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大学毕业论文高压直流输电系统的
大学毕业论文―高压直流输电系统的
大学毕业论文-―高压直流输电系统的
1导言
1.1高压直流输电技术的发展概况
电力技术的发展源于20世纪50年代开始应用的直流输电技术,近年来发展迅速。
经过半个世纪的发展,高压直流输电技术的应用取得了长足的进步。
据不完全统计,世界上有近100个高压直流输电项目,包括在建项目,覆盖五大洲20多个国家。
它与交流输电配合,形成了一个现代输电系统。
直流输电的发展大致可分为以下三个阶段:
(1)1954年以前,试验阶段。
由于50年代初交流系统高压输电处于发展的黄金时代,加上当时技术水平的限制,直流输电发展缓慢并且不受重视。
(2)1954-1972,发展阶段。
1954年,瑞典建造了世界上第一条工业直流输电线路,标志着直流输电的实用阶段。
现阶段,直流输电设备的制造技术、施工质量和运行水平都有了很大提高。
直流输电技术已应用于水下输电、不同额定频率的交流系统互联、远距离大功率输电等领域。
(3)1972年至今,快速发展阶段。
1972年晶闸管阀换流器第一次在工程中应用,取代了汞弧阀,使直流输电技术提高了一大步。
直流输电技术得到了普遍的重视[1]。
1.2中国高压直流输电的发展
我国对高压直流输电的研究起步较晚,从60年代初开始,并由于种种原因中断了一段时间。
70年代前半期才又先后在浙江、上海、北京、西安等地恢复实验研究工作。
1977年,中国第一条31千伏、4.65兆瓦、地下电缆8.6公里直流输电试验线在上海建成并投入运行。
1987年,一条±10千伏、100兆瓦、54公里长的高压直流输电工程在浙江舟山投入运行,这是中国第一条自行设计、建设和国产化的线路。
葛洲坝至上海的高压直流输电线路于1990年投入运行,电压为±500kV,输电功率为1200mW,输电距离约1045km,是当时中国最大的直流工程。
它的建成标志着我国高压直流输电技术达到了一个新的水平,为今后我国高压直流输电的建设和发展积累了丰富的经验。
2001年,天生桥-广州直流输电系统投入运行,额定工作电压±500kV,容量1800MW,长度约965km。
南方电网以其为系统联络线,形成了我国第一个高压大容量交直流并联电力系统。
从2002到2022,又有六个高压直流输电工程投入运行[2][3]。
计划在2022年前建设的直流输电项目:
1
(1)漫湾、糯扎渡至广东3000MW项目;
(2)溪洛渡和向家坝向中国中部和东部输送16000mw电力;(3)西南水电送赣闽3000MW工程;
(4)广东与海南用宜流电缆联网,输送容量为1000mw。
1.3高压直流输电系统的优缺点
目前我国对高压直流输电的应用只能算是试验性阶段,与国外发达国家相比,还有很大差距。
随着我国各大区电力系统的发展,高压直流输电在形成全国互联统一网中的优越性将日益突出。
因此,加速高压直流输电技术的研究和工程建设是一项非常紧迫的任务。
电能的传输最初是通过直流实现的,但后来由于多相交流电路原理的逐步完善,出现了交流发电机、变压器和感应电动机,使交流的产生、电压变换、传输、分配和使用更加方便、经济、安全可靠。
就这样,交流几乎完全取代了直流,发展成为今天的巨大电力系统。
然而,随着高压大容量晶闸管制造水平的提高和控制理论与技术的发展,直流输电技术越来越受到重视。
特别是在大功率、远距离、海底电缆电力传输和交流系统之间的异步互联中,直流传输比交流传输具有明显的优势。
与传统交流输电不同,直流输电系统具有以下优点:
第一,长距离输电线路建设费用低。
对于架空线路,常见三相交流输电线路需要三根导线,而单极直流输电只需两根导线。
当用大地或海水作回路时,仅需一根导线,架空线的杆塔载荷小,线路所需走廊较窄。
在输送相同功率的条件下,直流输电可节省大量的有色金属、钢材、绝缘材料等。
对于电缆线路,直流电缆与交流电缆相比,其投资和运行费用都更为经济。
第二,适合远距离传输。
高压交流输电线路单位长度的分布电容较大。
为了避免输电线路过载,其交流容量远低于自然功率。
同时,由于电容效应,交流输电线路末端或中间的电压升高,因此有必要在线路中安装并联电抗器补偿装置,以确保其正常运行。
直流输电的使用没有这样的缺点。
第三,通过直流输电线路连接的两端交流输电系统不需要同步运行,并且输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制。
