背靠背换流站的直流系统设计

1、中文摘要尽年来随着电力电子器件的不断发展高压直流输电技术也取得了巨大的成果，由于交流输电的一些无法解决的问题，使得直流输电技术在现实使用中越来越为广泛。背靠背换流站作为高压直流输电技术中的一个重要组成部分，对电力系统之间的相互支援、调度等具有重要作用。目前，我国已经建成天生桥、灵宝等换流站，在使用中体现出了巨大的优越性。本设计内容为设计背靠背换流站的直流系统，在查阅相关资料的基础上，争取采用国际先进技术，合理设计、缜密计算，力争实现换流站直流系统的合理设计。关键词：换流站；换流变压器；晶闸管；整流站；无功补偿abstract: the completely year, with the dev

2、elopment of the electric power electronic device, high pressure direct current transmission technology has also yielded the huge result. because of some questions that alternating current transmission have can not solve, which causes the direct current transmission technology in the reality use more

3、 and more for widespread. back to back the convertor station took in the high pressure direct current transmission technology is an important constituent, to between the electrical power system mutual support, the dispatch and so on has the vital role. at present, our country already completed inbor

4、n some convertor stations such tian sheng qiao ,ling bao and so on, which manifested the huge superiority in the use.this design content for the design back to back convertor station direct current system, in the consult correlation data foundation, strives for uses the international vanguard techno

5、logy, the reasonable design, the meticulous computation, argues vigorously the realization convertor station direct current system the reasonable design. key words：convertor station；trades changes the depressor；crystal thyratron；converting station； idle work compensation目 录中英文摘要-目 录-前 言-第一章 资料综述-1.1

6、 课题意义-1.2 本课题来源及研究内容-第二章 基础理论-2.1 高压直流输电最新技术-2.1.1 大容量晶闸管和智能化晶闸管触发单元-2.1.2 容性换流技术-2.1.3 连续可调式交流滤波器及有源式直流滤波器-2.1.4 数字式光纤互感器-2.1.5 电压控制型直流阀-2.1.6 水冷却及组件式阀结构、吊装式阀安装-2.1.7 户外型阀设计-2.1.8 合成试验回路-2.2 高压直流输电基本原理-2.3 高压直流输电系统的过压保护-2.3.1 过电压的种类-2.3.2 直流系统过电压保护原则-2.3.3 直流系统保护要求-2.3.4 直流系统保护功能的实现-2.3.5 保护原理及配合-2

7、.3.6 高压直流输电系统过电压保护装置直流避雷器-2.4 高压直流输电系统的谐波分析-2.4.1 谐波的产生-2.4.2 谐波的治理-2.5 高压直流输电系统的无功补偿-2.5.1 换流器的无功功率特性-2.5.2 高压直流输电中的无功功率补偿-第三章 背靠背换流站直流系统的设计-3.1 换流站的总体设计方案-3.1.1主电路的具体设计-3.1.2交流母线到换流阀部分的设计-3.2 换流站一次系统的设计-3.2.1 系统主电路的确定-3.2.2 系统无功补偿装置的确定-3.2.3 系统谐波分析与滤波器的确定-3.3 换流站调节控制系统的设计-3.3.1 触发器的硬件设计-3.3.2 触发器的

8、软件设计-3.4 主要参数的计算及设备的选择-3.4.1 直流参数的计算-3.4.2交流参数的计算-第四章 其它部分-致谢-参考资料-前 言在最近20年内高压直流晶闸管阀和高压直流输电技术的发展，使得用高压直流输电更经济、更可靠。越来越多的输电线路使用高压直流进行电力传输。现代的高压直流晶闸管阀以组件式结构、大功率和水冷晶闸管、智能晶闸管控制单元、全面的计算机阀控制和严格的试验为特征。容性换流技术、数字式光纤互感器、有源直流滤波器和连续可调交流滤波器的使用，有效地提高了高压直流输电的质量，产生了更健全的高压直流输电系统 。作为新一代高压直流换流器的电压控制型换流器，使得小容量电力传输经济可行。

9、第1代高压直流输电系统始于1954年投运的瑞典本土和果特兰岛之间的高压直流输电线路。1965年，利用汞弧阀换流的第1代高压直流输电系统首次在新西兰南北岛之间实现电力在直流方式下的大规模传输，其直流传输功率达600 mw。第2代高压直流输电系统以1970年对新西兰南北岛直流工程的更新换代为代表。晶闸管阀取代汞弧阀实现换流功能 ，以晶闸管阀为基础的第2代高压直流输电系统在1986年建成投运的巴西伊泰普(haipu)工程上创造了直流功率传输的新记录。在600 kv直流电压下，其输送功率达23150 mw。高压直流系统电力传输容量的快速增长是换流阀技术和系统技术不断改进提高的结果。尽管今天的高压直流输

