像瓷绝缘子那样进行污秽成分校正、污秽不均匀分布校正。6．2．5．耐张串的绝缘子片数选择运行经验表明，由手耐张绝缘子串受力比悬垂绝缘子串大，容易产生零值绝缘子，因而通常使用耐张绝缘子片数比同级悬垂串绝缘子片数增加1