在电力系统中的所有发电机都要保持同步运行。
如果输送功率过大或输电距离过长,线路两端功角差过大,就不能保证系统运行的稳定性和可靠性。
所以为了增加交流输电能力,常需要采取一些措施如增设串补、
二
静补、调相机和开关站等。
这样势必增加了费用,提高了交流输电线路的成本。
而直流输电,由于不存在电抗,也就不存在系统稳定的问题。
同时,由于直流输电与系统频率、相位无关,故直流输电可连接两个频率不相同的交流系统。
这样既可以得到联网的技术经济效益,又可以避免两互联电网间事故的相互影响,保证系统安全稳定运行。
第四,调整速度快,运行可靠。
直流输电通过晶闸管变换器,可以方便、快速地调节有功功率,实现“潮流逆转”,不仅可以保证正常运行时的稳定输出,还可以在发生事故时从正常交流系统向另一端的事故系统提供应急支持,以提高系统的稳定性:
或当交直流线路并联运行时,当交流线路的传输功率转换是由干扰引起时,可以快速调整直流传输功率,以抵消干扰引起的交流传输系统的功率转换,从而提高系统运行的可靠性。
第五,限制系统的短路电流。
用交流线路互联的电力系统,电力短路电流随系统容量的增加而增大。
可能会超出部分原有断路器的遮断容量。
而利用直流线路连接的两个交流系统,由于直流联络线的电流能按定值迅速加以控制,因此两个系统各自的短路容量不会因为互联而有明显的增大。
此外,当直流线路发生短路故障时,同样也可以通过整流器的调节来限制短路电流。
在直流线路电容放电电流消失之后,短路电流的峰值一般可控制到线路额定电流的1.7~2倍。
第六,接线方式灵活,提高了运行可靠性。
直流输电的接线方式包括双极、单极接地回路线、单极双线平行接地回路线和金属回路线,可根据需要选择。
通常,正常运行采用双极模式。
一根导线为正极,另一根导线为负极,中性点接地。
当一根电线或一根电线杆发生故障时,另一根电线杆的另一根电线可以继续以地球为回路传输一半或全部电力;如果沿线某段设备绝缘薄弱或雾气较大,也可降低运行电压,提高运行可靠性。
第七,可以分段建设,分期投资。
直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建,有利于发挥投资效益。
双极直流输电工程科按极来分期建设,先建一个极单极运行,后再建另一个极。
也可以每极选择两组基本换流单元(串联接线或并联接线),第一期先建一组(为输送容量的1/4)单极运行;第二期再建一组(为输送容量的1/2)双极运行;第三期再增加一组,可双极不对称运行(为输送容量的3/4),当两组换流单元为串联接线时,两极的电压不对称,为并联接线时,则两极的电流不对称;第四期则整个双极工程完全建成。
直流输电与交流输电相比,也有如下缺点:
(1)与交流变电站相比,直流输电换流站设备多、结构复杂、成本高、损耗大、运行成本高、可靠性差。
交流变电站的主要设备通常是变压器和断路器,而直流变换器
3
本站除换流变压器及相应的断路器外,还设有变流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备及各类交直流避雷器。
因此,换流站的成本比同等规模的交流变电站高出数倍。
由于换流站设备数量庞大,换流站的损耗和运营成本也相应增加。
同时,换流站的运行维护也比较复杂,对操作人员的要求也很高。
(2)换流器对交流侧来说,除了是一个负荷(在整流站)或电源(在你逆变站)以外,它还是一个谐波电流源。
它畸变交流电流波形,向交流系统发出一系列的高次谐波电流,同时也畸变了交流电压波形。
为减少流入交流系统的谐波电流,保证换流站交流母线电压的畸变率在允许的范围内,必须装设交流滤波器。
另外,换流器对直流侧来说除了是一个电源(在整流站)或负荷(在逆变站)以外它还是一个谐波电压源。
它畸变直流电压波形、向直流侧发出一系列的谐波电压,在直流线路上产生谐波电流。
为了保证直流线路上的谐波电流在允许的范围内,在直流侧必须装设平波电抗器和直流滤波器。
交、直流滤波器使换流站的造价、占地面积和运行费用均大幅度提高。
同时也降低了换流站的运行可靠性。
(3)晶闸管换流器在换流过程中需要消耗大量的无功功率(占直流输电功率的40%~60%),每个换流站需要配备无功补偿设备;当交流滤波器提供的无功功率不能满足无功补偿的要求时,还需要静电电容器;当换流站接入弱交流系统时,为了提高系统动态电压的稳定性,改善换相条件,有时需要安装同步电容器或静态无功补偿装置,这也增加了换流站的投资和运行成本。
采用一种新型的关断半导体器件或电容换流器,可以解决无功补偿问题。
