直流换流站设备运维管理—脚本.doc

大家好，欢迎学习专业管理类系列课程直流换流站运维管理。我是这堂课的讲师。本节课程将从以下三个方面讲解了直流换流站设备运维管理的相关内容1、直流输电基本概况;2、换流站核心设备介绍;3、换流站设备运维管理要求本课程主要面向直流换流站运维管理人员学习者学习前应了解电力系统运维管理相关知识。本节课程的学习目标主要有以下三方面：1、了解直流输电基本概况；2、熟悉直流换流站设备的基本原理和作用；3、掌握直流换流站设备运维管理要求。本课程为2个课时，90分钟。2003年以来，随着三峡电力外送，国家电网公司直流输电进入了快速发展时期，目前已投运直流输电工程14座，换流站25座，输送容量达4225万千瓦，国家电网公司已成为世界上运行直流输电规模最大的电网公司。直流输电承担着大型能源基地电力外送和跨区联网的重任，关系着大电网安全稳定运行，确保直流输电长期安全可靠运行意义重大。无下面我们来学习第一部分的内容：直流输电的基本概况在这一部分里，我们将从直流输电的概念、类型、发展历史、优缺点、应用、直流输电之最和中国直流输电的发展等7个方面进行阐述。什么是直流输电？顾名思义，直流输电就是以直流电的方式实现电能的传输。目前电力系统中的发电和用电绝大部分都为交流电。因此，要实现直流输电，在送端就必须将交流电变换为直流电，经过直流输电线路送往受端，在受端再将直流电变换为交流电，然后送至受端的交流系统。送端将交流电变换为直流电的过程叫整流，实现整流的变电站称为整流站。受端将直流电变换为交流电的过程叫逆变，实现逆变的变电站称为逆变站。整流和逆变统称为换流，整流站和逆变站统称为换流站。目前，大型高压直流输电工程均采用晶闸管进行换流。晶闸管具有单向导通性，是半控型器件，通过触发脉冲控制其导通时刻。若干个晶闸管组成一个换流阀，通过在不同时刻控制不同换流阀的导通实现换流的过程。直流工程中用于换流的换流器是以6脉动换流器为基础的。下面简要介绍一下整流侧和逆变侧6脉动换流器的换流过程。6脉动换流器等效电路为三相全波桥式电路，ea、eb、ec为交流系统相电压，Lc为每相的等值换相阻抗。1、3、5号阀称为共阴极阀，2、4、6号阀称为共阳极阀。整流侧直流电压为m1与n1之间的电位差，逆变侧直流电压为n2与m2之间的电位差。下面分析换流器作为整流器运行时，理想情况下的换相过程及直流电压的建立过程。C1至C6对应换流阀V1至V6触发脉冲的给予时刻。C1时刻之前，V5、V6换流阀导通。C1时刻，A相电压最高，V1换流阀承受正向电压，V1换流阀触发脉冲P1到来，V1换流阀导通。V1换流阀导通后，V5换流阀承受反向电压关断，完成换流阀V5向V1的换相过程。V6换流阀因未承受反向电压而一直导通，直至C2时刻V2换流阀触发脉动到来。同样分析得出，在C2、C4、C6时刻共阳极阀V2、V4、V6依次换相，C1、C3、C5时刻共阴极阀V1、V3、V5依次换相。6脉动换流器在任一时刻均有两个阀导通，一个工频周期内6个阀依次导通一次，每个阀导通120，阻断240。在交流电动势的作用下，通过控制触发脉冲时刻，换流阀周而复始地按序导通和关断，从而在m1和n1之间得到依次为1/6周期交流线电压段组成的直流电压波形，将正弦交流电变换为每个工频周期有6个脉动的直流电压。换流器作为逆变器运行时，其换相过程和阀的导通顺序与整流器基本相同，但共阴极点m2电位为负，共阳极点n2电位为正，与整流器正好相反。6个阀规律性导通和关断，在一个工频周期内，6个阀各导通一次，将直流电流送入换流变压器的三相阀侧绕组，由于晶闸管具有单向导通性，两次流过同一绕组的电流方向相反，产生交变磁通，从而在换流变压器网侧产生交流电动势，实现直流电向交流电的转换。以上可以看出直流电压波形在一个工频周期内均有6个脉动，因此称为六脉动换流器。目前直流工程中普遍采用的12脉动换流器是由2个六脉动换流器串联而成，其直流电流波形纹波更小，经平波电抗器后，电流波形更加平滑。直流输电工程按系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端直流输电系统又可分为单极直流输电系统、双极直流输电系统以及背靠背直流输电系统。其中双极直流系统和背靠背直流系统应用最广泛。下面我们将分别进行介绍。单极直流系统按接线方式可分为单极大地回线方式和单极金属回线方式两种。