1、中文摘要盡年來隨著電力電子器件的不斷發展高壓直流輸電技術也取得了巨大的成果，由于交流輸電的一些無法解決的問題，使得直流輸電技術在現實使用中越來越為廣泛。背靠背換流站作為高壓直流輸電技術中的一個重要組成部分，對電力系統之間的相互支援、調度等具有重要作用。目前，我國已經建成天生橋、靈寶等換流站，在使用中體現出了巨大的優越性。本設計內容為設計背靠背換流站的直流系統，在查閱相關資料的基礎上，爭取采用國際先進技術，合理設計、縝密計算，力爭實現換流站直流系統的合理設計。關鍵詞：換流站；換流變壓器；晶閘管；整流站；無功補償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 錄中英文摘要-目 錄-前 言-第一章 資料綜述-1.1

6、 課題意義-1.2 本課題來源及研究內容-第二章 基礎理論-2.1 高壓直流輸電最新技術-2.1.1 大容量晶閘管和智能化晶閘管觸發單元-2.1.2 容性換流技術-2.1.3 連續可調式交流濾波器及有源式直流濾波器-2.1.4 數字式光纖互感器-2.1.5 電壓控制型直流閥-2.1.6 水冷卻及組件式閥結構、吊裝式閥安裝-2.1.7 戶外型閥設計-2.1.8 合成試驗回路-2.2 高壓直流輸電基本原理-2.3 高壓直流輸電系統的過壓保護-2.3.1 過電壓的種類-2.3.2 直流系統過電壓保護原則-2.3.3 直流系統保護要求-2.3.4 直流系統保護功能的實現-2.3.5 保護原理及配合-2

7、.3.6 高壓直流輸電系統過電壓保護裝置直流避雷器-2.4 高壓直流輸電系統的諧波分析-2.4.1 諧波的產生-2.4.2 諧波的治理-2.5 高壓直流輸電系統的無功補償-2.5.1 換流器的無功功率特性-2.5.2 高壓直流輸電中的無功功率補償-第三章 背靠背換流站直流系統的設計-3.1 換流站的總體設計方案-3.1.1主電路的具體設計-3.1.2交流母線到換流閥部分的設計-3.2 換流站一次系統的設計-3.2.1 系統主電路的確定-3.2.2 系統無功補償裝置的確定-3.2.3 系統諧波分析與濾波器的確定-3.3 換流站調節控制系統的設計-3.3.1 觸發器的硬件設計-3.3.2 觸發器的

8、軟件設計-3.4 主要參數的計算及設備的選擇-3.4.1 直流參數的計算-3.4.2交流參數的計算-第四章 其它部分-致謝-參考資料-前 言在最近20年內高壓直流晶閘管閥和高壓直流輸電技術的發展，使得用高壓直流輸電更經濟、更可靠。越來越多的輸電線路使用高壓直流進行電力傳輸?，F代的高壓直流晶閘管閥以組件式結構、大功率和水冷晶閘管、智能晶閘管控制單元、全面的計算機閥控制和嚴格的試驗為特征。容性換流技術、數字式光纖互感器、有源直流濾波器和連續可調交流濾波器的使用，有效地提高了高壓直流輸電的質量，產生了更健全的高壓直流輸電系統 。作為新一代高壓直流換流器的電壓控制型換流器，使得小容量電力傳輸經濟可行。

9、第1代高壓直流輸電系統始于1954年投運的瑞典本土和果特蘭島之間的高壓直流輸電線路。1965年，利用汞弧閥換流的第1代高壓直流輸電系統首次在新西蘭南北島之間實現電力在直流方式下的大規模傳輸，其直流傳輸功率達600 mw。第2代高壓直流輸電系統以1970年對新西蘭南北島直流工程的更新換代為代表。晶閘管閥取代汞弧閥實現換流功能 ，以晶閘管閥為基礎的第2代高壓直流輸電系統在1986年建成投運的巴西伊泰普(haipu)工程上創造了直流功率傳輸的新記錄。在600 kv直流電壓下，其輸送功率達23150 mw。高壓直流系統電力傳輸容量的快速增長是換流閥技術和系統技術不斷改進提高的結果。盡管今天的高壓直流輸

10、電與早期的直流輸電原理相同，過去幾十年間對高壓直流系統主要設備的革命性改進已使得當今的高壓直流輸電系統具有顯著的不同。在直流換流閥方面的發展有：大容量晶閘管閥取代了汞弧閥閥的水冷卻取代了閥的強制風冷卻，閥的組件式設計和吊裝式閥安裝技術的使用，晶閘管和晶閘管閥的數字式控制及對閥組件的合成試驗。在直流系統方面的主要發展有： 閥及換流站的計算機數字控制和保護、容性換流技術的應用、連續可調式交流濾波器及有源式直流濾波器和數字式光纖互感器的使用。在我國，隨著三峽電站的投運，按照全國聯網、西電東送、南北互供的全國聯網方針，全國將以三峽輸電系統為主體，向東西南北方向輻射，形成以北、中、南送電通道為主體，南北