10、电与早期的直流输电原理相同，过去几十年间对高压直流系统主要设备的革命性改进已使得当今的高压直流输电系统具有显著的不同。在直流换流阀方面的发展有：大容量晶闸管阀取代了汞弧阀阀的水冷却取代了阀的强制风冷却，阀的组件式设计和吊装式阀安装技术的使用，晶闸管和晶闸管阀的数字式控制及对阀组件的合成试验。在直流系统方面的主要发展有： 阀及换流站的计算机数字控制和保护、容性换流技术的应用、连续可调式交流滤波器及有源式直流滤波器和数字式光纤互感器的使用。在我国，随着三峡电站的投运，按照全国联网、西电东送、南北互供的全国联网方针，全国将以三峡输电系统为主体，向东西南北方向辐射，形成以北、中、南送电通道为主体，南北

11、电网间多点互联、纵向通道联系较为紧密的全国互联电网格局。由于高压直流输电特别适合于长距离大容量送电及电网互联，因此将会在我国西电东送及全国联网工程中发挥着重要作用。 背靠背换流站作为直流输电系统中一个重要的组成部分，具有连接两个不同电网，进行能量相互支援的作用，对平衡不同地区、不同季节用电需求有重要的意义。本设计即将进行的是换流站直流系统的设计，包括：换流站一次、二次系统的设计，控制系统的设计和防雷保护等方面的设计。作为大学期间最后一个，也是最重要的一个学习任务，应该本着认真，严谨的态度这项工作，为大学的生活画上一个圆满的句号。第一章 资料综述1.1 课题意义 近年来随着各国生产的发展及工业化

12、进程的加快，许多国家对电力的需求都呈快速增长的态势。在上世纪的50-80年代的30年间，世界发电装机容量增长了14.2倍，发电量增长7.9倍；发电装机年增长率达9.5，而发电量年增长率达7.6，约相当于每10年翻一番。随着我国现代化建设速度的加快，电力建设更以空前的速度发展，19962000年我国电源装机增长达47 ，年增长率为8.1。到2003年我国年发电总量仅次于美国，居世界第2位。世界第一大水电站三峡站机组先后并网发电，标志着我国水电建设速度达到了空前的水平。核电厂建设也在加快，除已建成的大亚湾、岭澳核电厂外，秦山电厂已完成三期扩建，江苏田湾核电厂建设速度也在快速建设中。总之，随着世界经

13、济的快速发展，作为先行的能源工业必然要加快发展，而且必须有一定的提前量。随着生产的发展和电能需求的不断增长，交流远距离输电在同步运行稳定性上的问题就显示了出来；随着电力需求的进一步增长，电力系统的规模将发展的更大，交流输电的局限性在生产实践中就更为突现，于是直流输电技术就成为当前研究领域的一项重要课题。经过几十年的发展，高压直流输电技术取得了长足的发展，取得了丰硕的成果，这主要是因为直流输电技术具有的几大优点：1 当输送功率相同时，其线路造价低。架空线路杆塔的结构简单，线路走廊较窄，线路损耗较小，运行费用节省。2 两端的电力系统不需要同步运行，输电距离不受同步性的影响，可以用来提高与直流线路并

14、联运行的交流系统的稳定性。3 直流线路的电流、功率调节比较简单而且迅速。4 可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联络，避免大面积的停电事故。5 线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布较平稳。6 在导线几何尺寸和电压有效值相同的情况下，电晕无线电干扰较小。7 每个极都可以作为一个单独的回路运行，当一个极发生故障时，健全一极仍能送一部分功率，而且换流器也可以分期建设。电力系统之间的互联可以有三种方式：一是交流输电同步联网方式，联网后形成更大的同步电网：二是直流输电非同期联网方式，联网后将形成非同期联合运行的大电网，其中也包括不同频率的联合大电网；三是交直流并联输电同步联网方式。联网后