单极大地回线方式是利用一根导线和大地构成直流输电回路，单极金属回线利用两根导线构成直流输电回路。单极直流工程一般采用单极大地回线方式，其接线如图所示。单极直流系统运行的可靠性和灵活性均不如双极直流输电系统，其主要应用于高压海底电缆直流输电工程。双极直流系统一般采用正负两极对地，两端换流站的中性点接地方式，利用正负两极导线和两端接地极，构成直流输电回路。当双极平衡运行时，正负两极在大地回路中的电流大小相等、方向相反，接地极中无电流流过。当一极故障退出运行时，另一极可利用大地转为单极大地回线方式，也可利用故障极直流线路转为单极金属回线方式。双极两端中性点接地方式主要用于远距离大容量输电工程。背靠背直流输电系统是两端直流输电系统的一种特殊方式，将整流站和逆变站合建在一个换流站内，在同一处完成交流变直流，再由直流变交流的换流过程。主要用于大电网之间非同步联网。多端直流输电系统由三个或三个以上的换流站以及高压直流输电线路采用串联或并联的方式组成。多端直流输电工程一般采用并联接线方式，如图所示。多端直流输电系统由于控制保护系统和运行操作复杂，实际应用工程较少，目前国内尚无工程应用。直流输电的发展主要经历了初始阶段、弧汞阀阶段、晶闸管阀阶段和新型半导体阀阶段四个阶段，目前正处于晶闸管阀和新型半导体阀并存的阶段。在直流输电发展的初始阶段，直流输电是不需要经过换流，直接从直流电源送往直流负荷。1882年法国物理学家德普勒完成了有史以来的第一次直流输电试验。1954年瑞典投入了世界上第一个工业性直流输电工程果特兰岛直流工程，标志着汞弧阀阶段的到来。但由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、可靠性较低、运行维护不便等因素，在20世纪70年代后逐渐被淘汰。1972年，加拿大投入世界上第一个全部采用晶闸管阀的直流工程，标志着晶闸管阀时代的到来。晶闸管阀虽然是半控型器件，但其容量大、技术成熟，目前仍是直流输电工程的主流。1999年6月，瑞典投运了第一个的柔性直流输电工程哥特兰岛工程，开辟了直流输电一个全新的领域。虽然这种新型可关断半导体器件容量小、损耗大、控制技术复杂等缺点限制了其发展，但是由于自身的诸多优点，随着电子器件的发展，它将成为未来输配电系统中一个不可或缺的重要组成部分。直流输电的发展同时也伴随着直流电压和输送容量的发展。从1954年世界上第一个直流工程瑞典果特兰岛直流输电工程到2012年中国锦苏特高压直流输电工程，直流输电电压经历了从100千伏到800千伏的飞跃发展，同时输送容量也从最初的2万千瓦增长到目前最大的720万千瓦。按照国网公司“十二五”规划，2014年将投运的中国准东至成都特高压直流工程，额定直流电压将达到1100千伏，额定输送容量将达到1045万千瓦。直流输电在技术和经济上有许多不同于交流输电的特点，下面把这两种输电方式加以比较，将有助于对直流输电的了解。优点1：直流输电具有大容量输送的能力，能够充分发挥规模输电优势。优点2：直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制。优点3：直流输电架空线路只需要正负两极导线，因此直流输电的杆塔结构简单，线路造价低。同时直流线路无电容电流，不需装设并联电抗器。优点4：直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，没有磁感应损耗和介质损耗。优点5：直流输电不存在两端交流系统之间同步稳定性问题，被联电网不受频率限制，可实现非同步联网。优点6：直流输送功率大小和方向、换流器吸收的无功均可快速控制，有利于改善所连交流系统运行特性。优点7：通过直流输电互联的大电网之间不会互相干扰和影响，可迅速进行功率支援，且故障时不传送短路电流，有利于避免大面积停电。优点8：直流线路重启动动作时间短，可以多次重启动，甚至降压运行，线路自防护能力强。直流输电虽然具有诸多优势，但也存在以下缺点：1、换流站设备多、结构复杂、造价高、损耗大，对运维人员要求高。2、换流器工作时消耗大量的无功功率，因此需要装设大量的无功补偿设备。3、换流器在运行的过程中在交流侧和直流侧均产生大量的谐波，因此必须装设大量的交直流滤波器。4、单极大地回线运行时，大地中流过大电流，可能造成地中埋设物电腐蚀、附近主变压器发生直流偏磁等问题。直流输电主要应用于以下几个方面：1、远距离大容量直流架空线路工程。