1、Chap.2 Chap.2 高压直流输电系统的高压直流输电系统的主要设备主要设备 高压直流输电高压直流输电chap.2 HVDC主要设备主要设备课程安排课程安排第二章第二章 高压直流输电系统的主要设备高压直流输电系统的主要设备 2.1 换换流装置流装置2.2 换流变压器换流变压器2.3 平波电抗器平波电抗器2.4 无功补偿装置无功补偿装置2.5 滤波器滤波器 2.6 直流输电线路直流输电线路 2.7 接地极接地极2.8 控制保护系统控制保护系统2chap.2 HVDC主要设备主要设备两端两端HVDC系统原理图系统原理图3chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1 换流装置换流装置换流器换流器
2、将交流电转换成直流电，或将直流电转换成交将交流电转换成直流电，或将直流电转换成交流电的设备。流电的设备。包含整流器和逆变器。包含整流器和逆变器。 整流器：整流器：将交流电转换成直流电的换流器。将交流电转换成直流电的换流器。 逆变器：逆变器：将将直流电转换成交流电的换流器。直流电转换成交流电的换流器。交流系统交流系统I交流系统交流系统II4chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.1 器件器件HVDC经历了从汞弧阀到晶闸管换流阀经历了从汞弧阀到晶闸管换流阀的过程。的过程。1972年以来，直流工程全部采用晶闸管换流阀年以来，直流工程全部采用晶闸管换流阀 ；晶闸管从晶闸管从3英寸、英寸、 4英寸
3、、英寸、5英寸到英寸到6英寸。英寸。100kV汞弧阀汞弧阀 6英寸英寸 5英寸英寸 晶闸管器件发展历程晶闸管器件发展历程电力电子技术中常用晶闸管5chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.1 器件器件晶闸管晶闸管（ Thyristor ）特点：特点：单向导电性、半控单向导电性、半控导通的充要条件：导通的充要条件：阳极电压阳极电压0施加控制电流脉冲施加控制电流脉冲可靠关断的充要条件：可靠关断的充要条件：阳极电流小于维持电流；阳极电流小于维持电流；正向电压正向电压0 且持续一段时间且持续一段时间生产能力：生产能力：电压：电压：5.59kV电流：电流：1.24.5kAvAKiGKA-+iA反向阻
4、断区反向击穿电压反向击穿正向转折电压导通态关断态脉冲电流作用下导通过程vAKiA0导通态导通过程正向阻断反向阻断vAKiA0电气符号电气符号伏安特性伏安特性理想伏安特性理想伏安特性6chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀换流器换流器组成方式组成方式:1个或多个单桥直流端串联、个或多个单桥直流端串联、交流端并联构成。交流端并联构成。单桥：单桥：三相桥式全控换流电路（三相三相桥式全控换流电路（三相6脉动换流脉动换流电路）电路）换流阀换流阀/ /阀臂阀臂/ /桥臂桥臂双极方式HVDC原理图7chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀换流阀组成方式换流阀组成
5、方式: 晶闸管串联、并联晶闸管串联、并联如，如，舟山工程舟山工程：192只只；葛南工程：葛南工程： 120只只；天天-广工程：广工程：84/78只；只；三三-常工程：常工程： 90/84只只。8chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀换流阀结构特点：换流阀结构特点：多采用晶闸管多采用晶闸管串联方式串联方式均压均压措施措施 图中：图中： R：静态均压电阻：静态均压电阻 R1、C1：关断暂态均压：关断暂态均压 R2、C2：组间均压：组间均压 C3：冲击陡波均压：冲击陡波均压 L：阳极电抗：阳极电抗9chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀10chap.2
