（高电压与绝缘技术专业论文）高压直流输电单极大地回线方式运行时接地极电流的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针，高 压直流输电技术将会成为我国电网互联主要途径。高压直流输电在远距离、 超大容量输电中占有极其重要的位置。但是直流输电线路在系统调试或发 生故障情况下，会处于单极大地回路运行方式，这时将有非常大的电流从 直流接地极流入大地，该电流使附近大地形成较大的电位差，将对交流系 统、地下金属构件等产生不利影响。接地极电流导致变压器励磁电流急剧 增加，引起铁芯拉板( 或支撑板) 的温度升高和噪声及振动增大。直流偏磁 下，变压器噪声的频谱出现明显的奇次波噪声，引起的高振动带来的问题， 可能引起变压器内有关部件的松动，进而威胁变压器的安全运行。 本论文主要围绕上述问题开展工作。首先对直流输电系统进行了详细 阐述，然后基于对大地土壤结构的分析，建立了垂直分层和水平分层相结 合的三层土壤结构模型，并应用拟牛顿法对不等距温纳四极法测量的土壤 结构参数进行了优化计算，在此基础上计算得到了直流输电接地极极址附 近地下电流和电压。利用多孔介质模型分析直流条件下土壤的导电机制， 得出土壤电阻率的计算公式以及直流电流密度对土壤电阻率的影响规律。 然后设计相应的实验进行定量分析，认为离子携带的总电荷数b b 以及离 子迁移能力肫是影响土壤电阻率的主要因素，并简化数学模型，该模型可 以对不同直流电流密度下的土壤电阻率进行近似计算。通过建立等效电路 计算流过变压器的直流电流，详细描述直流偏磁给变压器带来的危害和地 中电流对地下金属构件的腐蚀。 关键词：直流输电；接地极；直流偏磁；交压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h eg e n e r a lp o l i c y “w e s tt oe a s tp o w e r t r a n s m i s s i o n ，n o r t h s o u t h p o w e re x c h a n g ea n dn a t i o n w i d ei n t e r c o n n e c t i o n ”，t h eh i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y w i l lt a k et h e k e yr o l e i n l o n g d i s t a n c e ，b u l kp o w e rt r a n s m i s s i o n s b u tt h eh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mm a y b e o p e r a t e di ng r o u n dr e t u r ns t a t u sw h e nt h es y s t e mi si nd e b u go rf a i l u r e g r e a t c u r r e n tf l o w i n gi n t oe a r t ht h r o u g hg r o u n d i n ge l e c t r o d e ，r e s u l t e di nt h ep o t e n t i a l o fe a r t hi n c r e a s i n g i tc r e a t e dd cb i a sc u r r e n ti nt r a n s f o r m e r 。d o n eh a r mt oa c t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n du n d e r g r o u n dm e t a l d cb i a sm a g n e t i z a t i o nw i l lc a u s e r a p i di n c r e a s eo ft r a n s f o r m e re x c i t a t i o nc u r r e n ta n dr e s u l ti no v e r h e a t ，n o i s e s a n dv i b r a t i o ni n c r e a s ei nm a g n e t i cc i r c u i t s ht h ec a s eo fd i r e c tc u r r e n tb i a s ， t h e r ea p p e a rs i g n i f i c a n to d dh a r m o n i cn o i s e si nt h es p e c t r u mo ft r a n s f o r m e r n o i s e s ，t h ep r o b l e m sc a u s e db yw h i c hm a ym a k et h er e l a t e dc o m p o n e n t si nt h e t r a n s f o r m e rl o o s e ，t h e nt h r e a t e nt h eo p e r a t i o ns e c u r i t yo ft r a n s f o r m e r s t h i sd i s s e r t a t i o na i