摘要：综述了在±750~±800 kV 范围的特高压级别直流输电（UHVDC）方案的基本设计要求。作为参考，UHVDC的额定功率选为5000 MW，输电距离定在2000 km，并给出了直流线路电阻为18 Ω功率为5000 MW方案的主要标称设计值。只要在大型设备运输能力上不受限制，通常宁可使用每极单12 脉动换流单元（方案1），并认为这是最为优化的组合。在要求每极大功率的情形，要考虑每极双12脉动换流单元（方案2），才能使换流变压器的重量尺寸减小到切实可行。对两种方案在基本设计各方面进行了比较。

在中国、印度和其他地区，时下正在为各种大型水电站规划大容量HVDC 输电方案，输电距离长达2000km。750~800 kV 范围的特高直流电压（UHVDC）是这些项目优先选择的直流电压级别。

特高压直流输电系统（750~800 kV）常常被确认为优越的大容量特远距离的输电方案。一些国际学术组织，如IEEE和Cigré已经报道过高达800 kV特高压的可行性。

本文综述在±750~±800 kV 级别上UHVDC 方案的一些基本设计要求。作为参考，UHVDC 的额定功率选为5000MW，输电距离定在2000km。

1 系统初步设计中几个基本要素的选定

1.1 额定电压的选择

采用UHVDC 系统是为了实现远距离、大容量的输电。

选择特高压直流目标电压时，通常需要考虑以下几个因素：

l    线路损耗；

l    设备造价；

l    绝缘配合以及对环境的影响。

更高电压兼大电流将使得每极需要两个12 脉动换流桥串联才能承受，而这将使换流设备费用增加。

在输送功率不变情况下，选用的运行电压越高，架空线的线路损耗越小，换流站的运行损耗却会与采用较低电压等级一样保持在相同的范围（两站共约为1.5%）。

随着输电距离和所需输电容量的增加，采用更高的运行电压似乎更为恰当。而实际上，额定电压需要综合考虑包括投资在内的各种因素后才能最终选定。

1.2 额定电流的选择

额定电流的选定需要重点考虑以下方面：

l    直流极线路损耗；

l    可控硅阀以及该直流工程的连续负荷能力和过负荷能力；

l    冷却设备；

l    换流变压器分接开关调节范围。

从经济和技术角度而言，损耗和过负荷能力是最重要的因素。同交流系统一样，直流工程的暂时和短时过负荷能力对系统在故障后保持稳定和维持电力供应非常关键。因此，任何对过负荷能力的限制（比如电流限值）都是工程所不希望的。

从电流的角度而言，限制直流工程设计的元件是可控硅阀。可控硅阀的选择原则应当是：在满足系统要求的前提下，留出足够的裕度。现代的5 英寸可控硅阀（包括电触发ETT 和光触发LTT 可控硅两种类型）耐压能力是8kV，持续通流能力高达4kA（这依赖于暂态电流和冷却情况）。

要想通过更大电流，可控硅的承受电压能力就要下降（如4.5 kA/5.5kV）。这样还会使所需的可控硅的数目以及阀塔的尺寸显著增大。如果8kV可控硅直流通流能力在3~3.5 kA 范围内，那么它的电压电流能力是比较匹配的。

1.3 额定电流对接地极的影响

当直流系统由原先的双极运行转到单极大地返回方式时，额定电流就会对接地极构成影响。根据选定的功率和电压水平，超过3kA 的大电流有可能长时间通过接地极。

经验表明，直流大电流注入接地极的影响几乎不可预测。因此，在入地电流有可能超过3000A

的配置情况下，对大地返回运行方式进行研究相对地显得更为迫切。

1.4 单极采用2个或1个12 脉动换流单元选择2个串联的12 脉动换流单元主要是由于生产和运输换流变压器所限。如果采用单极1个12脉动换流单元（以下简称方案1），换流变压器的容量约为500MVA，要成功运输如此容量的变压器，需要对沿途交通状况进行精确的估量才有可能实现。若单极采用2个12 脉动换流单元（以下简称方案2）换流变压器（相应容量为250 MVA）的重量可减至260吨以内，尺寸也会减小，在中国就可以通过铁路来运输。贵广一回的运输经验证明了这一点。

图1和图2显示了脉动换流单元对双极开关和换流变压器配置的要求。

采用方案1，每个换流站需要12台换流变压器，若采用方案2，则需要24台换流变压器。另外，方案2除了需要直流侧旁路刀闸、绝缘子等，还需要配置交流断路器和有关设备，对两个12脉动变流单元实施隔离操作，因此，从长期持续运行考虑，除非实在回避不了，建议尽量不采用方案2。

