直流输电的优势：稳定高效的电力传输

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：另外，直流输电对其线路走廊、铁塔高度和占地面积等方面均比交流输电具有优越性。直流电缆线路不受电容电流困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘水平相对较低。直流电缆的年运行费比相应的交流电缆也要低。此外，直流电缆绝缘的老化要慢得多，使用寿命更长。直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量。

在可比条件下与高压交流输电相比，高压直流输电具有许多优点[4]：

（1）输送相同功率时，线路的造价低。

对于双极输电的直流系统和三相送电的交流系统，前者用到2根导线，后者用到3根导线。如果每根导线的截面和绝缘水平均相同，则直流线路每根导线输送的功率Pd为

而交流线路每根导线输送的功率Pa为

式中，Vd为直流线路的对地电压；Va为交流线路对地电压的有效值，即相电压的有效值；Id为直流线路电流有效值；Ia为交流线路电流有效值；cosφ为交流线路的功率因数，对交流远距离输电通常较高，这里取cosφ=0.945。

当两者采用相同的电流密度时，每根导线载流相等，即有Id=Ia。如果交流线路和直流线路所需的绝缘水平按过电压倍数而定，分别为和kdVd，假定过电压倍数kd=ka（对于超高压架空线路，有ka=2～2.5，kd=2），因此当线路具有相同的绝缘水平时有，从而有

可见只有2根导线的直流线路与有3根导线的交流线路可输送的总功率相当。因此直流输电可以节省大量的有色金属、钢材、绝缘子和线路金具，同时减少大量的运输安装费用。

另外，直流输电对其线路走廊、铁塔高度和占地面积等方面均比交流输电具有优越性。直流输电可以充分利用线路走廊资源，其线路走廊宽度约为交流输电线路的1/2且送电容量大，单位走廊宽度的送电功率约为交流的4倍。如直流±500 kV线路走廊宽度约为30 m，送电容量达3 GW；而交流500 kV线路走廊宽度为55 m，送电容量却只有1 GW。

（2）线路有功损耗小。

由上述分析可知，2根导线的直流输电与3根导线的交流输电的输电能力相当，因此在输电损耗方面，直流输电将比交流输电少1/3左右；同时，由于直流线路没有感抗和容抗，线路上也就没有无功损耗；在电晕损耗方面，当导线表面电场强度相同时，直流架空线路年平均电晕损耗仅为交流线路的50%～65%；在无线电干扰方面，直流线路也比交流线路要小。因此直流线路与交流线路相比，无论是投资方面还是运行费用方面均更为经济。

（3）适合于海下输电。

海下输电必须采用电缆。直流电缆线路不受电容电流困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘水平相对较低。电缆的绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布电场强度和击穿强度都不一样。以同样厚度、同样截面积的油浸纸绝缘电缆为例用于直流时的允许工作电压比在交流下约高3倍。因此，在有色金属和绝缘材料相同的条件下，2根芯线的直流电缆的输送功率比3根芯线的交流电缆输送功率大得多，所以采用直流电缆在投资上比采用交流电缆经济得多。直流电缆的年运行费比相应的交流电缆也要低。因为运行中交流电缆除了芯线的电阻损耗之外，还有绝缘介质损耗以及铅包皮和铠装中的磁感应损耗；而直流电缆基本上只有电阻损耗。此外，直流电缆绝缘的老化要慢得多，使用寿命更长。直流线路导线之间和导线对地之间虽然存在着电容，但由于直流线路在正常运行时电压纹波很小，所以基本上没有电容电流。而高压交流输电中产生很大的电容电流，一方面会引起沿线电压的变化，必须采用并联电抗器进行补偿，另一方面会降低输电功率。以220 kV电缆线路为例，每相每千米的电容电流为23 A左右，当电缆长达40 km时每相电容电流就达到920 A，几乎占用了芯线的全部载流容量，可以承担的负载电流就很小了。而海底电缆在中途采用并联补偿非常困难，所以当海底电缆较长时，采用交流输电是不可能的。

（4）不受系统稳定极限的限制。

在交流输电系统中，所有连接在电力系统中的同步发动机必须保持同步运行，即“系统稳定”，就是指在系统受到扰动后所有互联的同步发动机具有保持同步运行的能力。由于交流系统具有电抗，输送的功率有一定的极限，当系统受到某种扰动时，有可能使线路上的输送功率超过其极限。这时送端的发电机和受端的发电机可能失去同步而导致系统解列，造成严重的停电事故。