11、電網間多點互聯、縱向通道聯系較為緊密的全國互聯電網格局。由于高壓直流輸電特別適合于長距離大容量送電及電網互聯，因此將會在我國西電東送及全國聯網工程中發揮著重要作用。 背靠背換流站作為直流輸電系統中一個重要的組成部分，具有連接兩個不同電網，進行能量相互支援的作用，對平衡不同地區、不同季節用電需求有重要的意義。本設計即將進行的是換流站直流系統的設計，包括：換流站一次、二次系統的設計，控制系統的設計和防雷保護等方面的設計。作為大學期間最后一個，也是最重要的一個學習任務，應該本著認真，嚴謹的態度這項工作，為大學的生活畫上一個圓滿的句號。第一章 資料綜述1.1 課題意義 近年來隨著各國生產的發展及工業化

12、進程的加快，許多國家對電力的需求都呈快速增長的態勢。在上世紀的50-80年代的30年間，世界發電裝機容量增長了14.2倍，發電量增長7.9倍；發電裝機年增長率達9.5，而發電量年增長率達7.6，約相當于每10年翻一番。隨著我國現代化建設速度的加快，電力建設更以空前的速度發展，19962000年我國電源裝機增長達47 ，年增長率為8.1。到2003年我國年發電總量僅次于美國，居世界第2位。世界第一大水電站三峽站機組先后并網發電，標志著我國水電建設速度達到了空前的水平。核電廠建設也在加快，除已建成的大亞灣、嶺澳核電廠外，秦山電廠已完成三期擴建，江蘇田灣核電廠建設速度也在快速建設中。總之，隨著世界經

13、濟的快速發展，作為先行的能源工業必然要加快發展，而且必須有一定的提前量。隨著生產的發展和電能需求的不斷增長，交流遠距離輸電在同步運行穩定性上的問題就顯示了出來；隨著電力需求的進一步增長，電力系統的規模將發展的更大，交流輸電的局限性在生產實踐中就更為突現，于是直流輸電技術就成為當前研究領域的一項重要課題。經過幾十年的發展，高壓直流輸電技術取得了長足的發展，取得了豐碩的成果，這主要是因為直流輸電技術具有的幾大優點：1 當輸送功率相同時，其線路造價低。架空線路桿塔的結構簡單，線路走廊較窄，線路損耗較小，運行費用節省。2 兩端的電力系統不需要同步運行，輸電距離不受同步性的影響，可以用來提高與直流線路并

14、聯運行的交流系統的穩定性。3 直流線路的電流、功率調節比較簡單而且迅速。4 可以實現不同頻率或相同頻率交流系統之間的非同步聯絡，避免大面積的停電事故。5 線路在穩態運行時沒有電容電流，沿線電壓分布較平穩。6 在導線幾何尺寸和電壓有效值相同的情況下，電暈無線電干擾較小。7 每個極都可以作為一個單獨的回路運行，當一個極發生故障時，健全一極仍能送一部分功率，而且換流器也可以分期建設。電力系統之間的互聯可以有三種方式：一是交流輸電同步聯網方式，聯網后形成更大的同步電網：二是直流輸電非同期聯網方式，聯網后將形成非同期聯合運行的大電網，其中也包括不同頻率的聯合大電網；三是交直流并聯輸電同步聯網方式。聯網后

15、將形成可以利用直流輸電的快速控制改善電網性能的同步運行大電網。背靠背直流聯網是將兩個換流站背靠背合裝在一起，實現大電網之間非同期聯網的一種方式。背靠背直流工程近年來發展較快，約占運行和在建直流工程的1/3。背靠背換流站是對兩個不同電網之間采用換流站技術進行聯網，以進行水電、火電不同時期的相互支援從而達到保障供電安全，實現電能的合理調配，更好的服務社會主義經濟建設。隨著電力電子器件技術的發展，目前困擾高壓直流輸電技術發展的瓶頸問題-高壓器件的絕緣和耐壓，得以順利解決，從早先的氣吹電弧整流器到后來的可控硅整流器，直流輸電在發展中的關鍵問題順利得到解決，這都為直流輸電的發展奠定了堅實的基礎。1.2