15、将形成可以利用直流输电的快速控制改善电网性能的同步运行大电网。背靠背直流联网是将两个换流站背靠背合装在一起，实现大电网之间非同期联网的一种方式。背靠背直流工程近年来发展较快，约占运行和在建直流工程的1/3。背靠背换流站是对两个不同电网之间采用换流站技术进行联网，以进行水电、火电不同时期的相互支援从而达到保障供电安全，实现电能的合理调配，更好的服务社会主义经济建设。随着电力电子器件技术的发展，目前困扰高压直流输电技术发展的瓶颈问题-高压器件的绝缘和耐压，得以顺利解决，从早先的气吹电弧整流器到后来的可控硅整流器，直流输电在发展中的关键问题顺利得到解决，这都为直流输电的发展奠定了坚实的基础。1.2

16、本课题来源及研究内容设计背靠背换流站高压直流系统，用于两个大电网的联网，采用背靠背系统联网可使两个电网相互不受干扰，整流站交流侧电压等级为500kv, 逆变侧交流电压等级为330kv，采用双极直流输电方式，直流电压500kv，输电容量1200mw.设计高压直流系统的控制调节方式，实现直流系统的功率调节和潮流反转控制。设计高压直流输电系统的过压保护系统。第二章 基础理论2.1 高压直流输电最新技术高压直流输电技术的发展依赖于电力电子器件及其、安装调试技术的发展，对先进技术的应用是输电技术发展的直接动力。2.1.1 大容量晶闸管和智能化晶闸管触发单元 近30年来，电力半导体技术一直持续不断地向大直

17、径高厚度单晶片晶闸管方向发展以获得更高的单管传输功率。目前市场上大电流换流用晶闸管单片电压已达8.8kv,而中、小电流换流用晶闸管的单片电压可达9kv。直流换流用晶闸管不仅仅向大容量的方向发展，而且在晶闸管的触发方式上也进行了探索。 早在20世纪80年代初期，基于简化处于高电位晶闸管触发单元的考虑，对光触发晶闸管(ltt)在高压直流换流阀上的应用进行了大量研究, 光触发晶闸管阀的第1次工业应用实现于1988年的konti-skan直流工程(联接丹麦-瑞典的直流工程) 运行经验显示，由光触发晶闸管使用所带来的优点不足于取代目前所使用的高可靠性电触发晶闸管(ett)。用于电触发晶闸管的触发单元在过

18、去的20年间在集成化和可靠性上都有了极大的提高， 除去发出正常的工作触发脉冲外，触发单元亦可向晶闸管提供正向过电压和恢复电压保护触发命令，并通过中央控制计算机显示保护触发晶闸管的位置及故障晶闸管的位置 ，新一代触发单元更增加了对阻尼回路元件和冷却器温度的在线监测。2.1.2 容性换流技术虽然直流输电换流阀的容性换流方法在许多年前就被提出,但只是在最近几年解决了对串联电容器的有效保护之后才得以在实际系统中应用。2000年投运的garabi背靠背直流输电工程(用于联接使用不同交流电压频率的阿根廷电网和巴西电网)是使用容性换流技术的第一条工业实际应用工程。容性换流技术拓宽了高压直流输电的应用范围，该

19、技术在联接弱系统和长电缆线路上的优势尤为显著。同时，该技术使得换流阀稳态工作下换流失败的可能性进一步降低，并能有效抑制线路暂态谐波。此外，串联电容器的无功补偿正比于系统的输送功率，从而可显著地减少滤波支路和并联电容无功补偿支路开关的操作次数。2.1.3 连续可调式交流滤波器及有源式直流滤波器连续可调式交流滤波器能够在不同直流输送功率下产生相同的滤波效果。连续可调式交流滤波器可自动跟踪调谐到由于交流系统频率变化及产品误差引起的调谐频率变化,从而获得最好的滤波效果。连续可调式交流滤波器的主要设备之一是电抗值可调式电抗器。该电抗器由一绕有控制线圈的铁心置入一电感线圈中组成。通过调节控制线圈的直流电流

20、改变电抗器的磁通，从而调节电抗器的电抗值。测量控制系统通过测量交流系统上的母线谐波电压与滤波支路电流的相角差来调节控制线圈的直流电流，使滤波支路电流和母线谐波电压的相角差为零。连续可调式交流滤波器比普通滤波器具有更优越的滤波效果，这主要表现系统在任何传输功率下滤波器的滤波效果都可达到最高。 连续可调式交流滤波器的损耗较低，且不存在任何机械运动部件。同时，直流滤波器在近年来也有了极大的提高。有源直流滤波器的成功开发使用使得高压直流传输线谐波干扰满足日益增高的环保要求。1991年，有源直流滤波器第1次在konti-skan 2高压直流输电工程中得以实际应用，直流传输线上的谐波被显著地降低。2.1.