另外，采用单极双12脉动并联的方式也完全可达到输送大功率的目的。这一方案同样可以减小换流变压器的尺寸和重量，且可以分阶段建设及投运。其弊端为阀和平波电抗器的数量比方案2 翻倍。

2 可靠性和可用率

在直流工程的技术规范书中都有对可靠性和可用率的明确要求，工程必须满足要求，不允许超过。为满足要求一般采用的措施有：严格设计；质量控制；试验；充足的备用；成熟的保护措施等。从可靠性和可用率角度描述一个可靠的HVDC工程，应包括下述方面：

l    长期持续无故障运行；

l    在允许的故障条件下系统迅速恢复；

l    大多数故障下只有部分功率损失；

l    和交流系统一起具有良好的整体性能。

2.1 制约可用率/可靠性的几个主要方面

上述目标的实现主要受下面几个方面制约：

l    工程的整体方案和设备的安装质量；

l    交直流系统运行的整体要求；

l    绝缘配合和污染状况；

l    备用和维护。

上面几点简要讨论如下，同时也对两个方案进行这方面的比较（见表1）。

2.2 过载能力和单极/双极闭锁

HVDC工程故障后恢复策略具有很强的灵活性，尤其是具有过载能力可阻尼系统的功率摆动。另外，每极还具有时间相对较长的过载能力来响应因失去一极或失去并联的输电系统等情况。

当交直流系统因故障失去功率时，就需要采取提高健全极或并联的交流系统的输电能力或者投入热备用等措施。因此，失去的功率越多，系统所需的过载能力和热备用就越大。

对直流工程短时过负荷能力的要求通常会在系统研究中提出。一般要求它阻尼功率摆动过负荷能力是10%~50%，当系统发生失去元件故障时要求它的过负荷能力是10%~25%。前一个过负荷能力用于解决秒级过负荷，后一个用于数分钟甚至几个小时的过负荷。这在直流系统建设初期即只有一极投入运行时，是一个严峻的考验。从这个角度看，两个直流工程同时建设或运行的方案更有利些。

采用方案2，当某些故障发生时只需闭锁一个12脉动换流单元即可。这种情况下，方案2就比方案1失去的功率少得多。然而当发生极线路故障时，无论方案1还是2 都会失去完整的单极功率，这在工程设计时需要引起重视。

2.3 降压运行

降压运行是直流系统在直流线路或直流开关场设备频繁闪络时经常会采用的运行方式。闪络的起因可能是由于绝缘强度下降，或是大雾等环境因素。

降压运行一般通过调节换流变压器分接开关位置和控制触发角实现。

当单极有两个12 脉动换流单元时，实现降压运行的手段又多了一个：可以闭锁其中一个12 脉动换流单元实现电压减半，不过这同时也使输送功率减半。由于通常情况下只要求调节到80％或70％额定电压下运行，因此上述方法适用情况有限。需要注意的一点是，当电流维持在额定水平，运行电压越低，所送的功率就越少。

2.4 控制系统

控制系统有几个显著的特点用于保证交直流系统的协调恢复。

在此提请注意的一点是，只有采用单极双12脉动换流单元的方案才需要附加的控制顺序，以实

现投入和退出换流单元的功能。按附加的控制顺序进行操作是稳妥可靠的，当然也会有一些不可避免的扰动。

例如，要把逆变侧的一个换流单元接入原来正常运行的换流单元串联运行，就需要首先向旁路刀闸发“开断”命令，当开关触头跳开时，与开关并联的换流单元工作于整流状态，通过开关的电流变为0，换流单元随后才能进入逆变状态。因直流侧没有自然过零点，只有通过操作有关的换流单元工作于整流状态才能迫使旁路刀闸电流减小到0。这将引起直流电压轻微的抖动。不过这个电压扰动很小，几乎不会对交流系统构成影响。