6、 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀换流器结构换流器结构 晶闸管级晶闸管级阀组件阀组件单阀（换流单阀（换流阀）阀）单桥（单桥（6脉动换流器）脉动换流器）双桥双桥（12脉动换流器）脉动换流器）晶闸管级晶闸管级阀组件阀组件单阀单阀11chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀四重阀四重阀支撑式（直立式）阀支撑式（直立式）阀 悬吊式阀悬吊式阀21m高 48吨 四重阀塔，00kV 2510MW12chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.2 换流阀换流阀四重阀塔结构四重阀塔结构13chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.3 换流单元接线方式换流单元接线方式
7、基本换流单元基本换流单元 在换流站内允许独立运行的换流系统。主要包在换流站内允许独立运行的换流系统。主要包括换流器、换流变、滤波器及控制保护装置等。括换流器、换流变、滤波器及控制保护装置等。基本换流单元基本换流单元分类分类6脉动换流单元脉动换流单元12脉动换流单元脉动换流单元14chap.2 HVDC主要设备主要设备2.1.3 换流单元接线方式换流单元接线方式12脉动换流单元接线方式脉动换流单元接线方式每极一组每极一组12 脉动换流单元脉动换流单元每极两组每极两组12 脉动换流单元脉动换流单元每极每极2组组12 脉动换流单元串联脉动换流单元串联每极每极2组组12 脉动换流单元并联脉动换流单元并
8、联 大部分直流输电工程采用每极一组大部分直流输电工程采用每极一组12 脉动换流脉动换流单元接线方式，因为这种接线方式换流站的设备单元接线方式，因为这种接线方式换流站的设备数量最少，投资最省，运行可靠性也最高。数量最少，投资最省，运行可靠性也最高。15chap.2 HVDC主要设备主要设备2.2 换流变压器换流变压器换流变压器换流变压器(Converter Transformer) 向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。备。作用作用1）参与交流）参与交流/直流变换直流变换 ;2）实现电压变换）实现电压变换 ；3）抑制直流故障电流）抑制直流故障电流;4
9、）削弱交流系统入侵直流系统的过电压；）削弱交流系统入侵直流系统的过电压；5）减少注入交流系统的谐波；）减少注入交流系统的谐波；6）实现交、直流系统的电气隔离。）实现交、直流系统的电气隔离。双极方式HVDC原理图16chap.2 HVDC主要设备主要设备2.2 换流变压器换流变压器接线方式：接线方式： Y0/Y, Y0/， Y0/Y/结构型式结构型式换流变压器接入阀厅的方式换流变压器接入阀厅的方式换流变压器单边插入阀厅布置换流变压器单边插入阀厅布置 换流变压器双边插入阀厅布置换流变压器双边插入阀厅布置 换流变压器脱开阀厅布置换流变压器脱开阀厅布置双极方式HVDC原理图, T, 运输 单相双绕组单
10、相双绕组三相双绕组三相双绕组单相三绕组单相三绕组三相三绕组三相三绕组17chap.2 HVDC主要设备主要设备2.2 换流变压器换流变压器特点特点短路阻抗大（短路阻抗大（12%-18%）；）；绝缘要求高；绝缘要求高；噪声大；噪声大；损耗高；损耗高；有载调压范围宽（有载调压范围宽（20%-30%）；）；直流偏磁；直流偏磁；试验复杂。试验复杂。双极方式HVDC原理图, T, 18chap.2 HVDC主要设备主要设备2.3 平波电抗器平波电抗器（Smoothing Reactor）类型类型：作用：作用：参数：参数：双极方式HVDC原理图 1）防止轻载时直流电流断续；）防止轻载时直流电流断续； 2）
11、抑制直流故障电流的快速增加，减）抑制直流故障电流的快速增加，减小继发换相失败的几率；小继发换相失败的几率； 3）减小直流电流纹波；）减小直流电流纹波； 4）防止直流线路或直流开关站产生的）防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入阀厅，损害阀。陡波冲击波进入阀厅，损害阀。0.27-1.5H (架空线架空线)，12-200mH (电缆线电缆线)空气绝缘干式空气绝缘干式 、油浸绝缘式、油浸绝缘式 19chap.2 HVDC主要设备主要设备2.4 无功补偿装置无功补偿装置 （ Reactive Power Compensator） 指用于补偿换流器消耗的无功功率而安装的无指用于补偿换流器消耗的无功