21、4 数字式光纤互感器 直流系统直流电流的准确测量是直流系统控制和保护的关键,新型数字式光纤测量系统已完全取代传统的磁饱和式电流互感器和电阻式分压器对直流侧电流和电压进行测量。 组合式直流电流数字光纤测量系统由分流器和磁位计组成传感器部分,测量信号经由电路板转换处理后以光信号的形式通过光纤送至处于地电位的光电转换板,并最终送至中央处理计算机。该类直流电流数字光纤测量系统的测量准确度在dc至7khz频率范围下可达0.5%数字式光纤测量系统极大地减小了测量系统的体积、重量。这使得安装和检修更为方便，同时由于使用光纤进行信号传输，数字式光纤测量系统的抗电磁干扰能力和一次侧与二次侧的绝缘隔离使得测量系统

22、更为安全和可靠。2.1.5 电压控制型直流阀 近些年来，在高压直流输电技术领域的另一最新发展是使用绝缘栅双极晶体管（igbt）的电压控制型直流阀进行高压直流输电。与传统的晶闸管换流阀不同，基于绝缘栅双极型晶体管的电压控制型直流阀的电流切换无需系统的换向电压，这使得利用高压直流向受端无源的系统输电成为可能。 电压控制型直流阀使用脉宽调制技术进行交流和直流的转换。改技术的使用能够对交流侧的 电压幅值和相位同时进行调节。改特性赋于交流侧电压控制的双自由度，从而似的电压控制型直流阀能够在p-q平面的任一象限内运行。自第一条50mw电压控制型直流阀1999年在瑞典的果特兰岛成功投运后，其他的几条使用电压

23、控制型直流阀实现高压直流输电的项目也相继建成投运。新一代电压控制型直流阀使用三级式结构，其传输容量可达330mw。2.1.6 水冷却及组件式阀结构、吊装式阀安装 组件式阀结构为阀组装、现场安装及维修提供了便利。1个阀组件一般由多个晶闸管及其辅助回路串联组成，为便于安装及维修，每阀组件的串联晶闸管数量一般为67只。机械结构上这些串联联接的晶闸管之间串入用于冷却的散热器，这些晶闸管和散热器由组件两端的碟簧箝紧定位，晶闸管阻尼回路电阻被直接置入在散热器内，从而最大限度地降低换流阀上水冷却管道联接的复杂性和泄漏的可能性。在阻尼回中，用充气式电容器取代油浸式电容器从而降低了阀厅火灾的危险，直流分压器的高

24、压电阻和晶闸管触发控制单元直接安装在散热器上。使用去离子水对换流阀进行冷却已成为现代高压直流输电的基本措施之一。在地震频发地区对换流阀的安装要求更为苛刻。计算和经验表明，吊装式阀结构可有效地抵御地震对换流阀的危害。因此，现代高压直流换流阀大多采用吊装式阀结构。2.1.7 户外型阀设计传统直流换流阀被安装于换流阀厅内，换流阀厅的设计往往受制于电站当地的建筑设计规范和电站其它电器产品的设计，换流阀厅的标准设计几乎是不可能的。近些年来开发成功的户外式换流阀使高压直流输电更为灵活和经济。户外式换流阀设计是将一个或多个换流阀装入集装箱式阀柜，阀柜内部使用空气绝缘。在结构上，户外式换流阀使用与室内式换流阀

25、相同的阀组件和饱和电抗器。户外式换流阀柜内部相对较小的空间尺寸使阀柜内的空气环境可以灵活迅速地调节，由于户外式换流阀的大部分安装工作可在生产厂家直接完成，可以显著缩短直流输电工程的工期。户外式换流阀给电站设计提供了更多的灵活性，并使老站的更新换代更为方便。2.1.8 合成试验回路直流换流阀设计上每项新技术的应用都需要严格的试验验证，传统上6脉冲背靠背桥式回路被用来对换流阀进行运行试验。随着现代直流换流阀容量的不断提高。6脉冲背靠背桥式试验回路需要不断地扩大试验装机容量。扩容的巨额投资及不断的扩容需求使得6脉冲背靠背桥式试验回路不仅在技术上而且在经济上难以满足对现代换流阀的试验需求。2000年成