2.5 备用和维护

工程中安装的设备种类和数量直接关系到备用清单的内容。在上节所述的设备中，最重要的设备当属换流变压器和直流旁路刀闸。

采用单相双绕组变压器一般有两个类型，分别用于星形（YY）和三角形（YD）接法。采用单极

双12 脉动换流方案时，下部（低压侧）换流变压器的绝缘承受的电压远低于上部（极顶侧）换流变压器，这样也可以设计新的针对用于下部或上部的变压器类型。

因此，对于一个换流站将有4 种类型的换流变压器，备用就需要有4台不同类型的备用。采用单极双12脉动换流时，直流旁路刀闸需要有一个备用，采用方案1则不需要。

从设备使用数量上可明显看出，方案1的维护工作量要小得多。若采用单极双12脉动的方案，则每极还需要两个分离的阀厅，这样才能实现在一个脉动换流单元运行时检修另一个。

3 对交流系统的要求

与UHVDC 连结的交流系统应该有较大的短路比（SCR>>2.5）。当直流系统退出时，通过连锁、甩负荷等手段使直流不会危及交流系统的稳定。

甩负荷时要求工频过电压不超过1.3 pu。更详细地对交直流系统的协调控制进行研究，将有利于发掘直流输电的潜力。

4 基本设计数据

表2 是5000MW直流输电设计方案的基本数据，设定直流极线电阻为18 Ω。

4.1 换流变压器

两个换流站的换流变压器数据如下表3：

4.2 交流滤波器和无功补偿

交流滤波器和无功补偿见表4。鉴于发电机可提供无功功率，整流侧无功补偿的范围假定为+200 ~–1000Mvar。“+”表示向交流系统提供无功功率，“–”表示从交流系统吸收无功功率。逆变侧的无功补偿范围假定为+350~–350 Mvar。

4.3 直流滤波器

每站每极宜采用两组三调谐无源滤波器（TT12/24/36）。

4.4 平波电抗器

每站每极装一台电感值为250~300 mH 的平波电抗器。平抗电感值要根据直流滤波器的性能要求和架空线路参数来定。建议在UHVDC 工程中使用干式平波电抗器，它尤其适用于单极双12 脉动换流单元串联方案和将平抗分散在高压侧与中性线分布式线圈方案。

4.5 可控硅阀

阀将采用目前已投入运行的光触发阀，并采用模块化设计方法。完整的阀组件将安装在阀塔内。

根据阀厅和换流变压器的布置来确定使用双重阀塔还是四重阀塔的结构。对UHVDC来说，采用双重阀塔似乎更适合一些，因为在阀厅有限的空间内，这样布置会留有更大的净间距。

5 UHVDC设备设计和生产的可行性

过去积累的、成熟的HVDC技术是UHVDC设备设计和生产的坚实基础。前面已经提及，IEEE和Cigré 都已有针对高达800kV直流可行性的研究报告发表。目前需要重点研究的是油浸设备（如换流变压器、油绝缘平抗）。其他的直流设备比较好设计，因为在原先500kV设计的基础上外推即可适用于耐受特高压。这也意味着特高压直流设备尺寸将相当大，或者采用几个单元串连的方法达到要求。特高压直流设备设计的关键是要控制设备内外结构上的电位分布，以免它（整体或局部）遭受导致绝缘损坏的过电压。这项技术已比较成熟，在直流电压分压器、直流滤波电容、直流噪声滤波器的耦合电容器、氧化锌避雷器等设备的设计上均有应用。特高压直流设备设计中对户外设备的外绝缘设计需要引起重视。由于要满足爬距、空气净间距要求，使得设备尺寸变得非常大，会出现机械强度及生产制造上的难题。这类设备有隔离刀闸和绝缘套管等。

所以，此类设备需要定出一个合理的绝缘水平，或者为了减小设备尺寸采取加装绝缘加强伞裙等措施。

为了满足特高压输电工程的进度，还需在以下几个主要领域提前进行足够的研发投入：

l    换流变压器；

l    绝缘套管；

l    HVDC 支柱绝缘子/隔离刀闸。

为了具备对更高电压等级和更大尺寸的设备进行试验的能力，还需要额外投资兴建新的试验设施。

就目前来说，UHVDC设备的核心设计可在12个月内完成，部分通过试验检验。因此，可以预计，UHVDC工程在2009/2010年投入运行是可行的。

6 结论

特高电压被认为有利于高压直流输电系统以实现大容量远距离输电。在要求每极大功率的情形下，要考虑每极双12脉动换流单元，才能使换流变压器的规模减小到切实可行。但是，只要在大型设备运输能力上不受限制，通常宁可使用每极单12脉动换流单元，并认为这是最为优化的组合。基于现有的经验和技术，UHVDC的设计和制造基本上不成问题。在少数技术方面还需加以研发，如换流变压器和绝缘套管，几年之内即可确保特高压设计方案用于实际的应用项目上