直流输电在远距离大容量输电方面占有比较明显的优势，随着电力设备技术的发展，直流输电与交流输电的等价距离将会越来越短。2、直流海底电缆工程。直流电缆的造价低，且无电容电流，输电距离不受限制，所以大部分跨海峡输电工程均采用直流输电。3、电力系统联网。交直流并联输电联网后将形成可以利用直流输电的快速控制特性改善电网性能的同步运行大电网。4、向孤立负荷点送电或从孤立电站向电网送电的直流工程。5、向用电密集的大城市供电的直流工程。直流电缆造价低、输电距离不受限制，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电网短路电流增大的措施。6、新能源接入电网。受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网，利用直流输电可以解决清洁能源发电并网的安全技术问题。2012年我国投运的锦苏直流工程创造了多项世界之最，是目前世界上运行电压最高、架空线路最长、换流单元容量最大、输送容量最大的直流输电工程。背靠背换流站容量最大是中国高岭背靠背直流工程。海底电缆最长的是挪威至荷兰海底直流工程。海底电缆电压等级最高的是美国新泽西州至纽约长岛直流工程。海底电缆容量最大的是英法海峡直流输电工程。下面简要介绍我国直流输电的发展历史。早在50年代初，我国就向苏联学习高压汞弧阀的设计制造；1974年，在西高所建成了8.5千伏、200安，容量为1.7兆瓦的背靠背换流试验站；1978年，在上海投运了一条31千伏、150安、送电电缆全长为8.6公里的直流输电试验工程。以上研究阶段为以后舟山直流输电工程的设计、调试和运行积累了丰富的经验，进行了必要的技术准备。1987年舟山直流输电工程投运，标志着我国直流输电进入了工程应用阶段。1990年，我国投运了第一个正负500千伏直流工程葛南直流工程。进入21世纪，我国直流输电实现了跨越式发展，相继投运了9个正负500千伏常规直流工程、3个背靠背直流工程。2010年，我国第一个正负800千伏直流工程向上直流工程投运，标志着我国直流输电事业迈入了特高压直流输电时代。下面简要看一下我国已投运的大型直流输电工程：1990年，第一个正负500千伏直流输电工程葛洲坝-南桥直流工程投运，额定输送容量为120万千瓦。2001年，天生桥至广州正负500千伏直流输电工程投运，额定输送容量为180万千瓦。2003至2004年，相继投运了3个正负500千伏、300万千瓦的直流输电工程，分别是龙泉至政平、江陵至鹅城、安顺至肇庆直流输电工程。2005年投运了第一个背靠背直流输电工程灵宝背靠背直流工程，额定容量为36万千瓦。2006至2007年，我国又投运了宜都至华新、兴仁至深圳两个正负500千伏、300万千瓦的直流输电工程。2008至2009年，高岭和灵宝单元2两个背靠背直流工程相继投运，容量分别为150万千瓦、75万千瓦。2010年，我国投运了世界上第一个正负800千伏特高压直流输电工程复龙至奉贤直流输电工程，即向上直流工程，额定输送容量为640万千瓦。同年，还投运了正负800千伏楚雄至穗东特高压直流输电工程以及正负500千伏德阳至宝鸡、伊敏至穆家2个直流工程。2011年，正负660千伏银川东至青岛、正负500千伏团林至枫泾、正负400千伏柴达木至拉萨直流工程相继投运。黑河背靠背直流工程同年投运。2012年，正负800千伏裕隆至同里特高压直流工程，即锦苏工程，投入运行，容量达720万千瓦。同年，高岭背靠背扩建工程投运，该站容量达300万千瓦。截至目前，我国已投运直流工程18个，换流站33座，输送容量5505万千瓦，约占世界已投运直流工程的39%；线路全长14178公里,约占世界已投运直流工程的35%。在世界上率先建成正负800千伏和正负660千伏直流示范工程，中国已成为世界上投运直流输电工程最多、直流输电技术应用最全面的国家，在高压直流输电领域实现了“中国创造”和“中国引领”。按照国网公司发展规划，“十二五”期间公司还将建设12个特高压直流输电工程，相应新建24座特高压直流换流站。至2015年底，公司管理的直流工程将达到25个，换流站47座，输送容量13152万千瓦。将首次研发应用正负1100千伏直流输电技术，正负800千伏直流输电技术全面进入规模应用阶段，并将发展正负800千伏同塔双回和多端直流输电技术。