26、功开发了新的电流引入式合成试验回路，并对三峡-常州直流换流阀、garabi二期直流换流阀和rapid city dc tie直流换流阀进行了运行试验。该合成试验回路的试验等价性更接近于系统的实际运行或传统的6脉冲背靠背桥式试验回路。同时，由于使用两套不同的电源分别向试品提供试验电流和试验电压。可根据需要灵活地调节试验电流和试验电压，这为新产品的开发提供了有利的试验支持。2.2 高压直流输电基本原理高压直流输电是运用晶闸管的单向导电性，通过对基极电流的控制实现电流从交流向直流的转变。对直流输出电压、电流的控制完全由调节脉冲序列的频率和宽度来实现。在前端由整流站将交流电转换为直流电，经过直流线路的

27、传输，到达受端再逆变为交流电，下面以三相桥式整流、逆变电路为例介绍高压直流输电的原理。三相桥式整流、逆变输电原理如图2-2-1所示。图2-2-1 三相桥式整流、逆变输电原理(1)整流工作状态可控硅阀k1-k6为理想状态导通时压降为零，关断后阻抗为无穷大直流输出电压平均值图2-2-2 三相桥式整流、逆变波形图可见直流输出电压随控制角的增加而减少。时，直流输出电压为零。整流状态控制角的变化范围：0-902）逆变工作状态(900,直流侧吸收负的功率2.3 高压直流输电系统的过压保护高压直流输电技术由于其在技术、经济、输电容量、输电损耗、运行的可靠性等许多性能指标上均优于交流输电，因而得到了越来越广泛

28、的运用。由于直流输电系统中的过电压，特别是内部过电压，无论就其产生机理及出现频率来说，还是从幅值、波形来看，都与通常的交流系统有着很大的差别，直流避雷器的工作条件、原理、结构、保护特性等也和交流避雷器不一样，电气设备在直流系统中的电气绝缘特性也和交流系统不一样，因此高压直流输电系统中的过电压保护和绝缘配合是一个值得研究的课题。直流保护策略所要考虑的设备包括换流阀、直流场设备(包括平波电抗器、极母线、中性母线)、直流线路、接地极引线以及换流变压器。2.3.1 过电压的种类一暂时过电压1.甩负荷引起的工频过电压当换流站的无功负荷发生较大变化时，系统将产生不同程度的电压变化，特别是当无功负荷突然消失

29、时，将会产生幅值很大的工频过电压。如换流变压器停运等。由于交流系统的异常运行，如三相故障切除、单相接地故障或直流系统故障引起甩直流负荷，将会引起工频过电压，其过电压幅值的大小取决于电网条件、无功功率的变化和短路容量两者之间的关系以及系统的短路容量等。当交流系统在换流站附近三相短路时，交流母线电压急剧下降为零，换流站迅速甩掉直流负荷，一旦故障切除也将出现幅值很高的工频过电压。所以对于交流母线设备的绝缘水平，应考虑到直流双极停运，因为此时的电压水平最高。2. 换流变压器投入时引起的饱和过电压换流站的滤波场中通常设有大量呈容性阻抗的滤波器和无功补偿装置，而交流系统为感性阻抗，因而很有可能产生并联谐振

30、。当投入空载换流变压器时，其励磁涌流中的低次谐波分量会引发谐振过电压。所以在所有换流变压器的进线断路器上均加装合闸电阻，用以提高阻尼，降低换流变压器投入时的谐振过电压。3. 切除故障引起的饱和过电压当在换流站交流母线上或在交流母线附近处发生单相或多相短路故障时，在故障期间，换流变压器中含有剩磁，剩磁的大小保持故障前的水平。当故障切除交流母线电压恢复的时候，电压相位与剩磁的相位不匹配，将会使变压器发生饱和，从而产生过电压。二 操作过电压1.交流侧操作过电压在换流站的交流侧进行操作、发生故障或故障切除时会引起操作过电压，该过电压会对换流站交流侧的各种设备产生冲击，并通过换流变压器耦合到直流侧，对换

31、流阀和直流母线及设备产生冲击。引起换流站交流侧产生操作过电压有以下几种情况：线路合闸和重合闸、交流滤波器和并联电容器组的合闸和重合闸、故障开始时产生的过电压、故障切除时产生的过电压等。2.阀厅内换流器短路故障引起的过电压。3.直流极母线短路故障引起的过电压。4.控制系统故障引起的过电压。5.金属回路断线引起的过电压。当换流站以单极金属回路方式运行时，一旦金属回路断线，整流站的直流电流必然会强迫通过e避雷器流人大地并经过逆变站的接地极形成导通回路，因为e避雷器无法长时间承受大电流通过，所以必须通过继电保护装置迅速闭锁阀组，切断直流电流。三 雷电过电压换流站出现的雷电过电压一般是从交流线路或直流线

