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高压直流输电系统

作者:Gunnar Asplund, Lennart Carlsson2006.05.06阅读 11278

  永远的开拓先锋
  1954 年,当时欧洲的大多数地区都在忙于加大供电基础设施建设,以满足日益增长的用电需求,而此时在波罗的海沿岸,悄无声息地发生了一件大事,并从此对电力输送产生了长期的影响。4 年前,瑞典国家电力局要在瑞典大陆与 Gotland岛之间建设世界第一条商业化的H V D C ( 高压直流 ) 输电线路。1954 年,这条线路投入运行。
  今天,当 ABB 回顾其对 HVDC 技术的贡献时倍感骄傲。自从铺设了最初那条 90 公里长,功率为 20 MW的100 kV 海底电缆之后,ABB 已无可争辩地在高压直流输电领域成为世界领导者。在全世界目前已建成的总容量超过 110,000 MW 的高压直流输电项目中,超过一半由 ABB提供。
  十九世纪后期,随着电灯进入了欧美家庭与工厂,对电力需求的快速增长使工程师和相关承包商忙于寻找发电和输电的有效方法。这时,几位先驱者在这一新技术方面已取得了一些进步——能够在数公里之内进行电力传输,这在当时已经十分了不起——而在这时控制工程网版权所有,人们为快速增长的电力需求找到了一个答案:水力发电。几乎同时,人们开始寻找电力输送的方法,试图将这些廉价电力通过较远的距离,输送到用户那里。
  首先是直流,然后是交流欧美第一批电站提供的是低压直流电, 但其采用的输电系统效率极低。这是因为产生的电力很大一部分都损耗在电缆中了。交流电由于能够很容易转换成高压电,电力损耗小得多,因此具有更高的效率,因而在这一阶段,远距离高压交流(HVAC) 输电占据了主导地位。1893 年,由于引进了三相输电,HVAC (高压交流) 得到了极大的发展。这时,已经可以保证无脉动的平稳电流了。
  尽管在这场开发有效输电方式的比赛中,直流电从一开始处于下风,但是工程师们从未放弃使用直流的想法。人们仍然在尝试,使用串联直流发电机,然后在接收端使用串联直流电机同轴运行,以此建立了一套高压输电系统。这样的系统的确有效,但却未能在商业应用上获得成功。
  交流占主导地位
  由于交流系统不断发展,而电厂距离大多数用户生活工作的地方也越来越远,因而人们建设了高架线路控制工程网版权所有,其输送的交流电压也逐步增高。为了跨越水域的障碍,又开发出了水下电缆。
  不管怎样,这些输电方式仍然存在一定的问题,特别是系统中电容和电感之间往复振荡的无功功率所产生的问题。因而,电力系统规划人员再一次把目光投向了直流输电的可行性上。
  当最终证明高压直流输电方式在技术上可行之后,人们在很长一段时间里,仍然一直怀疑它是否能够在市场上与高压交流相竞争。

早期 HVDC 输电系统设计时使用的模拟仿真器

  回归直流
  过去,高压直流输电所遇到的首要的,也是最主要的障碍,便是缺乏能够使高压交流和高压直流相互转换的可靠而又经济的换流阀。很长一段时间,汞弧阀曾经一直是研发的主要方向。20 世纪 20 年代末期以来,ABB 前身之一的瑞典阿西亚公司 (ASEA) 开始生产电压达1,000 V 的静态换流器和汞弧阀,人们于是一直在研究能否开发出电压更高的换流阀。
  这也促使人们开展了全新领域的研究,而在这些新领域中,当时没有多少现成的技术经验可言。实际上,许多年来CONTROL ENGINEERING China版权所有,一直有人在怀疑是否有可能针对各种各样的问题找到最终的解决方法。当最终证明高压直流输电方式在技术上可行之后,仍然有人心存疑虑,怀疑它是否能够在市场上成功地与高压交流相竞争。
  按照相关物理定律导出的数学方程式,人们能够精确设计出旋转电机和变压器,但汞弧阀的设计却在很大程度上依赖于经验性知识。正因如此,试图通过加大阴阳极之间的距离以提高充满汞蒸汽电子管之中电压的努力一次又一次地失败了。
  1929 年,通过在阳极与阴极之间插入一个栅极的方法,终于解决了这一问题。这一创新方法很快就获得了专利,并且被认为是此后所有高压汞弧阀开发研究的基础。在那段时间领导相关研究工作的 Uno Lamm博士,也因此获得了“HVDC 之父”的荣誉称号。
  Gotland 线路
  此时CONTROL ENGINEERING China版权所有,进行实际试验的时机总算成熟了。1945 年,阿西亚公司与瑞典国家电力局一起控制工程网版权所有,在 Trollh.ttan 建立了一座试验站,距离实验站不远就有一座重要的发电厂可以供应电力。还有一条 50 公里长的电力线路可供使用。
  接下来几年的试验结果,使得瑞典国家电力局 1950 年订购了有关设备,用来架设世界上第一条 HVDC输电线路。这条线路建造在波罗的海之中的 Gotland 岛与瑞典大陆之间。按照这一订单,公司集中精力开发汞弧阀和高压直流电缆,同时还启动了换流站其它部件的设计工作。这一系列的努力,促成了多个项目的设计开发,其中包括变压器、电抗器、开关柜和保护与控制设备。原有交流系统技术中只有少量技术可以应用在新型直流系统上。因此,有必要开发全新的技术。ErichUhlmann 博士和 Harry Forsell 博士在卢德维卡率领的专家组
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