為什么采用高壓直流輸電?

追溯歷史，最初采用的輸電方式是直流輸電，于 1874 年出現(xiàn)于俄國。當(dāng)時輸電電壓僅 100V。隨著直流發(fā)電機制造技術(shù)的提高，到 1885 年，直流輸電電壓已提高到 6000V。但要進一步提高大功率直流發(fā)電機的額定電壓，存在著絕緣等 一系列技術(shù)困難。由于不能直接給直流電升壓，輸電距離受到極大的限制，不能滿足輸送容量增長和輸電距離增加的要求。19 世紀(jì) 80 年代末，人類發(fā)明了三相交流發(fā)電機和變壓器。 1891 年， 世界上第一個三相交流發(fā)電站在德國竣工。 后， 此 交流輸電普遍代替了直流輸電。隨著電力系統(tǒng)的迅速擴大，輸電功率和輸電距離的進一步增加，交流輸電遇到了一系列技術(shù)困難。大功率換流器(整流和逆變) 的研究成功，為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙，直流輸電重新受到人們的重視。 1933 年， 美國通用電器公司為布爾德壩樞紐工程設(shè)計出高壓直流輸電裝 置; 1954 年，建起了世界上第一條遠距離高壓直流輸電工程。之后，直流輸電在世 界上得到了較快發(fā)展，現(xiàn)在直流輸電工程的電壓等級大多為±275～±500kV， 投入商業(yè)運營的直流工程最高電壓等級為±600kV(巴西伊泰普工程)，我國計 劃在西南水電送出的直流工程中采用±800kV 電壓等級。

在現(xiàn)代直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然 是交流電。在輸電線路的送端，交流系統(tǒng)的交流電經(jīng)換流站內(nèi)的換流變壓器送到整流器， 將高壓交流電變?yōu)?strong>高壓直流電后送入直流輸電線路。直流電通過輸電 線路送到受端換流站內(nèi)的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟?，再?jīng)過換流 變壓器將電能輸送到交流系統(tǒng)。在直流輸電系統(tǒng)中，通過控制換流器，可以使 其工作于整流或逆變狀態(tài)。

我國目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電系統(tǒng)。 兩端直流輸電系 統(tǒng)主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成，如圖 5-1 所示。

圖 5-1 兩端直流輸電系統(tǒng)示意圖

兩端直流輸電系統(tǒng)可以采用雙極和單極兩種運行方式。

在雙極運行方式中，利用正負兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負極相連，構(gòu)成直 流側(cè)的閉環(huán)回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電系統(tǒng)的備用導(dǎo)線。正常運行時，直流電流的路徑為正負兩根極導(dǎo)線。實際上，它們是由兩個獨立運 行的單極大地回路系統(tǒng)構(gòu)成。正負兩極在地中的電流方向相反，地中電流為兩極 電流之差。兩 極電流之差形成的電流為不平衡電流，由接地極導(dǎo)引入地。在雙極運行時，不平衡電流一般控制在額定電流的 1%之內(nèi)。

單極運行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運行方式。 在單極金 屬返回運行方式中，利用兩根導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，直流線路中的一根導(dǎo)線用作正 或負極導(dǎo)線，另一根用作金屬返回線。在此運行方式中，地中無電流 通過。在單極大地返回運行方式中，利用一根或兩根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單 極回路。在該運行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導(dǎo)線，通過接 地極入地的電流即為直流輸電工程的運行電流。

高壓直流輸電與交流輸電相比，具有諸多優(yōu)點：

(1)高壓直流輸電具有明顯的經(jīng)濟性。輸送相同功率時，直流輸電線路所用線材僅為交流輸電的 1/2～2/3。直流輸電采用兩線制，與采用三線制三相交流輸 電相比，在輸電線路導(dǎo)線截面和電流密度相同的條件下，若不考慮趨膚效 應(yīng)，輸送相同的電功率，輸電線和絕緣材料可節(jié)省約 1/3。如果考慮到趨膚效 應(yīng)和各種損 耗，輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用 導(dǎo)線截面積的 1.33 倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。 另外，直流輸電 線路的桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電線路的簡單，線路 走廊占地面積也大幅減少，圖 5-2 分別給出了兩者的走廊照片。但是，直流輸電 系統(tǒng)中的換流站的造 價和運行費用要比交流輸電系統(tǒng)變電站的高，當(dāng)輸電距離增加到一定值后，直流輸電線路所節(jié)省的費用剛好抵償了換流站所增加的費用， 此時這個輸電距離即被稱為 交流輸電與直流輸電的等價距離。如果把交流輸電 和直流輸電兩種輸電方式在輸送一定功率時，所需的費用和輸電距離之間的關(guān)系 繪成如圖 5-3 (a) 所示的曲 線， 兩曲線交點的橫坐標(biāo)就是等價距離。 5-3 圖 (b) 給出了隨著輸送距離的增加，交流和直流輸電系統(tǒng)的線路損耗曲線。

圖 5-2 交流輸電和直流輸電線路走廊

(a)交流輸電線路走廊;(b)直流輸電線路走廊

圖 5-3 交流輸電與直流輸電系統(tǒng)等價距離和線路損耗對比圖

(a)總投資與線路距離的關(guān)系;(b)架空輸電線路的損耗

(2)在電纜輸電線路中，高壓直流輸電線路不產(chǎn)生電容電流，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，如輸電線路經(jīng)過海峽時，必須 采用電 纜。 由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器， 在交流高壓輸電線路中， 空載電容電流極為可觀。而在直流輸電線路中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加 在電纜上。

(3)采用直流輸電時，線路兩端交流系統(tǒng)不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。 采用遠距離交流輸電時， 交流輸電系統(tǒng)兩端電流的相位存在顯著差異; 并網(wǎng)的 各子系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定為 50Hz，但實際上常產(chǎn)生波動。這兩種 因素導(dǎo)致交流系統(tǒng)不同步， 需要用復(fù)雜而龐大的補償系統(tǒng)和綜合性很強的技術(shù)加 以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強大的環(huán)流而損壞設(shè)備，或造成不同步運行 而引起停電事故。采用直流輸電線路將兩個交流系統(tǒng)互連時，其兩端的交流電網(wǎng) 可以按各自的頻 率和相位運行，不需進行同步調(diào)整。

(4)高壓直流輸電控制方便、速度快，發(fā)生故障的損失比交流輸電的小。兩個交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時，另一側(cè)要向故障側(cè) 輸送短路 電流。 因此， 將使兩側(cè)系統(tǒng)原有斷路器切斷短路電流的能力受到威脅， 需要更換斷路器。若用直流輸電將兩個交流系統(tǒng)互連，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅 速、方便地進行調(diào)節(jié)，直流輸電線路向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送的 短路電流不大，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時幾乎一樣。因此不必更 換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。

(5)在高壓直流輸電工程中，各極是獨立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送至少 50%的電能。 但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。

高壓直流輸電也有其缺點：

(1)直流換流站比交流變電站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、損耗大、運行費用高;

(2)諧波較大;

(3)直流輸電工程在單極大地回路方式下運行時，入地電流會對附近的地下金屬體造成一定腐蝕，竄入交流變壓器的直流電流會使變壓器噪聲增加;

(4)若要實現(xiàn)多端輸電，技術(shù)比較復(fù)雜。

由上可見，高壓直流輸電具有線路輸電能力強、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需 同步運行、發(fā)生故障時對電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點，特別適合用于長距離點對點大功率輸電。而采用交流輸電系統(tǒng)便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是 現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。