32、路入侵的，由于换流站阀厅和直流线路之间有平波电抗器隔开，和交流线路之间有换流变压器隔开，使得雷电波的波头和幅值都被这些大电抗所衰减。因此一般在设计中不考虑雷电过电压。但在换流变及其网侧交流设备、平波电抗器及直流场内设备仍有雷电波威胁，在选择避雷器时应加以考虑。2.3.2 直流系统过电压保护原则(1)以zno避雷器为主进行保护，在交流侧产生的过电压由交流侧避雷器进行保护，在直流侧产生的过电压由直流侧避雷器进行保护。(2)对于重要设备的过电压保护，应由与该设备紧密并联的避雷器进行保护。(3)在换流变压器的交流进线断路器加装并联合闸电阻，可以降低换流变压器投人时的谐振过电压。(4)在直流中性母线上装

33、设中性点冲击电容器，可以限制从接地极线路人侵的各种过电压。(5)换流变压器的网侧绕组通常采用中性点接地的y接法，按照普通电力变压器的方式进行保护；换流变压器的阀侧绕组通常一半采用中性点不接地的y接法，另一半采用 接法，因而作用在每个阀侧绕组的电压是交流电压，但各个阀绕组对地电压既有交流分量又有直流分量。所以阀侧绕组在相间装设交流避雷器进行保护，相对地则用直流避雷器进行保护。2.3.3 直流系统保护要求（1） 能检测到设备的故障和异常情况，并从系统中切除影响运行的故障设备。（2） 保护系统应至少双重化配置。（3）故障换流器对健全换流器的影响应达到最小。（4）各保护区应有重叠。通常每套保护均有一套

34、后备保护。主保护速度快但保护区小，后备保护速度较慢、灵敏度较低，但保护区大一些。如有可能，后备保护应尽可能使用不同的测量原理。（5） 保护动作应尽量避免双极停运。（6）电源应为独立电源。（7）断路器跳闸回路使用双回路。（8）保护配置应满足保护试验和维护时不影响换流器运行的原则。2.3.4 直流系统保护功能的实现第一部分：换流阀保护第1套保护配置包括阀短路保护、换相失败预测、换相失败保护、电压应力保护、点火不正常保护、晶闸管阀监视、直流过流保护、大角度监视。第2套包括阀短路保护、换相失败保护、直流过电压保护、后备的直流过流保护、阀直流差动保护。第二部分：极保护极保护包括高压极母线、中性母线、直流

35、滤波器、平波电抗器以及直流线路保护。第1套保护配置包括直流极母线差动保护、直流极差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器电容器不平衡保护、直流滤波器差动保护、直流线路保护、中性母线开关保护、直流线路纵差保护、开路线路试验监视、直流滤波器失谐监视以及平波电抗器本体保护。第2套包括直流谐波保护、直流中性母线差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器过负荷保护、直流欠压保护、潮流反转保护、后备中性母线开关保护。第三部分：双极保护双极保护包括双极中性母线和接地极引线保护。第1套保护配置包括双极中性母线差动保护、转换开关保护(nbgs、grts、mrtb)、金属回线纵差保护、接地极引线过负荷保护。第2套包

36、括站接地过流保护、后备转换开关保护(nbgs、grts、mrtb)、金属回线横差保护、金属回线接地故障保护、接地极引线不平衡监视。第四部分：换流引线和换流变压器保护换流引线和换流变压器保护包括换流引线差动保护、换流引线和换流变压器过流保护、换流引线和换流变压器差动保护、换流变压器差动保护、换流变压器过流保护、换流变压器热过负荷保护、换流变压器绕组差动保护、换流引线过压保护、换流变压器中性点偏移保护、换流变压器零序电流保护、换流变压器过励磁保护、换流变压器直流偏磁保护、换流变压器零差保护，单断路器保护以及换流变压器本体保护。2.3.5 保护原理及配合按照上述分析，不同故障具有不同的特点。通过检测

37、电压/电流，三常直流输电工程直流保护根据各种故障特征，采用相应的保护原理。如换流阀保护(阀短路保护、换相失败保护)基于交直流差动原理；阀直流差动保护、极母线差动保护、中性母线差动保护、金属回线横差/纵差保护和换流变压器差动保护等采用差动电流的原理；后备过流保护、换流变压器过流保护等基于过流原理；电压应力保护、直流过压保护、接地极引线开路保护等基于过压、过应力原理；直流过流保护、大角度运行监视以及过负荷保护等建模计算相应元件/设备的过负荷情况。此外还有一些保护的工作原理基于其实现的电路或逻辑，如点火不正常保护和潮流反转保护等。2.3.6 高压直流输电系统过电压保护装置直流避雷器同交流系统一样，高