m st oh a v eap r i m a r yp r o b ei n t oq u e s t i o n sm e n t i o n e da b o v e f i r s t ，ad e t a i l e de x p l a n a t i o no fh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d a n d t h e nat h r e e l a y e re a r t hm o d e lc o m b i n i n gv e r t i c a l l a y e r e da n dh o r i z o n t a l l a y e r e d i se s t a b l i s h e db y a n a l y z i n gt h eg r o u n d s o i l s t r u c t u r e c o m b i n i n g q u a s i - n e w t o nm e t h o d ，t h ep a r a m e t e r so fs o i ls t r u c t u r eo b t a i n e df r o mu n e q u a l l y s p a c e dw e u n e rf o u r - p r o b et e s td a t ai so p t i m a le s t i m a t e d a c c o r d i n gt ot h i s m o d e l ，t h eg r o u n dc u r r e n ta n d v o l t a g ei sc a l c u l a t e d a r o u n dt h eh v d c e l e c t r o d es i t e a ne x p r e s s i o no fs o i lc o n d u c t i v em e c h a n i s m sw a sg i v e nu s i n g p o r o n sm e d i aa n dad i s c u s s i o nw a sg i v e na b o u tt h ee f f e c to fd c c u r r e n td e n s i t y o ns o i lr e s i s t i v i t y s o i lr e s i s t i v i t yi sd e t e r m i n e db yt w op a r a m e t e r s ，t h et o t a lo f c h a r g e sz i i c , a n di o n i cm o b i l i t yg i t h em o d e ld e s c r i b i n gt h i se f f e c t c a i ib e u s e d t oc a l c u l a t et h es o i lr e s i s t i v i t yo fh v d cg r o u n d i n gs y s t e mo na n yc u r r e n t t h e e q u i v a l e n tc i r c u i t 锄b ew o r k e do u t i f a d e q u a t em o n i t o r i n gd e v i c e sa r e i n s t a l l e do nt h et r a n s f o r m e r s e a r t h e dp o i n t s ，w m c ha r eu s e dt od e t e c td c c u r r e n t sf l o w m gi np o w e r 酣d s 。a tl a s t ，t h eh v d ci n f l u e n c eo nt h et r a d i t i o n a l e l e c t r i cn e t w o r kd e v i c ea n du n d e r g r o u n dm e t a li sd e t a i l e de x p l a i n i n g k e yw o r d s ：h v d c ；g r o u n de l e c t r o d e ：d cb i a sm a g n e t i z a t i o n ：t r a n s f o r m e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 1 高压直流输电技术概况 高压直流输电( h v d c ) 技术从2 0 世纪5 0 年代在电力系统中得到应 用以来，至今经历了汞弧阀换流和晶闸管阀换流时期，目前世界上已有7 0 多项直流输电工程投入运行，在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆 输电以及电力系统联网工程中得到了较大的发展 1 - 4 | 。 直流输电的主要特点与其两端需要换流以及输送这两个直流电基本点 有关。与交流输电方式相比，h v d c 输电技术有许多显著特点，其中既有 优点也有缺点1 5 6 1 ： 1 、直流输电的优点 ( 1 ) 稳定性能优越。