为什么采用高压直流输电?

追溯历史，最初采用的输电方式是直流输电，于 1874 年出现于俄国。当时输电电压仅 100V。随着直流发电机制造技术的提高，到 1885 年，直流输电电压已提高到 6000V。但要进一步提高大功率直流发电机的额定电压，存在着绝缘等 一系列技术困难。由于不能直接给直流电升压，输电距离受到极大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19 世纪 80 年代末，人类发明了三相交流发电机和变压器。 1891 年， 世界上第一个三相交流发电站在德国竣工。 后， 此 交流输电普遍代替了直流输电。随着电力系统的迅速扩大，输电功率和输电距离的进一步增加，交流输电遇到了一系列技术困难。大功率换流器(整流和逆变) 的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，直流输电重新受到人们的重视。 1933 年， 美国通用电器公司为布尔德坝枢纽工程设计出高压直流输电装 置; 1954 年，建起了世界上第一条远距离高压直流输电工程。之后，直流输电在世 界上得到了较快发展，现在直流输电工程的电压等级大多为±275～±500kV， 投入商业运营的直流工程最高电压等级为±600kV(巴西伊泰普工程)，我国计 划在西南水电送出的直流工程中采用±800kV 电压等级。

在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然 是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器， 将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电 线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流 变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使 其工作于整流或逆变状态。

我国目前建成的高压直流输电工程均为两端直流输电系统。 两端直流输电系 统主要由整流站、逆变站和输电线路三部分组成，如图 1 所示。

图 1 两端直流输电系统示意图

两端直流输电系统可以采用双极和单极两种运行方式。

在双极运行方式中，利用正负两极导线和两端换流站的正负极相连，构成直 流侧的闭环回路。两端接地极所形成的大地回路可作为输电系统的备用导线。正常运行时，直流电流的路径为正负两根极导线。实际上，它们是由两个独立运 行的单极大地回路系统构成。正负两极在地中的电流方向相反，地中电流为两极 电流之差。两 极电流之差形成的电流为不平衡电流，由接地极导引入地。在双极运行时，不平衡电流一般控制在额定电流的 1%之内。

单极运行方式又分为单极金属返回和单极大地返回两种运行方式。 在单极金 属返回运行方式中，利用两根导线构成直流侧的单极回路，直流线路中的一根导线用作正 或负极导线，另一根用作金属返回线。在此运行方式中，地中无电流 通过。在单极大地返回运行方式中，利用一根或两根导线和大地构成直流侧的单 极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接 地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。

高压直流输电与交流输电相比，具有诸多优点：

(1) 高压直流输电具有明显的经济性。输送相同功率时，直流输电线路所用线材仅为交流输电的 1/2～2/3。直流输电采用两线制，与采用三线制三相交流输 电相比，在输电线路导线截面和电流密度相同的条件下，若不考虑趋肤效 应，输送相同的电功率，输电线和绝缘材料可节省约 1/3。如果考虑到趋肤效 应和各种损 耗，输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用 导线截面积的 1.33 倍。因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半。 另外，直流输电 线路的杆塔结构也比同容量的三相交流输电线路的简单，线路 走廊占地面积也大幅减少，图 5-2 分别给出了两者的走廊照片。但是，直流输电 系统中的换流站的造 价和运行费用要比交流输电系统变电站的高，当输电距离增加到一定值后，直流输电线路所节省的费用刚好抵偿了换流站所增加的费用， 此时这个输电距离即被称为 交流输电与直流输电的等价距离。如果把交流输电 和直流输电两种输电方式在输送一定功率时，所需的费用和输电距离之间的关系 绘成如图 5-3 (a) 所示的曲 线， 两曲线交点的横坐标就是等价距离。 5-3 图 (b) 给出了随着输送距离的增加，交流和直流输电系统的线路损耗曲线。

图2 交流输电和直流输电线路走廊

(a)交流输电线路走廊;(b)直流输电线路走廊


图3 交流输电与直流输电系统等价距离和线路损耗对比图

(a)总投资与线路距离的关系;(b)架空输电线路的损耗

(2) 在电缆输电线路中，高压直流输电线路不产生电容电流，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗。在一些特殊场合，如输电线路经过海峡时，必须 采用电 缆。 由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器， 在交流高压输电线路中， 空载电容电流极为可观。而在直流输电线路中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加 在电缆上。

(3)采用直流输电时，线路两端交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行。 采用远距离交流输电时， 交流输电系统两端电流的相位存在显著差异; 并网的 各子系统交流电的频率虽然规定为 50Hz，但实际上常产生波动。这两种 因素导致交流系统不同步， 需要用复杂而庞大的补偿系统和综合性很强的技术加 以调整，否则就可能在设备中形成强大的环流而损坏设备，或造成不同步运行 而引起停电事故。采用直流输电线路将两个交流系统互连时，其两端的交流电网 可以按各自的频 率和相位运行，不需进行同步调整。

(4)高压直流输电控制方便、速度快，发生故障的损失比交流输电的小。两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障侧 输送短路 电流。 因此， 将使两侧系统原有断路器切断短路电流的能力受到威胁， 需要更换断路器。若用直流输电将两个交流系统互连，由于采用可控硅装置，电路功率能迅 速、方便地进行调节，直流输电线路向发生短路的交流系统输送的 短路电流不大，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时几乎一样。因此不必更 换两侧原有开关及载流设备。

(5)在高压直流输电工程中，各极是独立调节和工作的，彼此没有影响。所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送至少 50%的电能。 但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。

高压直流输电也有其缺点：

(1)直流换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高;

(2)谐波较大;

(3)直流输电工程在单极大地回路方式下运行时，入地电流会对附近的地下金属体造成一定腐蚀，窜入交流变压器的直流电流会使变压器噪声增加;

(4)若要实现多端输电，技术比较复杂。

由上可见，高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需 同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。而采用交流输电系统便于向多端输电。交流与直流输电配合，将是 现代电力传输系统的发展趋势。