38、压直流输电系统需要配置过电压保护装置，对各种过电压进行限制，以达到降低绝缘水平、保护电气设备、提高设备运行的安全可靠性、减少投资的目的。换流站的过电压保护装置有很多种运用得较多的是直流避雷器，它是高压直流输电系统绝缘配合的基础，其工作条件和工作原理与交流避雷器有着很大的差别，其运行条件要比交流避雷器严酷得多。对直流避雷器的要求有：(1)灭弧能力强交流避雷器一般是利用电流自然过零值时来切断续流，而直流避雷器就没有零值可利用，只能依靠磁吹使电弧拉长冷却，它采取的是强制建立电流零值的灭弧方式，使得灭弧较困难，所以要求直流避雷器的灭弧能力要很强。(2)通流容量大在高压直流输电系统中有大量的容性元件，正

39、常运行时处于满充电状态。当避雷器动作时，应要求直流避雷器有足够大的通流能力，使直流系统中积聚的大量电流得以泄放。(3)具有稳定的击穿电压值由于换流站可能出现的过电压情况比较复杂，对于各种波形的过电压均要求其可靠动作，所以要求直流避雷器具有稳定的击穿电压值。(4)具有优良的非线性伏安特性。(5)自灭弧能力强。要由于直流电压较恒定，就必须求避雷器具有很强的自灭弧能力用以可靠地切断电弧。(6)外绝缘要求较高。一般换流站的避雷器的配置如图2-3-1所示：图2-3-1 一般换流站的避雷器配置图其中：1.交流母线避雷器a：用于限制交流母线的过电压水平。2.阀避雷器v：用于保护阀和换流变网侧绕组的相间绝缘，

40、能限制从交流电网通过换流变压器传递到换流阀的过电压。3.换流器避雷器c：用于保护l2脉冲阀和平波电抗器的对地绝缘。4.直流母线和直流线路避雷器dl、d2：用于保护平波电抗器线路侧对地绝缘、平波电抗器的纵向绝缘和限制直流场母线及设备的过电压水平。正常情况下，dl和d2并联运行，在过电压冲击时，dl主要保护平波电抗器，d2主要保护直流场电气设备。5. 直流中性点避雷器e：用于限制直流中性母线及设备的过电压水平。直流滤波器避雷器的配置如图2-3-2所示 ：图2-3-2 直流滤波器避雷器的配置图其中：交流滤波母线避雷器a ：用于限制交流滤波母线及设备的过电压水平。交流滤波电抗器避雷器、：用于保护交流滤

41、波器的高、低压电抗器的对地绝缘。图2-3-3 直流滤波器避雷器的配置图其中：直流滤波电抗器避雷器、：用于保护直流滤波电抗器的对地绝缘。2.4 高压直流输电系统的谐波分析谐波问题是直流输电系统一个很突出并且很重要的技术问题。众所周知，谐波对电力系统的影响和危害是十分严重的，主要表现在以下几个方面： 1.当系统中存在谐波分量时，可能会产生局部的并联或串联谐振，放大谐波分量，并因此增加由于谐波所产生的附加损耗和发热，可能造成设备故障。 2.由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率。 3.谐波将使电力设备元件加速绝缘老化，缩短使用寿命。 4.谐波可能导致某些

42、电力设备不正常的工作 5.干扰邻近的通讯系统，降低通讯质量。 在目前的技术条件下，高压直流输电系统中的谐波是不可避免的而且相当严重，可以说在正常运行条件下从交流侧看，直流换流器实际上呈现为一个特征谐波的谐波电流源。因此对高压直流输电系统的谐波进行分析并对其采取相应抑制措施就显得非常必要。2.4.1 谐波的产生谐波的根本来源是非线性负荷。随着现代工业的发展，可控硅技术的广泛应用，使非线性设备和产品数量与日俱增。这类设备具体可分为静止变流器和电弧设备两类，这类设备产生的谐波次数取决于各自能量的转换形式和特征。比如：一个6脉冲整流装置，它的主要特征谐波为5，7次谐波；12脉冲为11，13次谐波(即按