本章主要介绍了直流输电的概念、分类，对直流输电的优缺点进行了阐述，介绍了直流输电的主要应用场合和中国直流输电的发展。现在介绍第二部分内容，换流站核心设备。常规换流站的核心设备可以分为一次主设备、二次控制保护设备、辅助设备三个部分。其中一次主设备主要包括：换流变压器、换流阀、平波电抗器、直流滤波器、直流开关 、直流测量装置以及交流滤波器等设备。本节主要对上述设备的结构、原理及作用进行讲解。除上述设备外，换流站还配置有交流开关、交流测量装置、避雷器等设备，因与常规交流设备一样，就不再一一介绍了。用于直流输电的主变压器称为换流变压器。换流变压器的主要作用有：1、将送端交流电力系统的电功率送到整流器或从逆变器接受功率送到受端交流系统；2、为换流阀换相提供电压；3、通过两侧绕组的磁耦合实现交流系统和直流部分的电绝缘和隔离；4、对从交流电网入侵换流器的过电压波起抑制作用。换流变压器的基本原理与常规电力变压器相同。与常规电力变压器相比，换流变压器具有漏抗大、有载调压范围广等特点，其主要区别有：1、短路阻抗大。为了限制阀臂及直流母线短路时的故障电流，避免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。大容量换流变压器的短路阻抗百分数通常为12%18%。2、绝缘结构复杂。换流变压器的阀侧绕组除承受正常交流电压产生的应力外，还要承受直流电压产生的应力。另外，直流全压启动以及极性反转，都对换流变压器的绝缘结构提出了更高要求。3、存在谐波电流。换流变压器在运行中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过。变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。4、有载调压范围大。为了补偿换流变压器交流网侧电压的变化，以及将触发角运行在适当的范围内，要求有载调压分接开关的调压范围较大，特别是可能采用直流降压模式时，调压范围往往高达20%30%。5、产生直流偏磁。交直流线路的耦合、接地极电位的升高等原因，都使得流经变压器中性点的直流电流较大，导致换流变压器阀侧及网侧绕组的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁。换流变压器直流偏磁会导致损耗、温升及噪音增加。6、试验项目多。换流变压器除了要开展与普通电力变压器一样的型式试验之外，还要进行直流方面的试验，如直流电压试验、直流电压局放试验、直流电压极性反转试验等。换流变压器压器的主要附件有：油枕，作用是满足变压器油体积变化，减少或防止水分和空气进入变压器，具有延缓变压器油和绝缘老化的功能。气体继电器，是变压器的一种保护组件。当变压器内部故障使油分解产生气体或造成油流冲击时，继电器的接点动作，给出信号或自动切除变压器。 套管分网侧套管和阀侧套管，其主要作用是将换流变压器压器的内部高低压线圈引出至本体外部，不但作为对地绝缘，而且担负着固定引线的作用。压力释放阀，是变压器的一种压力保护装置。当变压器内部有严重故障时，油分解产生大量气体，造成油箱内压力急剧升高，压力释放阀将及时打开，排出部分变压器油，降低油箱内的压力。待油箱内的压力降低后，压力释放阀将自动闭合，保持油箱的密封。冷却器的主要作用是形成油温对流，经冷却器冷却后流回油箱，起到降低变压器温度的作用。有载分接开关，通过改变电压比来调整换流变压器电压，采用逐级调节方式。在线滤油装置作用是去除有载分接开关调节过程中放电导致油劣变产生的固体杂质，使油变得清洁，提高变压油的绝缘性能。 换流变压器按结构型式可分为三相三绕组、三相双绕组、单项三绕组、单相双绕组四种。采用何种结构型式，应根据换流变压器交流侧及直流侧的系统电压要求、变压器容量、运输条件以及换流站布置等因素来确定。目前，中等容量和电压等级的换流变压器多采用三相双绕组；大容量换流变压器多为单相三绕组或单相双绕组。下面介绍平波电抗器。平波电抗器串接在换流阀和直流输电线路之间，其最主要的参数是电感量，利用楞次定律，来抑制浪涌和谐。平波电抗器的主要作用有：一是限制故障电流的上升率；二是平滑直流电流的纹波；三是防止直流低负荷时的电流断续；四是防止直流线路或直流场所产生的陡波冲击进入阀厅，保护换流阀免受过电压应力而损坏；五是与直流滤波器一起构成直流谐波滤波回路。