换流站与变电站-为何采用高压直流输电

换流站与变电站，为何采用高压直流输电

1.总论

电厂的任务是发电，电厂要能正常发电就需要使用和维护设备，使用和维护设备就是电厂的主要工作内容。

变电站是将电厂发出的电能通过电力设备进行各种变换，然后输送出去。其主要工作任务是：

1、使用和维护电力设备，使之保证长期连续对外供电。

2、监控电力设备运行情况，作好各项监控记录，以便将来作为技术或故障

分析的原始资料。

3、有些变电站还具有监控线路运行状况的功能。

2.换流站

高压直流输电的一种特殊方式，将高压直流输电的整流站和逆变站合并在一个换流站内，在同一处完成将交流变直流，再由直流变交流的换流过程，其整流和逆变的结构、交流侧的设施与高压直流输电完全一样，具有常规高压直流输电的最基本的优点，可实现异步联网，较好地实现不同交流电压的电网互联，将2个交流同步电网隔离，能有效地隔断各互联的交流同步网间的相互影响，限制短路电流，且联络线功率控制简单，调度管理方便。与常规直流输电比较，其优点更突出：

1、没有直流线路，直流侧损耗小；

2、直流侧可选择低压大电流运行方式，以降低换流变压器、换流阀等有关

设备的绝缘水平，降低造价；

3、直流侧谐波可全部控制在阀厅内，不会产生对通信设备的干扰；

4、换流站不需要接地极，无需直流滤波器、直流避雷器、直流开关场、直

流载波等直流设备，因而比常规的高压直流输电节省投资。

换流站是直流输电工程中直流和交流进行相互能量转换的系统，除有交流场等与交流变电站相同的设备外，直流换流站还有以下特有设备：换流器、换流变压器、交直流滤波器和无功补偿设备、平波电抗器。

换流器主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀，换流器单位容量在不断增大。

换流变压器是直流换流站交直流转换的关键设备，其网侧与交流场相联，阀侧和换流器相联，因此其阀侧绕组需承受交流和直流复合应力。由于换流变压器运行与换流器的换向所造成的非线性密切相关，在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验方面与普通电力变压器有着不同的特点。交直流滤波器为换流器运行时产生的特征谐波提供入地通道。换流器运行中产生大量的谐波，消耗换流容量40％～60％的无功。交流滤波器在滤波的同时还提供无功功率。当交流滤波器提供的无功不够时，还需要采用专门的无功补偿设备。

平波电抗器能防止直流侧雷电和陡波进入阀厅，从而使换流阀免于遭受这些过电压的应力；能平滑直流电流中的纹波。另外，在直流短路时，平波电抗器还可通过限制电流快速变化来降低换向失败概率。

3.变电站

3.1简介

改变电压的场所。为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，必须把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低。这种升降电压的工作靠变电站来完成。变电站的主要设备是开关和变压器。按规模大小不同，称为变电所、配电室等。

3.2组成

变电站(Substation）是把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压，在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点，变电站主要分为：升压变电站，主网变电站，二次变电站，配电站。

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。

变电站起变换电压作用的设备是变压器，除此之外，变电站的设备还有开闭电路的开关设备，汇集电流的母线，计量和控制用互感器、仪表、继电保护装置和防雷保护装置、调度通信装置等，有的变电站还有无功补偿设备。变电站的主要设备和连接方式，按其功能不同而有差异。

3.3工作原理

变压器是变电站的主要设备，分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器即高、低压每相共用一个绕组，从高压绕组中间抽出一个头作为低压绕组的出线的变压器。电压高低与绕组匝数成正比，电流则与绕组匝数成反比。

变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器。前者用于电力系统送端变电站，后者用于受端变电站。变压器的电压需与电力系统的电压相适应。为了在不同负荷情况下保持合格的电压有时需要切换变压器的分接头。

按分接头切换方式变压器有带负荷有载调压变压器和无负荷无载调压变压器。有载调压变压器主要用于受端变电站。

电压互感器和电流互感器。它们的工作原理和变压器相似，它们把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。在额定运行情况下电压互感器二次电压为l00V，电流互感器二次电流为5A或1A。电流