(4)直流输电利用大地(或海水)为回路而带来的一些技术问题。
如接地极附近地下(或海水中)的直流电流对金属构件、管道、电缆等埋设物的电腐蚀问题;地中直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和所引起的问题;对通信系统和航海磁性罗盘的干扰等。
对于每项具体的直流输电工程,在工程设计时,对上述问题必须进行充分的研究,并采取相应的技术措施。
(5)由于直流断路器没有电流过零点,灭弧问题难以解决,给制造带来困难。
虽然国外对直流断路器进行了大量的研究和试制,但到目前为止还没有令人满意的工程应用产品,这使得多端直流输电工程的发展缓慢。
近年来,直流输电的快速控制可以解决工程中多端直流输电的故障处理问题,但其控制系统相当复杂,在实际工程中仍需测试和改进。
当一种新型的关断半导体器件用于换相时,直流断路器的功能将由变换器承担,这一问题将得到解决[4]。
4
1.4高压直流输电的应用
根据以上分析并结合本论文的思想,现在将高压直流输电系统的主要应用述述如下:
(l)远距离大功率传输。
(2)直流电缆送电。
由于交流电缆存在较大的电容电流,海底电缆长度超过等价距离时,采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。
(3)电力系统联网。
(4)现有交流输电线路的增容改造。
(5)轻型直流输电(hvdclight)。
以上五点是直流输电的主要应用。
此外,直流输电有着广泛的应用,也可用于支持各种新的发电方法,如磁流体发电、太阳能电池、燃料电池和热核聚变直接发电和超导输电[5]。
5
2.高压直流输电系统的接线方式
2.1单极系统
高压直流输电系统的连接方式可分为单极连接、双极连接和背靠背连接三种。
单极直流输电系统可以采用正极性和负极性。
换流站出线端对地电位为正的称为正极,为负的称为负极,与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线,也可以称为正极线路或负极线路。
单极系统的接线方式有单极大地(海水)回线方式和单极金属回线方式两种。
(1)单极连接方式:
单极连接是利用架空导线或电缆,以大地或海水为回流线,形成直流输电系统。
如图2L所示,以这种方式。
由于在正常运行期间,电流需要流经地球或海水,因此应注意接地极的材料、埋设方法、对地下埋藏物的腐蚀以及对地下通信线路和导航罗盘的影响。
一般来说,有许多正极接地方法[6]。
343261521561-换流变压器;2-换流器;3-平波电抗器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端交流系统
图2.1单极接地回路线模式接线图
(2)单极金属回线方式:
单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路,见图2.2,其中一根低绝缘的导线(也称金属返回线)用来代替单极大地回线中的地回线。
这种方式避免了电流从大地或海水中流过,又把某一导线的电位钳位到零。
其缺点是当负荷电流在流过导线时,要产生不小的电压降,所以仍要考虑适当的绝缘强度。
这种方式大多用于无法采用大地或海水作为回路以及作为双极方式的过渡方案。
六
3432612156
1-换流变压器;2-转换器;3-平滑反应器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端的交流系统
图2.2单极金属回线方式接线图
此外,双极直流输电工程单极运行时,也可接入双导体并联接地回路,其接线图如图2.3所示。
343261521561-换流变压器;2-换流器;3-平波电抗器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端交流系统
图2.3双导体平行接地回路线模式接线图
2.2双极系统
双极线模式有两个不同极性的导体,即一个正极和一个负极。
它可以有接地电路或中性电路,分别描述如下:
(1)双极两端中性点接地方式:
如图2.4所示这种方式是将整流站和逆变站的中性点均接地,双极对地电压分别为+v和-v。
正常运行时,接地点之间没有电流通过。
实际上,由于两侧变压器的阻抗和换流器控制角的不平衡,总有不平衡电流以大地作
七
为回路流过。
当一线路故障切除后,可以利用健全极和大地作为回路,维持单极运行方式。