交流电力系统中输送的功率为

式中，Es、ER分别为交流系统送端和受端的电动势；x为系统两个电动势之间的总等值电抗，包括输电线路、发电机和变压器的电抗；δ为系统两个电动势之间的相角差；PM为输送功率的静态稳定极限。

由式（1.4）可知，线路越长，x越大，静态稳定极限也越小，从而限制了长距离的交流输电。如果以直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，因而也就不存在稳定问题，使得直流输电不受输电距离限制。直流系统本身配有调制功能，可以根据系统的要求做出反应，对机电振荡产生阻尼，阻尼低频振荡，提高电力系统暂态稳定水平。此外，由于直流输电与系统频率、系统相位差等无关，从而可以采用直流线路连接两个频率不同的交流系统，还可以用来提高与直流线路并列运行的交流输电系统的稳定性。

（5）直流联网对电网间干扰小。

现代电力技术的发展方向是大电网互联，但对于几个大电网，如果采用交流联网，互联电网间正常运行变化相互干扰，各个电网的故障相互影响，容易造成联络线功率大幅度波动，甚至剧烈振荡，增加了系统发生稳定破坏事故的概率。而采用直流联网方式，能有效地隔断各互联的交流同步电网之间的相互影响，有利于提高电能质量，特别是当一个系统发生连锁反应故障时，可以避免和减轻对另一个系统的影响。实行非同步联网运行的两端电网可以分别按各自的频率和电压独立运行，各自进行调频、调压、独立调度，互不干扰。这有利于联合电网以及所联各网的调度管理，也是减少互联系统大面积停电事故次数和损失的一个有力手段。

随着地区经济的发展，我国已自然形成了东北、华北、西北、华中、华东、南方及一些省区的区域电网。合理地互联这些电网，可取得良好的水火互补、错峰填谷、减少备用容量、事故支援等经济效益，并减小大面积停电的概率，便于电网各自管理，故高压直流（包括直流背靠背）技术十分适于联网。

（6）直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量。

采用交流线路连接两个交流系统时，系统容量的增加将增大短路电流，从而可能超过原有断路器的遮断容量，引发设备更换的需求。采用直流线路连接两个交流系统则没有这方面的问题：直流系统不传送短路功率，其“定电流控制”将快速地把短路电流限制在额定电流值之内，即使在暂态过程中也不超过2倍额定值。这种“隔离作用”使两网都不会增加短路容量，从而避免了需要更换更大容量的开关设备。

（7）输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，运行可靠。

直流联网的输送功率可按规定和需要来控制，不受两端交流电网的条件影响，而且直流输电通过晶闸管换流器可以方便迅速地调节有功功率以及实现潮流翻转，既可以在正常运行时稳定地输出功率，也可以在事故情况下通过直流线路实现表现正常的交流系统对另侧事故系统的紧急支援。如果设备绝缘薄弱或线路沿线某段大雾，还可降压运行，从而提高了运行的可靠性。

直流输电联网对互联的两个交流电网起着“隔离作用”，使故障电网对另一电网的影响很小，从而可减少联合大电网大面积停电事故发生的概率，提高大系统运行的可靠性。由于直流输电导线少，其架空线路绝缘子数量也比交流线路要少，从这方面讲线路发生故障的概率也相应减少。对于交直流线路并联运行的情况，当交流输电线路因扰动引起输送功率变化时，可迅速地调节直流输电的功率，以抵消交流输电系统因扰动引起的功率变化量。而当交流系统发生故障时，可以暂时适当增大直流输电功率，以减小发电机转子的加速，从而提高系统运行的可靠性。

另外，对于双极直流输电系统，当一极故障时，另一极仍可以用大地或者海水作为回路继续输送一半的功率；而三相交流线路因故障断开一相时，则不允许长时间非全相运行，如果要保证不间断送电，就需要架设双回路。英国、法国、意大利等国专家开发了一种用于输电系统生命周期的环境和经济分析（LEETS）工具，该工具由软件执行，旨在评估在大型高压交流输电系统中接入高压直流输电系统的效益和影响。LEETS可用于评估高压直流输电工程的建造、运行和生命周期的最后阶段。据称，用高压直流输电系统将整个欧洲电网连接起来，可以节省总装机容量的10%。当前，大部分电网采用高压交流输电系统，如果加入高压直流输电系统，将显著减少CO2的排放量。采用高压直流输电系统的动力，来自电力系统解除管制、更高的灵活性、环境因素、交流系统安全性等。

直流输电的优势：稳定高效的电力传输

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