目前国内直流输电工程中，平波电抗器有两种结构型式，一种是干式平波电抗器：通过绝缘子支撑，对地绝缘简单；无油，无火灾危险和环境影响；噪声低，重量轻，运行维护费用低。另一种为油浸式，有铁芯，单台电感量大，油纸绝缘系统成熟，运行可靠；安装在地面，重心低，抗震性好；套管可直接穿入阀厅，避免了水平穿墙套管存在的不均匀湿闪的问题。平波电抗器附件和换流变压器附件基本相同，不再一一介绍。换流阀是直流输电系统中的关键核心设备，就是通过它来实现交流电和直流电之间的转换。换流阀安装在阀厅，通常称为阀塔，有支撑式和悬吊式两种安装形式。支撑式是换流阀放置在位于地平面的支撑绝缘子上，悬吊式是换流阀悬吊在建筑物顶部横梁上。阀塔的基本单元为单阀，进而可以组成双重阀或四重阀。该图为一个阀组件。单阀由阀组件串联而成，阀组件由阀段组成，每个阀段包括晶闸管级、饱和电抗器、均压电容器以及水冷却回路等元件，晶闸管级又由晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻及保护监视回路组成。其中，晶闸管根据触发方式的不同分为光触发和电触发两种形式。TVM板一方面作为该晶闸管级的直流均压回路，同时对该晶闸管级两端的电压进行监测，并产生相应的回检信号。电触发采用TCU板，除具有TVM板功能外还有触发功能。阻尼电容和阻尼电阻组成阻尼回路，其功能主要是使晶闸管间的电压分布均匀，限制阀关断时的换相过冲。饱和电抗器是在晶闸管触发导通或出现电流突变时，为了限制电流的变化速率，使晶闸管免受不均匀导通产生局部过热而引起的破坏。均压电容主要用来改善因杂散电容和暂态陡波冲击而造成在阀段间的电压分布不均匀。下面介绍晶闸管的基本特性。晶闸管具有单向导通性，在不导通时能阻断一定的正向、反向电压，导通后晶闸管上承受的电压几乎为0。晶闸管正常导通必须满足两个条件：一是阳极电压高于阴极；二是控制极有触发脉冲。晶闸管正常关断也必须满足两个条件：一是流过晶闸管的电流过零；二是晶闸管承受的电压持续一段时间为零或为负。阀控单元是将控制脉冲转化为触发脉冲，用于触发阀上的每一个晶闸管。其主要功能有：1.为所有的晶闸管提供触发脉冲；2.监测晶闸管及其相关设备的状态；3.在反向恢复期保护晶闸管；4.产生阀电流过零关断信号；5.执行自检。光触发阀控制和电触发阀控制都是通过微处理器来实现的，在不同的工程中，称之为VBE或VCU。为了切除直流系统故障、实现运行方式的转换以及检修的隔离等目的，在换流站的直流侧装设有直流开关。直流开关由转换开关、振荡回路和吸能器等部分组成。其主要特点有：1.直流电流无自然过零点，灭弧困难。直流开关借助并联的振荡回路，以产生电流过零点，实现开关电弧熄灭。2.直流回路的电感大，所以直流开关灭弧时要吸收大量能量。3.过电压高，需要配置大容量金属氧化物避雷器。直流开关按功能可分为4种，分别为MRTB金属回线转换开关、GRTS大地回线转换开关、NBS极中性线开关和NBGS快速接地开关。四种直流开关在直流系统中所承担的作用并不一样。当单极计划停运时，使用NBS将该极设备与另一个极隔离。GRTS和MRTB相互配合，实现单极金属回线和单极大地回线两种运行方式之间的带电切换。当接地极系统故障时，合上NBGS开关，用站内临时接地措施代替接地极，以保持直流系统继续运行。换流器在换流的过程中会在交流侧产生谐波电压和谐波电流，对于12脉动的换流器而言，它在交流侧将主要产生12倍加减1次的特征谐波，如果谐波过大，将会造成：发电机和电容过热；换流器的控制不稳定；对通讯系统产生干扰；有时会引起电网中发生局部的谐振过电压。一般在换流站配置有交流滤波器，包括电容器组和滤波器组。其主要作用有：1、为交流网和换流器提供所需的无功功率。2、当发生接地故障时，限制流入系统的故障电流。3、滤除交流侧特定次谐波和稳定交流电压。交流滤波器的基本原理是，通过电抗器、电容器和电阻器的不同组合，致使某次谐波流经它时所呈现的阻抗很小，从而将谐波电流导出系统，达到滤除谐波的功能；同时，由于电容器、电抗的存在，还具有无功补偿的功能。交流滤波器主要组成元件有：电抗器、电容器、电阻器。直流滤波器一般装设于极母线和极中性线之间。直流滤波器的电路结构与交流滤波器类似。常规换流站每极配置两组直流滤波器，分别滤除12、24、36次谐波。直流滤波器的作用有：1、减小直流侧谐波分量，使直流电流波形平滑；2、小电流时保持电流连续；3、滤除直流侧高次谐波。