新型高压交直流输电技术研究

李泓骏

（广东电网有限责任公司清远供电局广东清远511500）

摘要：传统交流输电系统输送容量受制于输电线路热稳定极限，出现了输电系统输送容量低、供电可靠性差、系统稳定性难以解决等问题。本文引入一种新型交直流叠加输电技术，能有效提高传统交流输电系统特性、大大提高输电系统传输容量，具有良好的发展前景。分析其输电系统主电路拓扑结构，研究该新型输电系统的直流电流和直流电压分量的注入特性，重点研究输电线路改造需要重点选择与权衡的几个关键要素，进一步促进并完善了该输电技术的理论研究和工程发展。

关键词：交直流；线路改造；输送容量；特性

0引言

伴随国民经济的快速发展，现有输电网络已无法满足电力负荷增加的需求，出现了传统交流输电网络输送容量的瓶颈效应，且交流输电系统供电可靠性低，系统稳定性难以解决。直流输电方式因换流设备快速可控其系统输电灵活，且不存在同步运行稳定性问题的优点；然而，其输电方式具有只能点对点输送，线路中间不能抽取功率的困难。可见，交、直流输电方式均有各自的优势与缺陷，为此，有必要重新审视传统输电网络传输理论，探讨和寻求一种新的输电方式为解决上述问题提供了一种新的思路。

1拓扑结构及运行原理

交直流叠加输电系统的主电路拓扑结构有两种，即单回路主电路结构和双回路主电路结构。以单回路结构为例，给出其拓扑结构如图1所示。

图1高压交直流叠加输电系统主电路结构

该新型输电系统主要包括：交流系统、Zigzag变压器、整流器、逆变器、接地极和输电线路。直流功率通过高压直流系统中的换流器注入在Zigzag变压器二次侧中性点，注入直流电流将均匀分布在变压器的三个绕组中。在满足电气特性的条件下，直流电流经Zigzag变压器叠加在原来交流系统输电线路上。

2直流分量注入特性

假定Ia为输电线路的交流电流分量，Id为输电线路的直流电流分量，得到输电导体的总电流有效值为

(1)

式中Ith为导线允许的温升电流，令，x的取值范围为，得到输电导体直流电流与导体热极限关系为

(2)

理论上，三相输电线路注入的直流电流相等，实际工程理论中，任一导体中的总电流I并不是严格相等。但其在一个周期中，电流有两次自然过零点，从而可以得到：。

假定Uph为未注入直流时的相电压，Ud为直流电压大小，Ua为注入直流后的相电压，则叠加后的每相导体对地的电压为：

(3)

每个导体的绝缘电压值为Emax，仍然而线与线之间的电压没有直流分量，从而得出：ELL(max)=，输电线路中线与线之间的距离仅仅取决于线路上的额定交流电压。

3线路改造原则与关键要素的选定

交直流叠加输电线路改造涉及的工程实践问题非常复杂，需要考虑到的影响因素有很多。输电线路改造原则是：在获得最大总功率的同时充分利用原有输电线路结构，尽可能不改造或少改造绝缘子串或金具。输电线路改造需要考虑的因素有很多，初步改造设计中需要优先选定的几个关键要素如下：

(1)额定电压的选定

交直流叠加输电线路改造时不仅需要参考初始输电线路电压等级，还要综合考虑线路损耗、设备造价、绝缘配合对输电线路环境的影响。在线路输送容量不变时，选定的运行电压越高，架空输电线路损耗越小。随着输电距离和输送容量的增加，采用高电压等级输送似乎恰当，而实际上额定电压的选定需要考虑包括投资成本在内的各种因素。

(2)额定电流的选定

额定电流的选定不仅仅需要参考初始交流输电线路的交流电压和输电导线电流裕度的多寡，还需要重点考虑输电线路损耗、输电系统负荷能力与过负荷能力，这也是从经济和技术角度最重要考虑的因素。交直流叠加输电系统的暂时和短时过负荷能力对输电系统在故障后保持稳定和维持供电非常关键。

(3)额定电流对接地极的影响

输电线路改造需要的新增设备有接地极装置，当改造的交直流叠加输电系统运行模式由双极运行转换到单极运行模式时，额定电流就会对接地极造成影响。借助现有直流输电工程经验，为防止入地电流过大造成金属电化学腐蚀，应最大限度地减小电流密度和表面电压梯度，使用接地装置将电位钳位到尽可能小。

(4)改造线路允许载流量的选定与计算

研究表明，输电线路允许载流量的计算与选择，与导体自身电阻率、环境温度、运行温度、风速、日照强度、空气传热系数等因素有关。其中，环境温度与导线允许最高温度对线路输送容量影响较大。导线最高允许运行温度按各国相关规定具体而定。其中，美国允许温度为90o，法国为85o，德国、荷兰、意大利等国为80o，我国允许温度为70o。

导线允许载流量的大小直接取决于发热允许温度的高低，导线允许发热温度越高，其允许载流量也越大。导线载流量的计算是根据导线发热和散热的热平衡推导得出，采用英国摩尔根公式能考虑到的影响载流量因素较多，并有实验基础，化简摩尔根公式，可得到该输电系统的导线允许载流量It为：

(4)

4结语

本文研究了一种新型交直流叠加输电技术，分析其输电系统主电路拓扑结构，研究该新型输电系统的直流电流和直流电压分量的注入特性，得出了该输电系统中注入的直流电气量需要满足的电气参数条件。研究输电线路改造需要重点选择与权衡的几个关键要素，如电压等级、额定电流、最高允许温升等的选定，完善并促进了该输电技术的发展和理论研究。

参考文献

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