16、本課題來源及研究內容設計背靠背換流站高壓直流系統，用于兩個大電網的聯網，采用背靠背系統聯網可使兩個電網相互不受干擾，整流站交流側電壓等級為500kv, 逆變側交流電壓等級為330kv，采用雙極直流輸電方式，直流電壓500kv，輸電容量1200mw.設計高壓直流系統的控制調節方式，實現直流系統的功率調節和潮流反轉控制。設計高壓直流輸電系統的過壓保護系統。第二章 基礎理論2.1 高壓直流輸電最新技術高壓直流輸電技術的發展依賴于電力電子器件及其、安裝調試技術的發展，對先進技術的應用是輸電技術發展的直接動力。2.1.1 大容量晶閘管和智能化晶閘管觸發單元 近30年來，電力半導體技術一直持續不斷地向大直

17、徑高厚度單晶片晶閘管方向發展以獲得更高的單管傳輸功率。目前市場上大電流換流用晶閘管單片電壓已達8.8kv,而中、小電流換流用晶閘管的單片電壓可達9kv。直流換流用晶閘管不僅僅向大容量的方向發展，而且在晶閘管的觸發方式上也進行了探索。 早在20世紀80年代初期，基于簡化處于高電位晶閘管觸發單元的考慮，對光觸發晶閘管(ltt)在高壓直流換流閥上的應用進行了大量研究, 光觸發晶閘管閥的第1次工業應用實現于1988年的konti-skan直流工程(聯接丹麥-瑞典的直流工程) 運行經驗顯示，由光觸發晶閘管使用所帶來的優點不足于取代目前所使用的高可靠性電觸發晶閘管(ett)。用于電觸發晶閘管的觸發單元在過

18、去的20年間在集成化和可靠性上都有了極大的提高， 除去發出正常的工作觸發脈沖外，觸發單元亦可向晶閘管提供正向過電壓和恢復電壓保護觸發命令，并通過中央控制計算機顯示保護觸發晶閘管的位置及故障晶閘管的位置 ，新一代觸發單元更增加了對阻尼回路元件和冷卻器溫度的在線監測。2.1.2 容性換流技術雖然直流輸電換流閥的容性換流方法在許多年前就被提出,但只是在最近幾年解決了對串聯電容器的有效保護之后才得以在實際系統中應用。2000年投運的garabi背靠背直流輸電工程(用于聯接使用不同交流電壓頻率的阿根廷電網和巴西電網)是使用容性換流技術的第一條工業實際應用工程。容性換流技術拓寬了高壓直流輸電的應用范圍，該

19、技術在聯接弱系統和長電纜線路上的優勢尤為顯著。同時，該技術使得換流閥穩態工作下換流失敗的可能性進一步降低，并能有效抑制線路暫態諧波。此外，串聯電容器的無功補償正比于系統的輸送功率，從而可顯著地減少濾波支路和并聯電容無功補償支路開關的操作次數。2.1.3 連續可調式交流濾波器及有源式直流濾波器連續可調式交流濾波器能夠在不同直流輸送功率下產生相同的濾波效果。連續可調式交流濾波器可自動跟蹤調諧到由于交流系統頻率變化及產品誤差引起的調諧頻率變化,從而獲得最好的濾波效果。連續可調式交流濾波器的主要設備之一是電抗值可調式電抗器。該電抗器由一繞有控制線圈的鐵心置入一電感線圈中組成。通過調節控制線圈的直流電流

20、改變電抗器的磁通，從而調節電抗器的電抗值。測量控制系統通過測量交流系統上的母線諧波電壓與濾波支路電流的相角差來調節控制線圈的直流電流，使濾波支路電流和母線諧波電壓的相角差為零。連續可調式交流濾波器比普通濾波器具有更優越的濾波效果，這主要表現系統在任何傳輸功率下濾波器的濾波效果都可達到最高。 連續可調式交流濾波器的損耗較低，且不存在任何機械運動部件。同時，直流濾波器在近年來也有了極大的提高。有源直流濾波器的成功開發使用使得高壓直流傳輸線諧波干擾滿足日益增高的環保要求。1991年，有源直流濾波器第1次在konti-skan 2高壓直流輸電工程中得以實際應用，直流傳輸線上的諧波被顯著地降低。2.1.