直流滤波器为无源滤波器，仅由无源元件电容和电感组成，将其构成串联回路与并联回路，利用其组合的阻抗频率特性，来滤除特征谐波。图中显示的是，直流滤波器的组成元件，左侧是电容器，右侧是电抗器。直流滤波器其与交流滤波器的区别有1、不需要向换流站提供无功。2、交流滤波电容器上的电压可以认为是均匀分布在多个串联的电容器上，但是由于电容器隔直通交的特性，直流滤波电容器内部均装设有并联的均压电阻。3、交流滤波电容在特定频率下可能与交流系统电感间产生谐振，因此需要采用阻尼措施，而直流滤波器不存在这种情况。目前，常规换流站直流电流测量装置主要有两种，一是光电流互感器，二是零磁通电流互感器。光电流互感器，按其原理和结构分为有源型、无源型及全光纤型三类。有源型光电流互感器的原理是：高压侧电流信号通过采样线圈将电信号传递给发光元件而转换成光信号，通过光纤将光信号传输到低电位侧，然后将光信号转换成电信号，并放大输出。无源型光电电流互感器传感头部分不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制成，处于地电位的光源发出的偏振光经光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，即电流信号偏振调制光波。带电流信号的光波经光纤传到地电位侧，经光电变换后放大输出。全光纤型光电电流互感器实际也是无源型，只是传感头是光纤本身制成的，其余与无源型完全一样。光电流互感器的主要特点有：1、采用高精度的分流器测量直流电流；2、高电位端采用光能电子设备；3、信号传输采用光纤，降低了电磁干扰的影响；4、信号传输光纤通过直径小的硅橡胶套管，降低了污秽影响；5、测量装置结构轻巧。零磁通电流互感器是利用磁通平衡原理来实现电流测量的。零磁通电流互感器的环形铁芯有3个绕组，第一个绕组N1流过一次电流，建立一个磁通势；第二个绕组N2连接一个放大器输出作为高增益的积分器，它产生的磁通势与第一个绕组抵消，取得平衡；第三个绕组N3主要是来调节第二个绕组中的输入电流，使磁通势重新达到新的平衡。光电流互感器用于直流电流测量，主要分布在：1、直流线路和极母线；2、直流滤波器高压侧；3、直流滤波器电容器塔桥臂。零磁通电流互感器主要分布在：换流阀中性出线侧，中性区域，快速接地开关侧，金属回线开关侧和接地极出线侧。直流分压器和交流电压互感器一样，都通过低电压来反映高电压，测量的二次电压用于直流控制保护系统，包括控制、保护、测量、录波等。直流电压分压器是利用阻容分压的原理，又叫阻容分压器。包括一个高压支路及一个带连接端口的低压支路，根据分压比例，通过低压端输出的电压信号反映一次设备电压，电压信号送至控制保护系统进行测量运算 。直流分压器在直流系统中分布在极母线侧和直流中性母线侧。直流输电和交流输电技术的显著不同在于输电过程对控制保护系统的依赖性。直流控制系统为完全冗余的双重化系统，两个系统之间可以在故障状态下进行自动切换或由运行人员进行手动切换。在运的有效系统，应是较为完好的那一重控制系统。而双重化或三重化配置的直流保护系统，每个系统都同时有效。控制保护系统的主要功能有：1、直流输电系统的起停控制；直流输送功率大小和方向的控制；抑制直流系统不正常运行及对所连交流系统的干扰。2、发生故障时，保护换流站设备。3、对直流系统的各种运行参数进行监视，如电压、电流以及控制系统本身等。4、对换流站设备进行监控。直流控制保护系统主要包括：直流极控系统、直流保护系统、交直流站控系统、运行人员控制系统、与远方调度中心的接口等五部分。您现在看到的是换流站控制保护系统的一个典型配置方案。下面简要介绍直流极控系统。极控系统是整个换流站控制系统的核心，其控制性能将直接决定直流系统的各种响应特性以及功率/电流稳定性。主要功能是通过对换流阀触发角的调节，实现设定的输送功率或输送电流。极控系统主要包括三部分:1、极控系统主机：对换流器、换流变压器、直流场等设备进行控制和监视，收集极控系统范围内的“事件”并上传送入运行人员控制系统。2、分布式现场总线：完成I/O与极控主机之间的数据传输。3、分布式I/O：完成极控系统所需要的各种模拟量和状态量的采集，实现与交/直流场一次设备、水冷却系统、阀基电子设备及其它二次子系统间的接口。直流极控系统主要包括11个功能模块，现在简要介绍其作用。