互感器的二次绕组经常与负荷相连近于短路,请注意：绝不能让其开路，否则将因高电压而危及设备和人身安全或使电流互感器烧毁。

开关设备。它包括断路器、隔离开关、负荷开关、高压熔断器等都是断开和合上电路的设备。断路器在电力系统正常运行情况下用来合上和断开电路故障时在继电保护装置控制下自动把故障设备和线路断开，还可以有自动重合闸功能。在我国，220kV以上变电站使用较多的是空气断路器和六氟化硫断路器。

隔离开关（刀闸)的主要作用是在设备或线路检修时隔离电压，以保证安全。它不能断开负荷电流和短路电流，应与断路器配合使用。在停电时应先拉断路器后拉隔离开关，送电时应先合隔离开关后合断路器。如果误操作将引起设备损坏和人身伤亡。

负荷开关能在正常运行时断开负荷电流没有断开故障电流的能力，一般与高压熔断丝配合用于10kV及以上电压且不经常操作的变压器或出线上。为了减少变电站的占地面积近年来积极发展六氟化硫全封闭组合电器(GIS)。它把断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中集中组成一个整体外壳充以六氟化硫气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧凑体积小重量轻不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰等优点，具有发展前765kV 已在变电站投入运行。目前，它的缺点是价格贵，制造和检修工艺要求高。

3.4其它相关

变电站还装有防雷设备，主要有避雷针和避雷器。避雷针是为了防止变电站遭受直接雷击将雷电对其自身放电把雷电流引入大地。在变电站附近的线路上落雷时雷电波会沿导线进入变电站，产生过电压。另外，断路器操作等也会引起过电压。避雷器的作用是当过电压超过一定限值时，自动对

地放电降低电压保护设备放电后又迅速自动灭弧，保证系统正常运行。目前，使用最多的是氧化锌避雷器。

4.为什么采用高压直流输电？

追溯历史，最初采用的输电方式是直流输电，于1874年出现于俄国。当时输电电压仅100V。随着直流发电机制造技术的提高，到1885年，直流输电电压已提高到6000V。但要进一步提高大功率直流发电机的额定电压，存在着绝缘等一系列技术困难。由于不能直接给直流电升压，输电距离受到极大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19世纪80年代末，人类发明了三相交流发电机和变压器。1891年，世界上第一个三相交流电厂在德国竣工。此后，交流输电普遍代替了直流输电。随着电力系统的迅速扩大，输电功率和输电距离的进一步增加，交流输电遇到了一系列技术困难。大功率换流器（整流和逆变）的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，直流输电重新受到人们的重视。1933年，美国通用电器公司为布尔德坝枢纽工程设计出高压直流输电装置；1954年，建起了世界上第一条远距离高压直流输电工程。之后，直流输电在世界上得到了较快发展，现在直流输电工程的电压等级大多为±275～±500kV，投入商业运营的直流工程最高电压等级为±600kV（巴西伊泰普工程），我国计划在西南水电送出的直流工程中采用±800kV电压等级。

在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。

我国目前建成的高压直流输电工程均为两端直流输电系统。两端直流输电系统主要由整流站、逆变站和输电线路三部分组成。两端直流输电系统可以采用双极和单极两种运行方式。

在双极运行方式中，利用正负两极导线和两端换流站的正负极相连，构成直流侧的闭环回路。两端接地极所形成的大地回路可作为输电系统的备用导线。正常运行时，直流电流的路径为正负两根极导线。实际上，它们是由两个独立运行的单极大地回路系统构成。正负两极在地中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差。两极电流之差形成的电流为不平衡电流，由接地极导引入地。在双极运行时，不平衡电流一般控制在额定电流的1%之内。

单极运行方式又分为单极金属返回和单极大地返回两种运行方式。在单极金属返回运行方式中，利用两根导线构成直流侧的单极回路，直流线路中的一根导线用作正或负极导线，另一根用作金属返回线。在此运行方式中，地中无电流通过。在单极大地返回运行方式中，利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。

高压直流输电与交流输电相比，具有诸多优点：

1、高压直流输电具有明显的经济性。输送相同功率时，直流输电线路所用

线材仅为交流输电的1/2～2/3。直流输电采用两线制，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线路导线截面和电流密度相同的条件下，若不考虑趋肤效应，输送相同的电功率，输电线和绝缘材料可节省约1／3。

