浅谈高压直流输电系统构成及接地极运行特性
摘要：随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针，高压直流输电技术将会成为我国电网互联主要途径。高压直流输电在远距离、超大容量输电中占有极其重要的位置。交流输电与直流输电相互配合构成现代电力传输系统。直流输电是以直流电的方式实现电能的传输。电力系统中的发电和用电绝大部分均为交流电，要采用直流输电必须进行交、直流电的相互转换。也就是说，在送端需将交流电转换成直流电，而在受端又必须将直流电转换为交流电，然后才能送到受端交流系统中去。
关键词：直流输电；接地极； 中图分类号：TV 文献标识码： A 一、两端直流输电系统
两端直流输电系统通常由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成。具有功率反送功能的两端直流系统的换流站，既可作为整流站运行，又可作为逆变站运行；当功率反送时整流站变为逆变站运行，而逆变站则变为整流站运行。换流站的主要设备有：换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、控制保护装置、远动通信系统、接地极线路、接地极等。
直流输电所用的换流器通常采用由12个（或6个）换流阀组成的12脉动换流器（或6脉动换流器）。早期的直流输电工程曾采用汞弧阀换流，20世纪70年代以后均采用晶闸管换流阀。晶闸管是无自关断能力的低频半导体器件，它只能组成电网换相换流器。目前的直流输电工程绝大多数均采用这种电网换相换流器，只有小型的轻型直流输电工程是采用由绝缘栅双极晶体管（IGBT）所组成的电压源换流器进行换流。目前在直流输电工程中所采用晶闸管有电触发晶闸管（ETT）和光直接触发晶闸管（LTT）两种。晶闸管换流阀是由许多个晶闸管元件串联所组成的。目前已运行的换流阀的最大容量为250kV、3000A。另外，根据当前的技术水平和制造能力，已经能制造最大容量为200kV、40000A的换流阀，以满足高压直流输电的需要。
换流变压器可实现交、直流侧的电压匹配和电隔离，并且可限制短路电流。换流变压器的结构可采用三相三绕组、三相双绕组、单相三绕组和单相双绕组四种类型。换流变压器阀侧绕组所承受的电压为直流电压叠加交流电压，并且两侧绕组中均有一系列的谐波电流。因此，换流变压器的设计、制造和运行均与普通电力变压器有所不同。
平波电抗器与直流滤波器共同承担直流侧滤波的任务，同时它还具有防止线路上的陡波进入换流站，防止直流电流断续，降低逆变器换相失败率等功能。
换流器在运行时交流侧和直流侧均产生一系列的谐波，使两侧波形畸变。为了满足两侧的滤波要求，在两侧需要分别装设交流滤波器和直流滤波器。由晶闸管换流阀所组成的电网换相换流器，运行中还吸收大量的无功功率（约为直流传输功率的30%～50%）。因此，在换流器除了利用交流滤波器提供的无功以外，有时还需要另外装设无功补偿装置（电容器、调相机或静止无功补偿装置等）。
控制保护装置是实现直流输电正常起停、正常运行、自动调节、故障处理与保护等功能的设备，它对直流输电的运行性能及可靠性起着重要的作用。20世纪80年代以后，控制保护装置均采用高性能的微机处理系统，大大改善了直流输电工程的运行性能。
为了利用大地（或海水）为回路，以提高直流输电运行的可靠性和灵活性，两端换流站还需要有接地极和接地极线路。换流站的接地极大多是考虑长期通过运行的直流电流来设计的，它不同于通常的安全接地，需要考虑地电流对接地极附近地下金属管道的电腐蚀，以及中性点接地变压器直流偏磁的增加而造成的变压器饱和等问题。
两端的交流系统给换流器提供换相电压和电流，同时它也是直流输电的电源和负荷。交流系统的强弱、系统结构和运行性能对直流输电系统的设计和运行均有较大的影响。另一方面，直流系统运行性能的好坏，也直流影响两端的交流
系统的运行性能。
两端直流输电系统可分为单极系统（正极或负极）、双极系统（正、负两极）和背靠背直流系统（无直流输电线路）三种类型。 1、单极系统
单极系统有单极大地回线和单极金属回线两种接线。前者利用大地（或海水）为返回线，输电线路只有一根极导线，后者则有一根高压极导线和一根低压返回线所组成；前者要求接地极长期流过直流输电的额定电流，而后者则地中无直流电流，其直流侧接地属安全接地性质。 2、 双极系统
双极系统大多采用两端中性点接地方式，它是由两个可独立运行的单极大地回线方式所组成，地中电流为两极电流之差值，正常双极对称运行时，地中仅有很小的两极不平衡电流（小于额定电流的1%）流过；当一极故障停运时，双极系统则自动转为单极大地回线方式运行，可至少输送双极功率的一半，从而提高了输电的可靠性。同时这种接线方式还便于工程分期建设，可先建一极，然后再建另一极。双极系统还有双极一端换流站接地方式以及双极金属中线方式，这两种接线方式工程上很少采用。 3、背靠背直流系统
背靠背直流系统是无直流输电线路的两端直流系统，它
主要用于两个非同步运行（不同频率或频率相同但非同步）的交流系统之间的联网或送电。背靠背直流系统的整流和逆变设备通常装设在一个换流站内，也称背靠背换流站。其主要特点是直流侧电压低、电流大，可充分利用大截面晶闸管的通流能力；可省去直流滤波器。背靠背换流站的造价比常规换流站的造价可降低约15%～20%。 二、多端直流输电系统
多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站以及连接换流站之间的高压直流输电线路所组成，它与交流系统有三个或三个以上连接端口。多端直流输电可以解决多电源供电或多落点受电的直流输电问题，它还可以联系多个交流系统或将交流系统分成多个孤立运行的电网。多端直流系统中的换流站可以作为整流运行也可以作为逆变运行，但整流运行的总功率与逆变运行的总功率必须相等，即多端系统的输入和输出功率必须平衡。多端系统换流站之间的连接方式可以是并联或串联方式，连接换流站的直流线路可以是分支形或闭环形。多端系统比多个两端系统要经济，但其控制保护系统及运行操作比较复杂。目前世界上已运行的多端直流工程只有意大利-撒丁岛（三端，小型）和魁北克-新英格兰（五端，实为三端运行）两项。此外，加拿大的纳尔逊河双极1和双极2以及美国的太平洋联络线直流工程也具有多端直流输电的运行性能。