在交流输电系统中，由于受发电机功角特性的限 制，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行以维持系统的稳 定。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流输电没有相位和功角 问题，所以不存在上述的稳定问题，因此直流输电也不受输电距离的限制。 ( 2 ) 有效限制短路容量。如果用交流输电线连接两个交流系统，短路 容量将增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。用直流输电线路连接 两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定 值附近，短路容量不因互联而增大。 ( 3 ) 调度、控制性能极为优越。直流输电采用电子换流装置，具有快 速调节响应的特点。直流传输功率在2 0 3 0m s 时间内就能跟随功率指令 而阶跃变化。因此，利用直流输电线路的这一特点，快速调整交流系统的 潮流分布，荠参与对交流网络的功率调制、频率调节乃至在交流系统故障 情况下进行紧急功率支援，对提高交流系统运行可靠性、灵活性，改善电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 网质量和限制系统故障等方面，都将会起到积极的作用。 ( 4 ) 对于长距离大容量输电，经济性显著。在电压等级相同输送容量 相等时，当输电距离超过一定的距离( 一般认为架空线路超过6 0 0 8 0 0k m ， 电缆线路超过4 0 6 0k m ) 时，直流输电较交流输电经济。随着高电压大容 量晶闸管及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低，直流输电的经 济优势将更为明显。同时，由于直流输电的功率损耗比交流输电小得多， 所以其运行费用也低。 ( 5 ) 节约走廊，节省占地，有利于可持续发展。因为直流输电采用双 极运行时也只需要架设两根导线，杆塔结构简单，线路走廊窄，而交流输 电需要3 根导线。 ( 6 ) 可分期建设和增容扩建，发挥投资效益。双极直流工程可按极分 为两期，当每极采用两组基本换流单元时，则可分为四期。 2 、直流输电的缺点 ( 1 ) 直流输电换流站比交流变电所得设备多、结构复杂、造价高、损 耗大、运行费用高、可靠性也较差。换流装置由许多高电压、大电流可控 硅元件串并联而成，并附带有均压电阻器、电容器、电抗器、冷却装置以 及电子触发板等组成，约占直流输电总投资的1 3 。 ( 2 ) 晶闸管换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率( 约占直流 输送功率的4 0 6 0 ) ，每个换流站均需装设无功补偿设备。当交流滤波 器所提供的无功功率不能满足无功补偿的要求时，还需另外装设静电电容 器；当换流站接于弱交流系统时，为提高系统动态电压的稳定性和改善换 相条件，有时还需要装设同步调相机或静止无功补偿装置。 ( 3 ) 产生谐波。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流， 须装设交流滤波器、平波电抗器和直流滤波器，使换流站的造价、占地面 积和运行费用均大幅度提高，同时也降低了换流站的运行可靠性。谐波还 使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。 ( 4 ) 缺乏直流开关。直流无波形过零点，灭弧比较困难。目前把换流 器的控制脉冲信号锁闭，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电式， 就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) 直流输电利用大地( 或海水) 为回路而带来一些技术问题。如接 地极附近地下( 或海水中) 的直流电流对金属构件、管道、电缆等埋设物 的电腐蚀问题；地中直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和所引起 的问题；对通信系统和航海磁性罗盘的干扰等。 自1 9 5 4 年第一条h v d c 工程投运以来，伴随着现代科技的发展和进 步，i v c d c 技术也取得了长足的进展。在i - i v d c 技术发展史上，表1 - 1 列 出了h v d c 技术发展过程中的若干重要事件1 7 1 。 表1 1i i v i i c 技术发展过程中的若干重要事件 序号事件时间 1第一条h v d c 工程，g o t l a n d 工程建成投产1 9 5 4 2 晶闸管换流桥第一次投入使用1 9 7 0 3 第一个1 2 脉动换流器投入使用 1 9 7 6 最大的h v d c 工程 41 9 7 9 巴西i t a i p 1 工程( 6 3 0 0 m w ，_ _ _ 6 0 0 k v ) 建成 5 第一条多端h v d c 工程o u e b e c - n e we n g l a n d 工程建成 1 9 9 2 6 第一个电压源型换流器技术的直流工程建成 1 9 9 9 第一个采用电容换相换流器技术的直流工程 7 2 0 0 0 巴西g a r a b i 背靠背工程建成 8 容量最大的换流器在三峡一常州直流工程使用 2 0 0 2 1 1 2 高压直流输电在我国的发展 中国的直流输电是在1 9 5 8 年考虑长江三峡水利资源的开发以及三峡 电站的电力外送问题时提出的。