43、照士1计算， 为整流脉冲数)。另外，并联电容器对电网谐波的影响也很大，现具体分析如下：(1)未安装电容器时当配电变压器低压侧不安装电容器时，非线性负荷产生的谐波可以等效成恒流源，谐波电流流入用电负荷和电网由于电网的系统短路阻抗远远小于负荷阻抗，在一般情况下，有9o% 95%的谐波电流注入系统，5% 1o%的谐波电流注入用电负荷，注入系统的谐波电流在变压器和系统阻抗上产生压降，使电压波形畸变、谐波电压超标，致使电压质量下降。电压质量降低的最直接受害者是工厂本身，这会增加各种损耗、降低电器设备使用寿命、造成停电和设备事故等。(2)安装并联电容器时为了改善功率因数，大多数工厂都装有并联补偿电容器，电

44、容器本身并不产生谐波，但是当负荷出现谐波电流时，电容器将使谐波放大，并导致工厂内部的谐波电压升高，电压质量下降。在这种情况下不仅流入负荷的谐波电流要增大，而且由于电容器放大的谐波电流也注入系统，从而使流入系统的谐波电流进一步增加当电容器与系统电抗的并联谐振频率等于或接近负荷谐振频率时，就发生了谐波的并联谐振，这时流人系统的谐波电流就有可能达到谐波源电流的23倍。并联谐振的后果是严重的，主要反映在：谐波电压被严重放大，有时大大超过了国家标准； 电容器支路的谐波电流大幅度增加，使电容器发热、损坏； 变压器、电动机等设备损耗大幅度增加。引起设备事故，降低使用寿命。2.4.2 谐波的治理消除谐波是一个

45、较为复杂的问题，随着每一个系统的不同而不同目前常用并联滤波器的方法。这是一种传统的方法，较为经济，滤波效果明显。它是由滤波电抗器和电容器组成的串联回路（图2-4-1所示），可以为一个特定频率下的谐波电流提供低阻的感性通路，防止谐波电流流入系统，以减小电压波形的畸变。 图2-4-1 由滤波电抗器和电容器组成的串联回路滤波器支路的串联谐振次数可以表示为：当谐振次数和hh。时，电容器支路呈感性，为滤波状态，可对h。以上的谐波滤波谐波电流被系统阻抗和滤波器支路分流，有效地降低了注入电网的谐波。h越接近h。效果越好;反之滤波效果差，但仍然可以有效抑制谐波的放大和避免谐波谐振。但此种方法对谐波的治理不很彻

46、底，仍会有相当部分的谐波电流流入电网，而且当负荷及谐波源变化时，滤波电抗器l及电容c值需做相应调整，令其使用范围受到限制因此这种方法更适合于谐波源固定不变的场合，亦称之为静态补偿。2.5 高压直流输电系统的无功补偿2.5.1 换流器的无功功率特性高压直流输电中，换流器是实现交直流转换的核心设备，换流器无论是以整流器方式或逆变器方式运行时，都将从交流电网中吸取消耗大量侧无功功率。假定换流站接有个负载相等的单桥换流器，并忽略所有元件中的有功功率损耗，也先不考虑换流变压器的励磁无功功率，可以写出下列近似的无功功率表示式: 式中p和q是一台换流器的有功功率和无功功率，e、e2分别是换流变压器网侧和阀侧

47、电压有效值，i1、i2分别为换流变压器原边和副边的基波电流。为了得到无功功率和有功功率之间的普遍关系式，令单桥的基准功率为sj ，则每台换流器的的有功功率和无功功率标么值为： 这时取下列数值作为基准电压和基准电流： 式中: - 换流器的理想空载电压；-换流变压器阀侧相电压幅值；-换流变压器阀侧相电压有效值- 换流器的换相电抗因此，一个桥的有功功率和无功功率标么值为：由于: = =()所以得到单桥有功功率和无功功率的标么值为： 根据以上表达式，可求得换流器在以整流器或逆变器方式运行时的无功功率特性。以换流器方式运行时，换流器的a近于恒定，当换相重叠角在的范围内时，由式可知，随着的增大，将使整流器吸取消耗的无功功率增大。当整流器的负载越重,越大，则无功功率也越大。当换流器以定角作逆变器方式运行时，则应将功率方程用和表示。对于单桥逆变器，在所有可能的负载范围内，即的范围内，将比单桥逆变器消耗更多的无功功率。得到以上结果后，就不难决定换流站交流母线上的无功功率： 式中，是系统等值电抗。当计及换流变压器的励磁无功功率时，换流站交流母线上的无功功率应是： 式中，是一台换流变压器的励磁无功功率，可按照换流变空载电流百分数求得： 式中，是换流变压