21、4 數字式光纖互感器 直流系統直流電流的準確測量是直流系統控制和保護的關鍵,新型數字式光纖測量系統已完全取代傳統的磁飽和式電流互感器和電阻式分壓器對直流側電流和電壓進行測量。 組合式直流電流數字光纖測量系統由分流器和磁位計組成傳感器部分,測量信號經由電路板轉換處理后以光信號的形式通過光纖送至處于地電位的光電轉換板,并最終送至中央處理計算機。該類直流電流數字光纖測量系統的測量準確度在dc至7khz頻率范圍下可達0.5%數字式光纖測量系統極大地減小了測量系統的體積、重量。這使得安裝和檢修更為方便，同時由于使用光纖進行信號傳輸，數字式光纖測量系統的抗電磁干擾能力和一次側與二次側的絕緣隔離使得測量系統

22、更為安全和可靠。2.1.5 電壓控制型直流閥 近些年來，在高壓直流輸電技術領域的另一最新發展是使用絕緣柵雙極晶體管（igbt）的電壓控制型直流閥進行高壓直流輸電。與傳統的晶閘管換流閥不同，基于絕緣柵雙極型晶體管的電壓控制型直流閥的電流切換無需系統的換向電壓，這使得利用高壓直流向受端無源的系統輸電成為可能。 電壓控制型直流閥使用脈寬調制技術進行交流和直流的轉換。改技術的使用能夠對交流側的 電壓幅值和相位同時進行調節。改特性賦于交流側電壓控制的雙自由度，從而似的電壓控制型直流閥能夠在p-q平面的任一象限內運行。自第一條50mw電壓控制型直流閥1999年在瑞典的果特蘭島成功投運后，其他的幾條使用電壓

23、控制型直流閥實現高壓直流輸電的項目也相繼建成投運。新一代電壓控制型直流閥使用三級式結構，其傳輸容量可達330mw。2.1.6 水冷卻及組件式閥結構、吊裝式閥安裝 組件式閥結構為閥組裝、現場安裝及維修提供了便利。1個閥組件一般由多個晶閘管及其輔助回路串聯組成，為便于安裝及維修，每閥組件的串聯晶閘管數量一般為67只。機械結構上這些串聯聯接的晶閘管之間串入用于冷卻的散熱器，這些晶閘管和散熱器由組件兩端的碟簧箝緊定位，晶閘管阻尼回路電阻被直接置入在散熱器內，從而最大限度地降低換流閥上水冷卻管道聯接的復雜性和泄漏的可能性。在阻尼回中，用充氣式電容器取代油浸式電容器從而降低了閥廳火災的危險，直流分壓器的高

24、壓電阻和晶閘管觸發控制單元直接安裝在散熱器上。使用去離子水對換流閥進行冷卻已成為現代高壓直流輸電的基本措施之一。在地震頻發地區對換流閥的安裝要求更為苛刻。計算和經驗表明，吊裝式閥結構可有效地抵御地震對換流閥的危害。因此，現代高壓直流換流閥大多采用吊裝式閥結構。2.1.7 戶外型閥設計傳統直流換流閥被安裝于換流閥廳內，換流閥廳的設計往往受制于電站當地的建筑設計規范和電站其它電器產品的設計，換流閥廳的標準設計幾乎是不可能的。近些年來開發成功的戶外式換流閥使高壓直流輸電更為靈活和經濟。戶外式換流閥設計是將一個或多個換流閥裝入集裝箱式閥柜，閥柜內部使用空氣絕緣。在結構上，戶外式換流閥使用與室內式換流閥

25、相同的閥組件和飽和電抗器。戶外式換流閥柜內部相對較小的空間尺寸使閥柜內的空氣環境可以靈活迅速地調節，由于戶外式換流閥的大部分安裝工作可在生產廠家直接完成，可以顯著縮短直流輸電工程的工期。戶外式換流閥給電站設計提供了更多的靈活性，并使老站的更新換代更為方便。2.1.8 合成試驗回路直流換流閥設計上每項新技術的應用都需要嚴格的試驗驗證，傳統上6脈沖背靠背橋式回路被用來對換流閥進行運行試驗。隨著現代直流換流閥容量的不斷提高。6脈沖背靠背橋式試驗回路需要不斷地擴大試驗裝機容量。擴容的巨額投資及不斷的擴容需求使得6脈沖背靠背橋式試驗回路不僅在技術上而且在經濟上難以滿足對現代換流閥的試驗需求。2000年成

26、功開發了新的電流引入式合成試驗回路，并對三峽-常州直流換流閥、garabi二期直流換流閥和rapid city dc tie直流換流閥進行了運行試驗。該合成試驗回路的試驗等價性更接近于系統的實際運行或傳統的6脈沖背靠背橋式試驗回路。同時，由于使用兩套不同的電源分別向試品提供試驗電流和試驗電壓?？筛鶕枰`活地調節試驗電流和試驗電壓，這為新產品的開發提供了有利的試驗支持。2.2 高壓直流輸電基本原理高壓直流輸電是運用晶閘管的單向導電性，通過對基極電流的控制實現電流從交流向直流的轉變。對直流輸出電壓、電流的控制完全由調節脈沖序列的頻率和寬度來實現。在前端由整流站將交流電轉換為直流電，經過直流線路的