1 9 6 3 年在中国电力科学研究院建成1 0 0 0 v 、 5 a 的直流输电物理模拟装置。上世纪8 0 年代建成浙江穿山半岛至舟山岛 的1 0 0 k v 直流海底电缆送电实验工程，额定输电容量5 0 m w ，输送距离 1 3 1 5 k m 。1 9 9 0 年湖北葛洲坝至上海的葛南双极直流输电线路投运，额定容 量1 2 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送电距离1 0 4 5 k m 。它既是我国第一条长距 离大容量高压直流输电线路，也是区域电网直流互联工程，中国电力从此 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 进入交直流混合输电的时代1 0 1 。 2 0 0 1 年6 月广西天生桥至广州北郊的天广双极直流输电线路投运，额 定容量1 8 g w ，额定电压_ 5 0 0 k v ，送电距离9 6 0 k m 。工程的主要特点为 远距离大容量的交直流并联输电，可以利用直流输电的快速控制来提高交 流的输送容量和系统运行的稳定性。 2 0 0 2 年上海宝钢需要的上海芦潮港至嵊泗岛直流海底电缆输电工程投 产，额定容量6 0 m w ，额定电压+ 5 0 k v ，工程是中国自行设计和建造，其 设备均为国产。 为将三峡电力外送，计划建三条高压直流输电线路。第一条从三峡左 岸至江苏常州，已于2 0 0 3 年5 月投产，额定容量3 g w ，额定电压5 0 0 k v ， 送电距离9 7 0 k i n 。第二条从三峡至广州惠州，已于2 0 0 4 年2 月投产，额定 容量3 g w ，额定电压_ _ 5 0 0 k v ，送电距离9 7 5 k m ，是目前国家电网与南方 电网输送电力的唯一通道。第三条从三峡右岸至上海，目前正处于设备招 投标阶段，计划于2 0 0 7 年投运，额定容量3 g w ，额定电压5 0 0 k v ，送 电距离1 0 0 0 k i n 。 联接西北与华中电网的灵宝背靠背直流换流站是我国一条区域电网背 靠背直流联网工程，于2 0 0 5 年6 月投产，传输容量3 6 0 m w ，直流电流3 k a ， 西北侧交流电压3 3 0 k v ，华中侧交流电压2 2 0 k v i “t o ) 。 众所周知，世界水电在中国，中国水电在西部，仅四川、云南两省的 水电可开发容量近2 0 0 g w 。按照我国能源开发战略，近期将重点开发西南 水电，采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区。位于四川、云南 接壤的金沙江下游溪洛渡、向家坝、白鹤滩和乌东德4 个大型水电站，总 装机容量达3 9 6 0 0 m w ，一期工程开发2 个电站，溪洛渡2 0 0 5 年底已正式 开工，向家坝在2 0 0 6 年正式动工兴建，两站的装机容量合计1 8 6 0 0 m w ， 首批机组发电时间分别为2 0 1 2 年和2 0 1 3 年，所发电量主送华中、华东， 送电距离约1 0 0 0 2 0 0 0 k m 。溪洛渡、向家坝两电站电能输送方式最终采用 “直流8 0 0 k v ，6 4 0 0 m w 3 回”的方案。该案的优点是出线少，为后继开 发的西部水电送出预留出十分宝贵的线路走廊资源，可节省资金7 0 多亿元 1 1 1 t 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 国内外研究现状 国外从2 0 世纪8 0 年代初就开始了直流输电单极大地回路运行时对电 力系统及其设备运行性能影响的研究l m 嘲。高压直流输电接地极能长时间为 系统输送电力，提高系统运行可靠性及钳制换流站( 整流阀) 中性点电位， 避免两极对地电压不平衡而损害设备删。当h v i ) c 系统采用以大地为回路 的运行方式时，将有上千安的直流电流流入大地。接地电流通过接地极向 四周的土壤扩散，并以直流接地极为中心，在很大的范围内形成一个恒定 的直流电流场，出现跨步电压、土壤发热、电极腐蚀等新问题i 一i 。而垂直 接地极占地面积小，可直接将电流导入地层深处，对环境影响较小，一般 适于表层土壤电阻率高而深层较低的极址或极址受到限制的地方1 2 1 j 。 对于电网中的变压器，直流偏磁主要是由于直流输电系统单极运行时 地中直流把电网作为通路的一部分所致。对于换流变压器，直流偏磁主要 是由于换相过程中绕组中出现直流电流引起的。1 9 9 3 年，日本东京电力、 东芝、日立和三菱公司进行了联合的试验研究阎。他们在小变压器和大尺 寸变压器模型试验分析的基础上，结合变压器的结构特点，提出芯式变压 器的铁芯拉板和壳式变压器铁芯的支撑板分别为直流偏磁下关键的过热部 位，并给出这些部位的温升与其磁场强度的关系。a b b 公司作为三峡直流 输电工程的系统总包单位，提出对5 0 0 k v 换流变压器允许1 5 a 的直流偏磁 给予了阐述：换流变压器在1 1 0 定电压下的励磁电流峰值为3 9 a ；直流偏 磁下，允许的励磁电流峰峰值7 8 a ，对应的直流偏磁电流约1 5 a m l 。加拿 大魁北克电力公司于1 9 9 6 年提出4 芯式变压器允许直流电流的研究”洲。 