1、极功率控制或极电流控制：接收来自运行人员的功率或电流指令、升降速度，以及来自附加控制的调制信号；根据当前的直流电压计算得到电流指令；在交流和直流扰动下，仍保持直流输送功率或电流恒定，并保持直流系统的稳定性。2、过负荷限制：在当前环境温度条件下，考虑备用冷却设备是否可用，以及晶闸管当前结温，计算得到直流系统的过负荷能力，对极电流指令进行限幅，在充分利用直流系统过负荷能力的同时，而不会因为设备过应力而发生停运。3、直流功率调制：这是一个附加的调制控制，以提高整个交直流联网系统的性能。4、换流器触发控制：是直流极控的核心模块，接受极电流指令，产生触发角指令。5、控制脉冲发生单元：接收来自换流器触发控制的触发角指令，并将触发角指令转换成控制脉冲，送至阀控系统。6、无功功率控制：主要完成换流站交直流系统无功的计算、交换和控制，通过投切交流滤波器，保证交流侧的谐波水平和无功功率交换容量在允许范围内，从而改善换流站交流系统的性能。7、开关顺序控制、模式顺序控制、准备顺序控制：实现直流系统的平稳启停、各运行状态和控制模式之间的平稳转换；实现安全可靠地操作断路器、隔离开关和接地刀闸。8、电压角度参考值计算：直流电压和触发角等参考值的计算。9、换流变分接头控制：通过对换流变分接头的控制，使阀侧空载直流电压或触发角保持在参考值附近。10、线路开路试验控制：主要用于测试直流极的绝缘水平。11、站间通讯：主要是直流系统两端换流站间的通讯。直流系统运行期间可能发生故障或异常，主要有：1、 故障，如阀短路、极母线短路。2、 过应力，如过压、过载。3、器件损坏，如电容器损坏、转换开关无法断弧。4、其它，如功率振荡。针对不同的故障或异常，采用不同的保护配置原则。对于故障情况，尽量配置两种不同原理的保护，互为后备。对于过应力、器件损坏等其他情况，至少配置一种原理的保护。该图为直流保护系统的区域划分，主要有：换流阀区、换流变区、直流滤波器区、极高压母线区、极中性母线区、直流线路区、双极中性区。下面简要介绍各个分区的保护配置。首先是换流阀区。换流阀区的故障主要有：换流阀短路、丢失触发脉冲、换相失败等。针对这些故障配置的保护主要有：阀短路保护、桥差动保护、换相失败保护、过流保护、换流器差动保护、电压应力保护、谐波保护。其中谐波保护包括50赫兹、100赫兹等保护。极高压母线、中性母线区域的故障主要有：接地短路、过电压、低电压等。针对这些故障配置的保护主要有：极母线差动保护、中性母线差动保护、极差动保护、直流过压保护、直流低电压保护、接地极开路保护、中性母线开关保护、交流低电压保护。直流线路区的故障主要有：金属性接地、高阻接地短路、断线等。配置的保护主要有：线路行波保护、线路电压突变量保护、线路低电压保护、线路差动保护、重启动逻辑、交直流碰线报警。双极中性区域的故障主要有：接地短路 、过电压、转换开关无法断弧、断线、过载等。对于这些故障，主要配置了以下保护：双极中性线差动保护、转换开关保护、接地极线过流报警、站内接地过流保护、金属回线接地保护、金属回线差动保护、金属回线横差保护。直流系统在运行时可能会产生其它一些故障或异常，如：开路试验故障异常、交流系统异常、与交流系统失去连接、阀触发运行异常、接地极线阻抗异常等。针对这些故障配置了一些保护，如：开路试验保护、阀侧交流连线接地保护、阀结温过热保护、大角度监视、最后断路器保护、阀触发异常保护、接地极线阻抗监视等直流保护动作后果主要有以下14种： 1、切换到备用控制系统：将极控系统从原来的有效系统切换至备用系统，避免控制系统故障引起不必要的跳闸。2、移相：将触发角迅速增加到90以上，将换流阀从整流状态变到逆变状态，以减小故障电流，加快直流系统能量释放，便于换流阀闭锁。3、闭锁换流器：除去发向晶闸管的控制脉冲，此时，只要电流降至零阀就停止导通。4、直流系统再启动：直流线路发生闪络故障时，整流侧换流阀移相，待短路弧道去游离后，再将直流系统恢复运行。再启动包括原电压再启动和降压再启动。5、跳换流变交流侧断路器：使换流变交流侧与交流电源断开连接。6、启动断路器失灵保护：在跳闸命令传到断路器的同时，通常会发出启动断路器失灵保护的命令。7、闭锁交流断路器：保护在跳开交流侧断路器后，发闭锁交流侧断路器指令。8、换流器功率回降：快速降低输送功率至系统稳定，主要用于系统过负荷。9、极隔离：将直流母线与直流线路隔离以及将换流器中性线与接地极线路隔离。10、极平衡：平衡双极功率，使接地极的电流最小。11、重合直流开关：直流开关拉不开时，该开关维持合闸状态，防止损坏直流开关。