27、傳輸，到達受端再逆變為交流電，下面以三相橋式整流、逆變電路為例介紹高壓直流輸電的原理。三相橋式整流、逆變輸電原理如圖2-2-1所示。圖2-2-1 三相橋式整流、逆變輸電原理(1)整流工作狀態可控硅閥k1-k6為理想狀態導通時壓降為零，關斷后阻抗為無窮大直流輸出電壓平均值圖2-2-2 三相橋式整流、逆變波形圖可見直流輸出電壓隨控制角的增加而減少。時，直流輸出電壓為零。整流狀態控制角的變化范圍：0-902）逆變工作狀態(900,直流側吸收負的功率2.3 高壓直流輸電系統的過壓保護高壓直流輸電技術由于其在技術、經濟、輸電容量、輸電損耗、運行的可靠性等許多性能指標上均優于交流輸電，因而得到了越來越廣泛

28、的運用。由于直流輸電系統中的過電壓，特別是內部過電壓，無論就其產生機理及出現頻率來說，還是從幅值、波形來看，都與通常的交流系統有著很大的差別，直流避雷器的工作條件、原理、結構、保護特性等也和交流避雷器不一樣，電氣設備在直流系統中的電氣絕緣特性也和交流系統不一樣，因此高壓直流輸電系統中的過電壓保護和絕緣配合是一個值得研究的課題。直流保護策略所要考慮的設備包括換流閥、直流場設備(包括平波電抗器、極母線、中性母線)、直流線路、接地極引線以及換流變壓器。2.3.1 過電壓的種類一暫時過電壓1.甩負荷引起的工頻過電壓當換流站的無功負荷發生較大變化時，系統將產生不同程度的電壓變化，特別是當無功負荷突然消失

29、時，將會產生幅值很大的工頻過電壓。如換流變壓器停運等。由于交流系統的異常運行，如三相故障切除、單相接地故障或直流系統故障引起甩直流負荷，將會引起工頻過電壓，其過電壓幅值的大小取決于電網條件、無功功率的變化和短路容量兩者之間的關系以及系統的短路容量等。當交流系統在換流站附近三相短路時，交流母線電壓急劇下降為零，換流站迅速甩掉直流負荷，一旦故障切除也將出現幅值很高的工頻過電壓。所以對于交流母線設備的絕緣水平，應考慮到直流雙極停運，因為此時的電壓水平最高。2. 換流變壓器投入時引起的飽和過電壓換流站的濾波場中通常設有大量呈容性阻抗的濾波器和無功補償裝置，而交流系統為感性阻抗，因而很有可能產生并聯諧振

30、。當投入空載換流變壓器時，其勵磁涌流中的低次諧波分量會引發諧振過電壓。所以在所有換流變壓器的進線斷路器上均加裝合閘電阻，用以提高阻尼，降低換流變壓器投入時的諧振過電壓。3. 切除故障引起的飽和過電壓當在換流站交流母線上或在交流母線附近處發生單相或多相短路故障時，在故障期間，換流變壓器中含有剩磁，剩磁的大小保持故障前的水平。當故障切除交流母線電壓恢復的時候，電壓相位與剩磁的相位不匹配，將會使變壓器發生飽和，從而產生過電壓。二 操作過電壓1.交流側操作過電壓在換流站的交流側進行操作、發生故障或故障切除時會引起操作過電壓，該過電壓會對換流站交流側的各種設備產生沖擊，并通過換流變壓器耦合到直流側，對換

31、流閥和直流母線及設備產生沖擊。引起換流站交流側產生操作過電壓有以下幾種情況：線路合閘和重合閘、交流濾波器和并聯電容器組的合閘和重合閘、故障開始時產生的過電壓、故障切除時產生的過電壓等。2.閥廳內換流器短路故障引起的過電壓。3.直流極母線短路故障引起的過電壓。4.控制系統故障引起的過電壓。5.金屬回路斷線引起的過電壓。當換流站以單極金屬回路方式運行時，一旦金屬回路斷線，整流站的直流電流必然會強迫通過e避雷器流人大地并經過逆變站的接地極形成導通回路，因為e避雷器無法長時間承受大電流通過，所以必須通過繼電保護裝置迅速閉鎖閥組，切斷直流電流。三 雷電過電壓換流站出現的雷電過電壓一般是從交流線路或直流線