在7 3 5 k v 实际电网中，从高压侧并联运行的单相3 7 0 m v a 和5 5 0 m v a ，变 压器的低压绕组( 1 2 5 k v ) 通入直流电流( 直流电源串入并联的低压绕组) ， 进行直流偏磁的试验研究。 在国内，随着高压直流输电工程的建设，直流输电单极大地回路运行 时地中电流影响的研究逐渐得到重视。清华大学何金良研究小组与南方电 网技术研究中心合作，通过现场实际测量和建立直流大地运行时交流系统 直流电流分布的数值方法，有针对性的分析造成流过变压器直流电流过大 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的原因，研究大地中直流电流分布和对交流系统所产生的危害，提出了抑 制变压器中性点电流的措施筒2 6 1 。南京理工大学蒯狄正分析了三峡龙泉一 江苏政平5 0 0 k v 直流输电系统单极运行，发现常州武南变电站两组5 0 0 k v 主变压器均出现噪声大幅度上升。根据现场测试结果，分析了江苏交流电 网地中直流分布的特点，建立了电网直流电流模型，分析了直流偏磁导致 变压器励磁电流的变化及变压器噪声的频谱卅。中国电科院也就三一广直 流输电中的偏磁问题展开了研究。其着重研究有多个直流系统落点的交流 电网中直流接地极电流对电网影响的基本规律。提出减小直流接地极电流 对交流电网的影响应合理安排直流系统的运行方式，建立可靠的电流通道， 减小接地极接地电阻或专门建立专门线路，以及合理安排电网中接地点和 接地方式1 2 9 1 。另外，针对直流输电接地极的研究，武汉大学、华中科技大 学、华东电力试验研究院等均进行过相关的研究分析i a o - u l 。 1 。3 本文的研究意义和内容 随着直流工程容量越来越大，在电力系统中应用越来越多，直流工程 对我国电网的重要性也日益突出。但由于我国电网情况复杂，地理条件多 变，存在数条直流线路及大量的高压、大容量、远距离的交流线路，因此， 直流接地极电流的影响成为不可回避的问题。 文中各章内容如下： 第1 章介绍了高压直流输电技术和其在我国的发展，综述了国内外直 流输电系统接地极地电流的研究现状，提出本文的研究意义和研究内容； 第2 章对高压直流输电的系统构成进行概念性的介绍，并指出直流输 电单极大地回线方式可能带来的负面效应； 第3 章基于对大地土壤结构的分析，建立了垂直分层和水平分层相结 合的三层土壤结构模型，并应用拟牛顿法对不等距温纳四极法测量的土壤 结构参数进行了优化计算，从而计算得到了直流输电接地极极址附近地下 电流和电压； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第4 章借助直流输电接地极极址大地三层土壤结构模型，计算得到接 地极极址附近的地下电压及电流，利用渗流物理学中的多孔介质模型对直 流电流密度与土壤电阻率的关系进行研究，以环境工程学中离子电迁移研 究的成果为基础，推导出土壤电阻率的计算公式以及土壤电阻率随电流密 度变化的规律，最后通过实验验证了分析结果，并且建立了土壤电阻率的 直流电流特性的简化模型； 第5 章介绍变压器的直流偏磁产生机理及其励磁电流的变化情况，利 用建立的等效电路计算流过变压器的直流偏磁电流，详细描述直流偏磁给 变压器带来的危害和对地下金属构件的腐蚀。 论文工作得到了以下项目的资助： 高压直流输电系统运行对电力系统及电力设备的影响的研 究( 四川省电力公司泸州电业局项目) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章高压直流输电系统构成及接地极运行特性 交流输电与直流输电相互配合构成现代电力传输系统。直流输电是以 直流电的方式实现电能的传输。电力系统中的发电和用电绝大部分均为交 流电，要采用直流输电必须进行交、直流电的相互转换。也就是说，在送 端需将交流电转换成直流电( 称为整流) ，而在受端又必须将直流电转换为 交流电( 称为逆变) ，然后才能送到受端交流系统中去。本章将对高压直流 输电的系统构成进行概念性的介绍，并指出直流输电单极大地回线方式可 能带来的负面效应。 2 1 两端直流输电系统 两端直流输电系统通常由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成， 其原理接线如图2 - 1 所示闱。具有功率反送功能的两端直流系统的换流站， 辅型廖鞯 1 0 一。f 1 9 。l , - ：l 1 r - - 、! 、, 。o 、刊i - - r - ：l , i l i , q y l i 卜禾 弋叫di 毒q h 矿 l l 厂、j i l 、 t ! 。t - 厂、ji lr u l 境h 图2 - l 两端直流输电系统构成原理图 l 换流变压器；2 换流器；3 平波电抗器： 4 交流滤波器；5 静电电容嚣：6 直流滤波罂： 7 空制保护系统：蝴地极线路：嵫地极；l o 远动通信系统； 既可作为整流站运行，又可作为逆变站运行；当功率反送时整流站变为逆 变站运行，而逆变站则变为整流站运行。换流站的主要设备有：换流变压 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 器、换流器、平波电抗器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、控 制保护装置、远动通信系统、接地极线路、接地极等。 直流输电所用的换流器通常采用由1 2 个( 或6 个) 换流阀组成的1 2 脉动换流器( 或6 脉动换流器) 。早期的直流输电工程曾采用汞弧阀换流， 2 0 世纪7 0 年代以后均采用晶闸管换流阀。