12、合中性母线接地开关：当接地极出现断线故障时，合上中性母线接地开关，确保直流中性母线接地。13、禁止升分接头：当空载直流电压大于某一定值时，禁止升换流变分接头，防止电压应力进一步增大。14、降分接头：当空载直流电压大于某一更高定值时，降换流变分接头，以减降低电压应力，保护设备。下面简要介绍交、直流站控系统，该系统主要功能有：1、交、直流系统开关、刀闸和地刀的操作控制。2、数据采集及信息处理，并上送至运行人员控制系统。3、在线谐波监视。4、对辅助系统的监控。5、与水冷等其它系统的接口。这是运行人员控制系统典型配置图。运行人员控制系统是换流站正常运行时，运行人员的人机交互界面和监控数据存储系统。主要包括：站LAN网、运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站、服务器、网络打印机、规约转换工作站或规约转换器等。该图是与远方调度中心的接口典型配置图。与远方调度中心的接口，用于与调度、直流集控中心交换换流站的监控数据，并执行远方调度命令。主要由远动工作站、远动通讯等设备组成。下面讲换流站辅助系统，换流站辅助系统主要包括阀冷却系统、空调系统、消防系统等，本节主要介绍阀冷却系统和空调系统。换流阀在正常运行时，通过晶闸管的大电流产生大量热量，导致晶闸管、电抗器等元件温度急剧上升，为防止这些元件过热损坏，换流站配置有阀冷却系统，对换流阀进行冷却。冷却系统由内冷却系统和外冷却系统两部分组成。内冷却系统一般采用水冷方式，低温冷却水带走换流阀产生的热量，实现换流阀的一次冷却；外冷却系统将内冷却系统送来的高温冷却水进行冷却，重新形成低温冷却水，从而实现整个阀冷却系统持续冷却。外冷却系统根据地区条件的不同，采用外水冷或外风冷方式。内水冷系统主要循环过程是：冷却水在主循环泵的驱动下流经换流阀塔将晶闸管产生的热量带走，通过回水管道，将带有热量的冷却水送入外冷系统进行降温冷却，冷却后在通过主循环泵动力重新对换流阀冷却，形成一个闭环通道。主回路中一小部分水流经水处理回路，持续进行去离子和过滤。外水冷系统主要循环过程是：工业水进入软化单元进行软化，软化水经高压泵进入反渗透单元，之后进入平衡水池，平衡水池中的水被喷淋泵抽到冷却塔对内冷水管道中的散热管进行喷淋冷却，然后回流到平衡水池中。该图为内水冷外风冷方式，其内水冷循环和内水冷外水冷一样，只是从换流阀内流出的、带有热量的内冷水分散成若干个冷却管束，通过外风冷风机进行冷却降温。内水冷系统主要由主循环冷却系统、去离子水处理系统、稳压系统三个部分组成。其中，主循环冷却回路主要包括：提供密闭循环流体所需动力的主循环泵，防止刚性颗粒进入阀体的过滤器，调节冷却水温的电加热器，调节循环水流的三通阀和蝶阀，以及将冷却水中气体排出的脱气罐。去离子水处理回路主要由离子交换器和精密过滤器组成。稳压系统主要包括：提供液位的高位水箱，存储补充冷却水的原水罐，以及给系统补充冷却水的补水泵和原水泵。该图为某换流站内水冷实物图，这是主循环泵及电机，这是内水循环管道，这是电加热器、离子交换器、脱气罐等。外水冷系统主要由7部分组成，软化单元的功能是提供合格的软化水，反渗透处理单元过滤水中的金属离子，平衡水池收集软化和反渗透处理水，喷淋泵向冷却塔提供喷淋水，盐水池向软化单元提供饱和盐水，高压泵提供补水回路动力，工业泵为外冷水系统供水提供动力。外风冷系统主要由空气冷却器、电加热器、管路及阀门三部分组成。空气冷却器将内冷水降温，使其温度控制在允许范围内。电加热器主要是防止在冬季低温时内冷水温度过低。阀冷却系统的控制保护系统采用双重化冗余设计，两套系统互相备用，它是一个相对独立的系统，可以独立完成内水冷设备的控制与保护功能，是直流极控制保护系统的子系统。阀冷却系统控制功能主要包括：电动阀控制、喷淋泵控制、冷却塔风扇控制、加热器控制、氮气加压系统控制、补水泵控制和主循环泵控制。其中，主循环泵控制又包括启停控制、定期切换控制、故障切换控制。阀冷却系统保护功能主要有温度保护、流量保护、压力保护、泄漏保护、水位保护、电导率保护等。换流站阀厅设备、控制保护设备对环境要求很高，过高的温度和湿度会导致设备故障，进而威胁到直流系统的安全稳定运行。空调系统维持环境温度和湿度在一个合适的范围内，对直流系统的安全稳定运行起到了保驾护航的作用。换流站空调主要由阀厅空调、主控楼空调、继电器室空调组成，其中阀厅空