32、路入侵的，由于換流站閥廳和直流線路之間有平波電抗器隔開，和交流線路之間有換流變壓器隔開，使得雷電波的波頭和幅值都被這些大電抗所衰減。因此一般在設計中不考慮雷電過電壓。但在換流變及其網側交流設備、平波電抗器及直流場內設備仍有雷電波威脅，在選擇避雷器時應加以考慮。2.3.2 直流系統過電壓保護原則(1)以zno避雷器為主進行保護，在交流側產生的過電壓由交流側避雷器進行保護，在直流側產生的過電壓由直流側避雷器進行保護。(2)對于重要設備的過電壓保護，應由與該設備緊密并聯的避雷器進行保護。(3)在換流變壓器的交流進線斷路器加裝并聯合閘電阻，可以降低換流變壓器投人時的諧振過電壓。(4)在直流中性母線上裝

33、設中性點沖擊電容器，可以限制從接地極線路人侵的各種過電壓。(5)換流變壓器的網側繞組通常采用中性點接地的y接法，按照普通電力變壓器的方式進行保護；換流變壓器的閥側繞組通常一半采用中性點不接地的y接法，另一半采用 接法，因而作用在每個閥側繞組的電壓是交流電壓，但各個閥繞組對地電壓既有交流分量又有直流分量。所以閥側繞組在相間裝設交流避雷器進行保護，相對地則用直流避雷器進行保護。2.3.3 直流系統保護要求（1） 能檢測到設備的故障和異常情況，并從系統中切除影響運行的故障設備。（2） 保護系統應至少雙重化配置。（3）故障換流器對健全換流器的影響應達到最小。（4）各保護區應有重疊。通常每套保護均有一套

34、后備保護。主保護速度快但保護區小，后備保護速度較慢、靈敏度較低，但保護區大一些。如有可能，后備保護應盡可能使用不同的測量原理。（5） 保護動作應盡量避免雙極停運。（6）電源應為獨立電源。（7）斷路器跳閘回路使用雙回路。（8）保護配置應滿足保護試驗和維護時不影響換流器運行的原則。2.3.4 直流系統保護功能的實現第一部分：換流閥保護第1套保護配置包括閥短路保護、換相失敗預測、換相失敗保護、電壓應力保護、點火不正常保護、晶閘管閥監視、直流過流保護、大角度監視。第2套包括閥短路保護、換相失敗保護、直流過電壓保護、后備的直流過流保護、閥直流差動保護。第二部分：極保護極保護包括高壓極母線、中性母線、直流

35、濾波器、平波電抗器以及直流線路保護。第1套保護配置包括直流極母線差動保護、直流極差動保護、接地極引線開路保護、直流濾波器電容器不平衡保護、直流濾波器差動保護、直流線路保護、中性母線開關保護、直流線路縱差保護、開路線路試驗監視、直流濾波器失諧監視以及平波電抗器本體保護。第2套包括直流諧波保護、直流中性母線差動保護、接地極引線開路保護、直流濾波器過負荷保護、直流欠壓保護、潮流反轉保護、后備中性母線開關保護。第三部分：雙極保護雙極保護包括雙極中性母線和接地極引線保護。第1套保護配置包括雙極中性母線差動保護、轉換開關保護(nbgs、grts、mrtb)、金屬回線縱差保護、接地極引線過負荷保護。第2套包

36、括站接地過流保護、后備轉換開關保護(nbgs、grts、mrtb)、金屬回線橫差保護、金屬回線接地故障保護、接地極引線不平衡監視。第四部分：換流引線和換流變壓器保護換流引線和換流變壓器保護包括換流引線差動保護、換流引線和換流變壓器過流保護、換流引線和換流變壓器差動保護、換流變壓器差動保護、換流變壓器過流保護、換流變壓器熱過負荷保護、換流變壓器繞組差動保護、換流引線過壓保護、換流變壓器中性點偏移保護、換流變壓器零序電流保護、換流變壓器過勵磁保護、換流變壓器直流偏磁保護、換流變壓器零差保護，單斷路器保護以及換流變壓器本體保護。2.3.5 保護原理及配合按照上述分析，不同故障具有不同的特點。通過檢測

37、電壓/電流，三常直流輸電工程直流保護根據各種故障特征，采用相應的保護原理。如換流閥保護(閥短路保護、換相失敗保護)基于交直流差動原理；閥直流差動保護、極母線差動保護、中性母線差動保護、金屬回線橫差/縱差保護和換流變壓器差動保護等采用差動電流的原理；后備過流保護、換流變壓器過流保護等基于過流原理；電壓應力保護、直流過壓保護、接地極引線開路保護等基于過壓、過應力原理；直流過流保護、大角度運行監視以及過負荷保護等建模計算相應元件/設備的過負荷情況。此外還有一些保護的工作原理基于其實現的電路或邏輯，如點火不正常保護和潮流反轉保護等。2.3.6 高壓直流輸電系統過電壓保護裝置直流避雷器同交流系統一樣，高