12、功率而安装的无功设备。功设备。作用作用提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。系统的无功交换。换流器吸收无功功率换流器吸收无功功率30%-50%Pd (整流器）整流器）40%-60%Pd (逆变器逆变器)双极方式HVDC原理图, 20chap.2 HVDC主要设备主要设备2.4 无功补偿装置无功补偿装置类型类型 机械投切式机械投切式无功补偿装置无功补偿装置静止无功补偿装置（静止无功补偿装置（SVC）同步调相机同步调相机双极方式HVDC原理图, 如，机械投切式并联电容器、并联电抗器、如，机械投切式并联电容器、并联电抗器、交流滤波器交流滤波器
13、21chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5 滤波器滤波器滤波器滤波器（ Filter ）：）：抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波的设备。抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波的设备。类型：类型： 交流滤波器、直流滤波器交流滤波器、直流滤波器有源滤波器、无源滤波器有源滤波器、无源滤波器无源滤波器：无源滤波器：双极方式HVDC原理图, 调谐型调谐型滤波器滤波器高通型高通型滤波器滤波器调谐调谐高通型高通型滤波器滤波器22chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5.1 滤波器类型滤波器类型无源滤波器类型：无源滤波器类型：双极方式HVDC原理图, (a) 单调谐滤波器；单调谐滤波器；(b) 双调
14、谐滤波器；双调谐滤波器；(c) 三调谐滤波器；三调谐滤波器；(d) 二阶高通滤波器；二阶高通滤波器；(e) 三阶高通滤波器；三阶高通滤波器；(f) C型阻尼滤波器型阻尼滤波器23chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5.2 交流滤波器交流滤波器配置原则配置原则类型不宜太多，类型不宜太多，23种为宜种为宜 分组（指大组）尽可能少分组（指大组）尽可能少接入系统方式接入系统方式 ACF大组接换流母线，或接入大组接换流母线，或接入3/2串；串； ACF大组大组T接换流变压器进线；接换流变压器进线； ACF分组接换流母线，或接入分组接换流母线，或接入3/2串；串； ACF分组接换流变压器单独绕组。分
15、组接换流变压器单独绕组。 双极方式HVDC原理图, 24chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5.2 交流滤波器交流滤波器双极方式HVDC原理图, (a) ACF大组接换流母线；大组接换流母线；(b) ACF大组大组T接换流变压器进线；接换流变压器进线；(c) ACF分组接换流母线；分组接换流母线；(d) ACF分组接换流变压器单独绕组分组接换流变压器单独绕组25chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5.3 直流滤波器直流滤波器配置原则配置原则直流电缆线路不装直流滤波器直流电缆线路不装直流滤波器宜装设宜装设2组直流滤波器组直流滤波器类型类型多为双调谐滤波器，近年来开始采用三调谐滤多为双
16、调谐滤波器，近年来开始采用三调谐滤波器波器电容器（称为电容器（称为“中性点冲击电容器中性点冲击电容器”）F类型， 26chap.2 HVDC主要设备主要设备2.5 滤波器滤波器与交流滤波器的主要差异与交流滤波器的主要差异DCF高压电容值更小高压电容值更小DCF的电容器单元内部需装设并联均压电阻的电容器单元内部需装设并联均压电阻DCF一般为调谐型滤波器一般为调谐型滤波器 DCF配置, 27chap.2 HVDC主要设备主要设备2.6 直流输电线路直流输电线路 直流线路直流线路（DC Transmission Line）分类分类直流极线直流极线金属返回线金属返回线直流接地极引线直流接地极引线架空线