晶闸管是无自关断能力的低频 半导体器件，它只能组成电网换相换流器。目前的直流输电工程绝大多数 均采用这种电网换相换流器，只有小型的轻型直流输电工程是采用由绝缘 栅双极晶体管( i g b t ) 所组成的电压源换流器进行换流。目前在直流输电 工程中所采用晶闸管有电触发晶闸管( 即广r ) 和光直接触发晶闸管( l t r ) 两种。晶闸管换流阀是由许多个晶闸管元件串联所组成的。目前已运行的 换流阀的最大容量为2 5 0 k v 、3 0 0 0 a 。另外，根据当前的技术水平和制造 能力，已经能制造最大容量为2 0 0 k v 、4 0 0 0 0 a 的换流阀，以满足高压直流 输电的需要。 ， 换流变压器可实现交、直流侧的电压匹配和电隔离，并且可限制短路 电流。换流变压器的结构可采用三相三绕组、三相双绕组、单相三绕组和 单相双绕组四种类型。换流变压器阀侧绕组所承受的电压为直流电压叠加 交流电压，并且两侧绕组中均有一系列的谐波电流。因此，换流变压器的 设计、制造和运行均与普通电力变压器有所不同。 平波电抗器与直流滤波器共同承担直流侧滤波的任务，同时它还具有 防止线路上的陡波进入换流站，防止直流电流断续，降低逆变器换相失败 率等功能。 换流器在运行时交流侧和直流侧均产生一系列的谐波，使两侧波形畸 变。为了满足两侧的滤波要求，在两侧需要分别装设交流滤波器和直流滤 波器。由晶闸管换流阀所组成的电网换相换流器，运行中还吸收大量的无 功功率( 约为直流传输功率的3 0 5 0 ) 。因此，在换流器除了利用交流 滤波器提供的无功以外，有时还需要另外装设无功补偿装置( 电容器、调 相机或静止无功补偿装置等) 。 控制保护装置是实现直流输电正常起停、正常运行、自动调节、故障 处理与保护等功能的设备，它对直流输电的运行性能及可靠性起着重要的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 作用。2 0 世纪8 0 年代以后，控制保护装置均采用高性能的微机处理系统， 大大改善了直流输电工程的运行性能。 为了利用大地( 或海水) 为回路，以提高直流输电运行的可靠性和灵 活性，两端换流站还需要有接地极和接地极线路。换流站的接地极大多是 考虑长期通过运行的直流电流来设计的，它不同于通常的安全接地，需要 考虑地电流对接地极附近地下金属管道的电腐蚀，以及中性点接地变压器 直流偏磁的增加而造成的变压器饱和等问题。 两端的交流系统给换流器提供换相电压和电流，同时它也是直流输电 的电源和负荷。交流系统的强弱、系统结构和运行性能对直流输电系统的 设计和运行均有较大的影响。另一方面，直流系统运行性能的好坏，也直 流影响两端的交流系统的运行性能。 两端直流输电系统可分为单极系统( 正极或负极) 、双极系统( 正、负 两极) 和背靠背直流系统( 无直流输电线路) 三种类型。 2 1 1 单极系统 单极系统有单极大地回线和单极金属回线两种接线方式如图2 2 所示。 前者利用大地( 或海水) 为返回线，输电线路只有一根极导线，后者则有 淞辩潮要眇 c a )( 矗) 图2 - 2 单极直流输电系统接线示意图 c a ) 单极大地回线方式；( 6 ) 单极金属回线方式 l 换流变压器；2 换流器；3 - - - 平波电抗器； 4 直流输电线路；5 接地极系统；6 却i 端的交流系统； 一根高压极导线和一根低压返回线所组成；前者要求接地极长期流过直流 输电的额定电流，而后者则地中无直流电流，其直流侧接地属安全接地性 质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 2 双极系统 双极系统大多采用两端中性点接地方式如图2 1 所示，它是由两个可 独立运行的单极大地回线方式所组成，地中电流为两极电流之差值，正常 双极对称运行时，地中仅有很小的两极不平衡电流( 小于额定电流的1 ) 流过：当一极故障停运时，双极系统则自动转为单极大地回线方式运行， 可至少输送双极功率的一半，从而提高了输电的可靠性。同时这种接线方 式还便于工程分期建设，可先建一极，然后再建另一极。双极系统还有双 极一端换流站接地方式以及双极金属中线方式，这两种接线方式工程上很 少采用。 2 1 3 背靠背直流系统 背靠背直流系统如图2 - 3 所示，是无直流输电线路的两端直流系统， 它主要用于两个非同步运行( 不同频率或频率相同但非同步) 的交流系统 之间的联网或送电。背靠背直流系统的整流和逆变设备通常装设在一个换 = 图2 3 背靠背换流站原理接线 i 换流变压器；2 换流器；3 平波电抗器；4 0 两端的交流系统； 流站内，也称背靠背换流站。其主要特点是直流侧电压低、电流大，可充 分利用大截面晶闸管的通流能力；可省去直流滤波器。背靠背换流站的造 价比常规换流站的造价可降低约1 5 2 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 多端直流输电系统 多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站以及连接换流站之间的 高压直流输电线路所组成，它与交流系统有三个或三个以上连接端口。多 端直流输电可以解决多电源供电或多落点受电的直流输电问题，它还可以 联系多个交流系统或将交流系统分成多个孤立运行的电网。多端直流系统 中的换流站可以作为整流运行也可以作为逆变运行，但整流运行的总功率 与逆变运行的总功率必须相等，即多端系统的输入和输出功率必须平衡。 