如果考虑到趋肤效应和各种损耗，输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线截面积的1.33倍。因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半。另外，直流输电线路的杆塔结构也比同容量的三相交流输电线路的简单，线路走廊占地面积也大幅减少。但

是，直流输电系统中的换流站的造价和运行费用要比交流输电系统变电站的高，当输电距离增加到一定值后，直流输电线路所节省的费用刚好抵偿了换流站所增加的费用，此时这个输电距离即被称为交流输电与直流输电的等价距离。如果把交流输电和直流输电两种输电方式在输送一定功率时，所需的费用和输电距离之间的关系绘成曲线，两曲线交点的横坐标就是等价距离。

2、在电缆输电线路中，高压直流输电线路不产生电容电流，而交流输电线

路存在电容电流，引起损耗。在一些特殊场合，如输电线路经过海峡时，必须采用电缆。由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输电线路中，空载电容电流极为可观。而在直流输电线路中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上。

3、采用直流输电时，线路两端交流系统不需同步运行，而交流输电必须同

步运行。采用远距离交流输电时，交流输电系统两端电流的相位存在显著差异；并网的各子系统交流电的频率虽然规定为50Hz，但实际上常产生波动。这两种因素导致交流系统不同步，需要用复杂而庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的环流而损坏设备，或造成不同步运行而引起停电事故。采用直流输电线路将两个交流系统互连时，其两端的交流电网可以按各自的频率和相位运行，不需进行同步调整。

4、高压直流输电控制方便、速度快，发生故障的损失比交流输电的小。两

个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障侧输送短路电流。因此，将使两侧系统原有断路器切断短路电流的能力受到威胁，需要更换断路器。若用直流输电将两个交流系统互连，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输电线路向发生短路的交流系统输送的短路电流不大，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时几乎一样。因此不必更换两侧原有开关及载流设备。

5、在高压直流输电工程中，各极是独立调节和工作的，彼此没有影响。所

以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送至少50%的电能。但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。

高压直流输电也有其缺点：

1、直流换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行

费用高；

2、谐波较大；

3、直流输电工程在单极大地回路方式下运行时，入地电流会对附近的地下

金属体造成一定腐蚀，窜入交流变压器的直流电流会使变压器噪声增加;

4、若要实现多端输电，技术比较复杂。

由上可见，高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。而采用交流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。

在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。

在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。

直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。

什么是变电站的一次接线图（即模拟图）？答：将变电站的一次接线用规定的设备文字和图形符号按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置（GIS）的全部组成和连接关系的单线接线图，称为变电站的一次接线图。也可认为是模拟图。

将电站'>变电站的一次接线用规定的设备文字和图形符号按工作顺序排列，详细地表示电气设备或成套装置（GIS）的全部组成和连接关系的单线接线图，称为电站'>变电站的一次接线图。也可认为是模拟图。

用来表示控制、指示、测量和保护主接线（主电路）及其设备运行的接线图，称为二次接线图，也称二次回路图

电力系统中的电气设备按作用不同可分为一次设备和二次设备。一次设备是指直接进行电能的生产、输送、分配的电气设备，包括发电机、变压器、母线、架空线路、电力电缆、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等。由一次设备连接组成的电路称为一次接线或主接线。

要实现电力系统的正常稳定经济运行，除了一次设备外，还必须有相应的二次设备。二次设备对一次设备起检测、控制、调节、保护的作用，包括各种测量仪表、控制和信号器具、继电保护及安全自动装置等。由二次设备按一定要求构成的电路称为二次接线或二次回路。二次回路一般包括控制回路、继电保护回路、测量回路、信号回路、自动装置回路、计算机监控回路等。描述二次回路的图纸就称为二次接线图或二次回路图。

在电力系统中，二次设备及二次回路对于电力系统的安全生产至关重要。即使一次设备正常运行，一旦二次设备出现异常，也将导致严重后果。例如，线路保护接线有误或整定值不正确，当发生短路故障时，保护会拒动或误动，造成越级跳闸，扩大停电范围或损坏电气设备；测量回路有问题，则会造成测量不准确，影响对运行设备工况的正确分析判断；计量回路有问题，则会影响电力系统自身或用户的经济利益。所以，二次设备虽然没有直接参与电能的生产过程，但其作用不可忽视，在自动化水平较高的大型发电厂、变电站中这一点尤其重要。