17、架空线电缆线电缆线架空电缆混合线架空电缆混合线单极系统, 双极系统, 28chap.2 HVDC主要设备主要设备2.7 接地极接地极 作用作用钳制中性点电位钳制中性点电位为直流电流提供返回通路为直流电流提供返回通路接地极地电流对环境的影响接地极地电流对环境的影响使变压器产生直流偏磁使变压器产生直流偏磁 对地下金属构件产生腐蚀对地下金属构件产生腐蚀 单极系统, 29chap.2 HVDC主要设备主要设备2.7 接地极接地极变压器直流偏磁变压器直流偏磁30chap.2 HVDC主要设备主要设备2.7 接地极接地极直流偏磁的危害直流偏磁的危害直流偏磁对变压器的危害直流偏磁对变压器的危害 变压器损耗增
18、加，温升增加，引发局部过热变压器损耗增加，温升增加，引发局部过热 噪声增大噪声增大 振动加剧振动加剧 直流偏磁对电网的危害直流偏磁对电网的危害 无功消耗加大，电网电压下降无功消耗加大，电网电压下降谐波严重，可能使继保误动作谐波严重，可能使继保误动作 31chap.2 HVDC主要设备主要设备2.8 控制保护系统控制保护系统作用作用控制控制 控制直流功率控制直流功率 、电流、电压、电流、电压对交流系统实现附加控制对交流系统实现附加控制 直流启停控制直流启停控制 保护保护 故障下的直流闭锁故障下的直流闭锁 32文文 俊俊华北电力大学电气与电子工程学院 柔性电力技术研究所hbdl_chap.2 HV
19、DC主要设备主要设备双极方式双极方式HVDC原理图原理图双极双桥双极双桥 葛洲坝葛洲坝南南 桥桥20932093525/209kVIdId19831983230/500kV500kV500kV198kV220kV34chap.2 HVDC主要设备主要设备基本换流单元基本换流单元12脉动换流单元脉动换流单元6脉动换流单元脉动换流单元1-交流系统；交流系统；2-换流变；换流变；3-换流器；换流器；4-平波电抗平波电抗器；器；5、6-AC、DC滤滤波器；波器；7-控制保护装控制保护装置置35chap.2 HVDC主要设备主要设备12脉动脉动换流单元换流单元36chap.2 HVDC主要设备主要设备换
20、流变压器换流变压器621MVA, 355t (total weight over 500t)(DC500kV,3100MW)37chap.2 HVDC主要设备主要设备换流变压器换流变压器单相三绕组换流变换流T38chap.2 HVDC主要设备主要设备换流变压器结构型式换流变压器结构型式（a）三相三绕组；）三相三绕组；( b ) 三相双绕组；三相双绕组； ( c ) 单相三绕组；单相三绕组；( d ) 单相双绕组单相双绕组39chap.2 HVDC主要设备主要设备运输换流变压器运输换流变压器贵广II回首台换流变成功运抵兴仁站(2006.9.30),单相双绕组,260T换流T结构型式, 换流T结构
21、40chap.2 HVDC主要设备主要设备平波电抗器平波电抗器油浸绝缘式油浸绝缘式空气绝缘干式空气绝缘干式41chap.2 HVDC主要设备主要设备无功补偿装置无功补偿装置42chap.2 HVDC主要设备主要设备SVC静止无功补偿装置静止无功补偿装置 （Static Var Compensator）连续调节发出和吸收无功功率，连续调节发出和吸收无功功率，调节速度快，可用于抑制换流母调节速度快，可用于抑制换流母线的暂态电压波动。线的暂态电压波动。如如挪威挪威斯卡格拉克海峡直流工斯卡格拉克海峡直流工程（程（1000MW）安装一台）安装一台200Mvar的的SVC（1995年）。年）。SVC通常含
22、：通常含：TSC、FC、TCR43chap.2 HVDC主要设备主要设备滤波器滤波器44chap.2 HVDC主要设备主要设备DCF配置配置CN：中性点冲击电容器：中性点冲击电容器45chap.2 HVDC主要设备主要设备单极两端直流输电系统单极两端直流输电系统 单极大地回线方式单极大地回线方式单极金属回线方式单极金属回线方式单极双导线并联大地回线方式单极双导线并联大地回线方式46chap.2 HVDC主要设备主要设备双极两端直流输电系统双极两端直流输电系统双极一端中性点接地式双极一端中性点接地式双极两端中性点接地式双极两端中性点接地式双极双极金属金属中线式中线式47chap.2 HVDC主要设备主要设备电力电子技术中常用电力电子技术中常用晶闸管晶闸管外形外形模块式模块式平板式平板式螺螺栓栓式式塑塑封封式式48