多端系统换流站之间的连接方式可以是并联或串联方式，连接换流站的直 流线路可以是分支形或闭环形。多端系统比多个两端系统要经济，但其控 制保护系统及运行操作比较复杂。目前世界上已运行的多端直流工程只有 意大利一撒丁岛( 三端，小型) 和魁北克一新英格兰( 五端，实为三端运 行) 两项。此外，加拿大的纳尔逊河双极1 和双极2 以及美国的太平洋联 络线直流工程也具有多端直流输电的运行性能。 2 3 直流输电单极运行时存在的问题 单极系统运行的可靠性和灵活性均不如双极系统好，实际工程中大多 采用双极系统。双极系统是由两个可独立运行的单极系统所组成，便于工 程进行分期建设，同时在运行中当一极故障停运时，可自动转为单极系统 运行。因此，虽然所设计的单极直流输电工程大多，但在实际运行中单极 系统的运行方式还是常见的。直流输电单极大地回线方式的优点是显而易 见的，但可能带来的负面效应应引起各方的足够注意。强大的直流电流持 续地、长时间地流过接地极所表现出的效应可分为电磁效应、热力效应和 电化效应三类。 1 、电磁效应 当强大的直流电流经接地极注入大地时，在极址土壤中形成一个恒定 的直流电流场，并伴随着出现大地电位升高、地面跨步电压和接触电势等。 因此，这种电磁效应可能会带来以下影响。 ( 1 ) 直流电流场会改变接地极附近大地磁场，可能使得依靠大地磁场工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 作的设施( 如指南针) 在极址附近受到影响。 ( 2 ) 大地电位升高，可能会对极址附近地下金属管道、铠装电缆、具有 接地系统的电气设施( 尤其是电力系统) 等产生负面影响。因为这些设施 往往能给接地极入地电流提供比土壤更好的泄流通道。 ( 3 ) 极址附近地面出现跨步电压和接触电势，可能会影响到人畜安全。 因此，为了确保人畜的安全，必须将其控制在安全范围之内。 ( 4 ) 接地极引线( 架空线或电缆) 是接地极的一部分，它与换流站相连。 在选择极址时，应对接地极引线的路径进行统筹考虑。直流输电工程几乎 都是采用1 2 脉动换流器，此换流器除了产生持续的直流电流外，还将产生 1 2 、2 4 、3 6 等1 2 倍数的谐波电流。在单极大地回线方式运行时，换流器 产生的谐波电流将全部或部分地( 当换流站中性点加装电容器或滤波器时) 流过接地极引线。这种谐波电流形成的交变磁场，将可能干扰通信信号系 统。为减少接地极架空线路上的谐波电流对通信系统的电磁干扰，其最有 效的方法之一是使架空线路远离通信线路。 2 、热力效应 由于不同土壤电阻率的接地极呈现出不同的电阻率值，在直流电流的 作用下，电极温度将升高。当温度升高到一定程度时，土壤中的水分将可 能被蒸发掉，土壤的导电性能将会变差，电极将出现热不稳定，严重时将 可使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状体，电极将丧失运行功能。影响电极 温升的主要土壤参数有土壤电阻率、热导率、热容率和湿度等。因此，对 于陆地( 含海岸) 电极，希望极址土壤有良好的导电和导热性能，有较大 的热容系数和足够的湿度，这样才能保证接地极在运行中有良好的热稳定 性能。 3 、电化效应 当直流电流通过电解液时，在电极上便产生氧化还原反应；电解液中 的正离子移向阴极，在阴极和电子结合丽进行还原反应；负离子移向阳极， 在阳极给出电子而进行氧化反应。大地中的水和盐类物质相当于电解液， 当直流电流通过大地返回时，在阳极上产生氧化反应，使电极发生电腐蚀。 电腐蚀不仅仅发生在电极上，也同样发生在埋在极址附近的地下金属设施 的一端和电力系统接地网上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章直流输电线路接地极土壤模型 高压直流输电( h v d c ) 在远距离输电和电网互联中扮演重要角色的 同时，也带来了一些亟待解决的问题，如地下直流问题。当系统以单极大 地为回线运行或者双极一根导线停运时，巨大的直流电流与大地构成回路， 当直流电流经接地极入地时，地下电流一部分经由变压器接地的中性点流 到另一端的变压器，并经该变压器的中性点入地产生直流磁通，使铁芯磁 化曲线不对称，加剧铁芯饱和，将引发振动加剧、噪声增大、容易过热等 一系列问题，严重影响变压器的安全运行。为研究高压直流输电线路处于 单极大地回路电流运行方式带来的地下电流问题，合理设计直流接地极系 统，本章基于对大地土壤结构的分析，建立了垂直分层和水平分层相结合 的三层土壤结构模型，并应用拟牛顿法对不等距温纳四极法测量的土壤结 构参数进行了优化计算，从而计算得到了直流输电接地极极址附近地下电 流和电压。 3 1 模型建立 直流输电以大地为回线运行时，大地相当于直流输电线路的一根导线， 流经它的电流为直流输电工程的运行电流。大地的典型结构可用图3 - 1 表 示【蛔。最上层为腐植土层，其电阻率砌在1 0 1 0 0 0 q m 之间，厚度h 口为 几米到几十米；第二层为全新世地层，其电阻率所在1 0 0 4 0 0 f 2 m 之间， 厚度m 在1 4 1 a n 之间：第三层为原始岩石，其电阻率m 在1 0 0 0 2 0 0 0 q m 之间，厚度h 2 在l o 3 0 k m 之间；第四层为地球的内部热层，它有几千公 里的半径并具有良好的导点性能，在分析时可认为p 3 = o ，b c o 。