38、壓直流輸電系統需要配置過電壓保護裝置，對各種過電壓進行限制，以達到降低絕緣水平、保護電氣設備、提高設備運行的安全可靠性、減少投資的目的。換流站的過電壓保護裝置有很多種運用得較多的是直流避雷器，它是高壓直流輸電系統絕緣配合的基礎，其工作條件和工作原理與交流避雷器有著很大的差別，其運行條件要比交流避雷器嚴酷得多。對直流避雷器的要求有：(1)滅弧能力強交流避雷器一般是利用電流自然過零值時來切斷續流，而直流避雷器就沒有零值可利用，只能依靠磁吹使電弧拉長冷卻，它采取的是強制建立電流零值的滅弧方式，使得滅弧較困難，所以要求直流避雷器的滅弧能力要很強。(2)通流容量大在高壓直流輸電系統中有大量的容性元件，正

39、常運行時處于滿充電狀態。當避雷器動作時，應要求直流避雷器有足夠大的通流能力，使直流系統中積聚的大量電流得以泄放。(3)具有穩定的擊穿電壓值由于換流站可能出現的過電壓情況比較復雜，對于各種波形的過電壓均要求其可靠動作，所以要求直流避雷器具有穩定的擊穿電壓值。(4)具有優良的非線性伏安特性。(5)自滅弧能力強。要由于直流電壓較恒定，就必須求避雷器具有很強的自滅弧能力用以可靠地切斷電弧。(6)外絕緣要求較高。一般換流站的避雷器的配置如圖2-3-1所示：圖2-3-1 一般換流站的避雷器配置圖其中：1.交流母線避雷器a：用于限制交流母線的過電壓水平。2.閥避雷器v：用于保護閥和換流變網側繞組的相間絕緣，

40、能限制從交流電網通過換流變壓器傳遞到換流閥的過電壓。3.換流器避雷器c：用于保護l2脈沖閥和平波電抗器的對地絕緣。4.直流母線和直流線路避雷器dl、d2：用于保護平波電抗器線路側對地絕緣、平波電抗器的縱向絕緣和限制直流場母線及設備的過電壓水平。正常情況下，dl和d2并聯運行，在過電壓沖擊時，dl主要保護平波電抗器，d2主要保護直流場電氣設備。5. 直流中性點避雷器e：用于限制直流中性母線及設備的過電壓水平。直流濾波器避雷器的配置如圖2-3-2所示 ：圖2-3-2 直流濾波器避雷器的配置圖其中：交流濾波母線避雷器a ：用于限制交流濾波母線及設備的過電壓水平。交流濾波電抗器避雷器、：用于保護交流濾

41、波器的高、低壓電抗器的對地絕緣。圖2-3-3 直流濾波器避雷器的配置圖其中：直流濾波電抗器避雷器、：用于保護直流濾波電抗器的對地絕緣。2.4 高壓直流輸電系統的諧波分析諧波問題是直流輸電系統一個很突出并且很重要的技術問題。眾所周知，諧波對電力系統的影響和危害是十分嚴重的，主要表現在以下幾個方面： 1.當系統中存在諧波分量時，可能會產生局部的并聯或串聯諧振，放大諧波分量，并因此增加由于諧波所產生的附加損耗和發熱，可能造成設備故障。 2.由于諧波的存在，增加了系統中元件的附加諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的使用效率。 3.諧波將使電力設備元件加速絕緣老化，縮短使用壽命。 4.諧波可能導致某些

42、電力設備不正常的工作 5.干擾鄰近的通訊系統，降低通訊質量。 在目前的技術條件下，高壓直流輸電系統中的諧波是不可避免的而且相當嚴重，可以說在正常運行條件下從交流側看，直流換流器實際上呈現為一個特征諧波的諧波電流源。因此對高壓直流輸電系統的諧波進行分析并對其采取相應抑制措施就顯得非常必要。2.4.1 諧波的產生諧波的根本來源是非線性負荷。隨著現代工業的發展，可控硅技術的廣泛應用，使非線性設備和產品數量與日俱增。這類設備具體可分為靜止變流器和電弧設備兩類，這類設備產生的諧波次數取決于各自能量的轉換形式和特征。比如：一個6脈沖整流裝置，它的主要特征諧波為5，7次諧波；12脈沖為11，13次諧波(即按

43、照士1計算， 為整流脈沖數)。另外，并聯電容器對電網諧波的影響也很大，現具體分析如下：(1)未安裝電容器時當配電變壓器低壓側不安裝電容器時，非線性負荷產生的諧波可以等效成恒流源，諧波電流流入用電負荷和電網由于電網的系統短路阻抗遠遠小于負荷阻抗，在一般情況下，有9o% 95%的諧波電流注入系統，5% 1o%的諧波電流注入用電負荷，注入系統的諧波電流在變壓器和系統阻抗上產生壓降，使電壓波形畸變、諧波電壓超標，致使電壓質量下降。電壓質量降低的最直接受害者是工廠本身，這會增加各種損耗、降低電器設備使用壽命、造成停電和設備事故等。(2)安裝并聯電容器時為了改善功率因數，大多數工廠都裝有并聯補償電容器，電

44、容器本身并不產生諧波，但是當負荷出現諧波電流時，電容器將使諧波放大，并導致工廠內部的諧波電壓升高，電壓質量下降。在這種情況下不僅流入負荷的諧波電流要增大，而且由于電容器放大的諧波電流也注入系統，從而使流入系統的諧波電流進一步增加當電容器與系統電抗的并聯諧振頻率等于或接近負荷諧振頻率時，就發生了諧波的并聯諧振，這時流人系統的諧波電流就有可能達到諧波源電流的23倍。并聯諧振的后果是嚴重的，主要反映在：諧波電壓被嚴重放大，有時大大超過了國家標準； 電容器支路的諧波電流大幅度增加，使電容器發熱、損壞； 變壓器、電動機等設備損耗大幅度增加。引起設備事故，降低使用壽命。2.4.2 諧波的治理消除諧波是一個

45、較為復雜的問題，隨著每一個系統的不同而不同目前常用并聯濾波器的方法。這是一種傳統的方法，較為經濟，濾波效果明顯。它是由濾波電抗器和電容器組成的串聯回路（圖2-4-1所示），可以為一個特定頻率下的諧波電流提供低阻的感性通路，防止諧波電流流入系統，以減小電壓波形的畸變。 圖2-4-1 由濾波電抗器和電容器組成的串聯回路濾波器支路的串聯諧振次數可以表示為：當諧振次數和hh。時，電容器支路呈感性，為濾波狀態，可對h。以上的諧波濾波諧波電流被系統阻抗和濾波器支路分流，有效地降低了注入電網的諧波。h越接近h。效果越好;反之濾波效果差，但仍然可以有效抑制諧波的放大和避免諧波諧振。但此種方法對諧波的治理不很徹

46、底，仍會有相當部分的諧波電流流入電網，而且當負荷及諧波源變化時，濾波電抗器l及電容c值需做相應調整，令其使用范圍受到限制因此這種方法更適合于諧波源固定不變的場合，亦稱之為靜態補償。2.5 高壓直流輸電系統的無功補償2.5.1 換流器的無功功率特性高壓直流輸電中，換流器是實現交直流轉換的核心設備，換流器無論是以整流器方式或逆變器方式運行時，都將從交流電網中吸取消耗大量側無功功率。假定換流站接有個負載相等的單橋換流器，并忽略所有元件中的有功功率損耗，也先不考慮換流變壓器的勵磁無功功率，可以寫出下列近似的無功功率表示式: 式中p和q是一臺換流器的有功功率和無功功率，e、e2分別是換流變壓器網側和閥側

47、電壓有效值，i1、i2分別為換流變壓器原邊和副邊的基波電流。為了得到無功功率和有功功率之間的普遍關系式，令單橋的基準功率為sj ，則每臺換流器的的有功功率和無功功率標么值為： 這時取下列數值作為基準電壓和基準電流： 式中: - 換流器的理想空載電壓；-換流變壓器閥側相電壓幅值；-換流變壓器閥側相電壓有效值- 換流器的換相電抗因此，一個橋的有功功率和無功功率標么值為：由于: = =()所以得到單橋有功功率和無功功率的標么值為： 根據以上表達式，可求得換流器在以整流器或逆變器方式運行時的無功功率特性。以換流器方式運行時，換流器的a近于恒定，當換相重疊角在的范圍內時，由式可知，隨著的增大，將使整流器吸取消耗的無功功率增大。當整流器的負載越重,越大，則無功功率也越大。當換流器以定角作逆變器方式運行時，則應將功率方程用和表示。對于單橋逆變器，在所有可能的負載范圍內，即的范圍內，將比單橋逆變器消耗更多的無功功率。得到以上結果后，就不難決定換流站交流母線上的無功功率： 式中，是系統等值電抗。當計及換流變壓器的勵磁無功功率時，換流站交流母線上的無功功率應是： 式中，是一臺換流變壓器的勵磁無功功率，可按照換流變空載電流百分數求得： 式中，是換流變壓器的額定容量。