在不 同条件及不同距离的情况下，进行了一系列的直流电流通过大地的实验， 结果表明，它和地质学家通过其他途径所得到的关于地球内部的观点相当 一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 广一地表一 缸ip 卢1 0 l o o o f 2 m 一 所j p 尸l o o 4 0 0 q 胁 妻一 垃，10 2 = 1 0 0 0 2 0 0 0 0 d n l 一 圭一 b ，i 力4 m 图3 - 1大地的典型结构 由于大地最上层的腐植土层只有几米到几十米厚，又由于接地电极的 形式对大范围内的地中电流分布影响很小，因此可以建立三层土壤结构模 型，分析大地中直流电流分布，各层土壤电阻率及测试深度的函数关系为； 驴n 1 + 叩似卜 似叫 。1 其中如是第一类零阶b e s s e l 函数：h l 和鹿分别代表第i 层的厚度和电 阻率； 椰，一面笋等害芸一 协2 ， 式中k f = ( 0 2 - m ) ( p 2 + p o ；k l = ( p 3 - p 2 ) ( p s + p 2 ) 。 3 2 土壤结构参数确定 3 2 1 不等距温纳四极法 所谓四极法测量即是用一对电流探针向大地引入电流，用另一对探针 测量所产生的电位差，然后利用测得的电压和电流关系，计算出所测土壤 的电阻率。四极法的电流和电压探极有温纳法( w e n n e r a r r a y ) 、库勒伯格 法( s c h l u m b e r g e r a r r a y ) 等多种排列方式，其中温纳法是迄今为止用于测 量大地电阻率最广泛的方法之一。 温纳法电流和电压探针布置在一条直线上( c 1 一p 1 一p 2 - c 2 ) ，探针极 矩相等。若c 1 - c 2 通过的电流为，p 1 一p 2 间测得的电压为，则所测点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的视在电阻率为 p 一2 m u i ( q m ) ( 3 3 ) 式中，d 为极矩，认为是测试深度( m ) 。 该方法操作简单，便于掌握，在土壤分布均匀的情况下，测量结果准 确。对于上下层土壤电阻率有变化，则可以通过改变极矩d 来获得其曲线 的变化，从而可获得大地电阻率分层结构。 温纳法不仅要求探针极矩相等，而且要求布置在一条直流上，但由于 高压直流输电在测量土壤视在电阻率时测试范围之广、测量极距之大和测 量点数目之多，探针的布置容易受到房屋和沟、渠、塘、道路、农作物等 条件的限制，因此一般都用不等距温纳四极法测量。该方法用于葛一南、 天一广和三一常等直流输电工程换流站接地极大地电阻率的测量，并获得 了满意的效果。 不等距温纳四极法1 3 7 l 测量如图3 - 2 所示，设c 1 - p 1 、c 1 p 2 、c 2 一p 1 、 c 2 p 2 间的距离分别为l 1 、l 2 、l 3 、l 4 ，当电流i 从c 1 流入和c 2 流出 时，根据恒定电流方程式，电压表测得的电压值( ，可以得到土壤电阻率p ： p一舀mu|i(3-4) 三。三三一三一三( 3 - 5 ) a 厶工2 岛l 式中卜大地视在电阻率，q m ； u 二电压极间电位差，v ； i 测试的注入大地电流，a ： 4 顿4 试深度，m ： l 1 、l 2 、l 3 、l 4 一电压极、电流极相互间的距离，m 。 ( 口) p ll 3 c 1 l 2 ( 矗) 图3 - 2 不等距温纳四极法 吻 乙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 由于不等距四极法的测量探极间的距离可以是任意的，可以不在一条 直线上，因而给测量工作带来极大的方便；可以方便地利用场地的架空配 电线路作为测量回路：交替交换电流与电压探极，获得不同的测试深度； 探极布置不受房屋和沟、渠、塘等条件的限制，节省- 了测量费用。 3 2 2 参数优化 通过不等距温纳四极法实测数据，可以分析出视在电阻率的实测数据 和理论值之间由于土壤的不均匀性而存在差距，这就需要建立视在电阻率 实测值和理论值的最小二乘准则关系式来确定三层土壤参数p o 、p j 、p z 、加、 h d 、h 和h 2 。基于地球内部是具有良好导电性的物体，而且这一层有几千 公里厚，我们可以令p 3 - - o ，则在计算地下电流所引起的误差可以略而不计。 求解目标函数： 删- 薹( 警糍幽) 2 i 幽 ( 3 6 ) 其中材为改变测试深度a 时的测量次数，以( 口) 为测试深度为a 时的 实测值，0 ) 为不同参数下由式( 3 - 1 ) 得出的计算值，x = p o ，p l ，p 2 ， h d ，h j ，圯 为待求参数。对具体土壤，其胁和h f 必然是正数，经转化公式 啊暇) 2 ，p ，- ( p ；) 2 和石- 戌，硝，反，聪，k ，噬) 转化后上述有约束条件的最小 值问题变成无约束条件的最优化问题，目标函数，( 研就可相应转化为 f ( x ，) ，僻) 对聊和的偏导向量v f 就变成： w 碱薜虞砖 i 柏- ( 碱丢，纠蔷，刎盖，巩蒹，叫簧，冼, 面o f y r ( 3 - 7 ) 两层土壤参数的最优化求解方法有p o w d l 方法1 3 i i 、l e v e n b e r g m a r q u a r d t 方法、牛顿法嗍、拟牛顿法l j , o l 等。本章采用拟牛顿法来求无约束最优化中 的梯度向量。拟牛顿法l l l 的研究对象是m i n f ( x ) 其中x 是无