343216152161——换流变压器;2-转换器;3-平滑反应器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端的交流系统
图2.4双极两端中性点接地方式接线图
(2)在逆变器侧的正常运行模式下,与整流器侧一端的中性点相同,如图2.5所示。
然而,当第一条线路出现故障时,它无法继续运行。
343216152212161-换流变压器;2-换流器;3-平波电抗器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端交流系统接
局部接线图2.5双极电缆一端的中性点
(3)双极金属中性线方式:
将双极两端的中性点用导线连接起来,就构成双极
八
中性线方式,见图2.6所示。
这种方式是在整流侧或逆变侧任一端接地,当一极发生故障时,能用健全极继续输送功率,同时避免了利用大地或海水作为回路的缺点。
这种方式由于增加了一根导线,在经济上将增加一定的投资[7]。
3432161522126换流变压器;2-转换器;3-平滑反应器;4-直流输电线路;5-接地极系统;6-两端的交流系统
图2.6双极金属中性线方式接线图
2.3背对背换向模式
如图2.7所示,没有直流输电线路,而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背”换流站。
该方法适用于不同额定频率的交流系统互联或在同一额定频率下异步运行。
背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可选择低压大电流,充分利用大截面晶闸管的通流能力。
同时,由于直流电压较低,直流侧设备的成本也降低了。
对于背靠背直流输电,由于整流器和逆变器安装在阀室中,直流侧谐波不会对通信线路造成干扰。
因此,可以降低对直流侧滤波的要求,可以省略直流滤波器,并且可以降低平滑电抗器的电感。
这样可以降低整个直流系统的绝缘成本,减少有色金属和电能的消耗。
目前,世界各地都有许多“背靠背”DC项目已经建成并准备投入运行。
其主要优点是,在系统容量增加时,有利于限制短路容量,避免大量更换电气设备。
根据互联目的和所需的可靠性,背靠背高压直流输电系统可设计为单极或双极运行[8]。
大多数点对点(两端)带线路ss的hvdc输电系统是双极的,只在偶发事故时作单极运行。
九
32242241-换流变压器;2-换流器;3-平波电抗器;4-两端交流系统图
图2.7背靠背换流站接线示意图
2.4高压直流输电系统的元件
高压直流输电系统主要由换流站(包括整流站和逆变站)和高压直流输电线路组成,包括变流器、直流平波电抗器、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路和电极。
下图是双极联络线系统基本部件的示意图。
其他类型接线的主要部件与本图所示基本相同。
如下所示:
直流平波电抗器直流线路换流变压器换流变压器断路器断路器交流线路2交流线路1无功功率源交流滤波器直流线路交流滤波器无功功率源
图2.8两端高压直流输电系统主要设备
10
图2.8中的主要设备如下:
(1)换流变压器。
换流变向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。
由于变压器阀侧不接地,直流系统能建立自己的对地参考点,通常将阀换流器的正端或负端接地。
(2)转换器(阀桥)。
他们完成了AC-DC和DC-AC转换。
转换器包括一个带有6脉动或12脉动装置的高压阀。
(3)直流平波电抗器。
这些大电抗具有很大的电感值,可以降低直流线路中的谐波电压和电流,防止逆变器换相失败,防止轻负荷电流不连续,限制直流电流短路期间整流器中的峰值电流。
(4)谐波滤波器。
在运行期间,变流器在交流侧和直流侧产生谐波电压和谐波电流。
这些谐波会使电容器和附近的电机过热,并干扰遥控通信系统。
因此,滤波装置安装在交流侧和直流侧。
交流滤波器通常安装在换流变压器的交流侧母线上。
对于单桥交流滤波器吸收6?
2n?
1.次谐波,双桥吸收2n?
一次谐波。
直流滤波器一般安装在直流线路的两端,以减少流入直流线路和接地极引线的谐波分量。
单电桥吸收6N次谐波,双桥吸收12n次谐波。
(5)无功补偿装置。
直流换流器运行时需要消耗大量的无功功率。
稳态条件下,换流器所消耗的无功功率占传输功率的40%~60%左右,而暂态情况下无功功率消耗更大。
因此,必须在换流器附近提供无功电源。
对于强交流系统,通常采用并联电容补偿的形式。
根据直流联络线和交流系统的要求,部分无功电源可采用同步调相机、无功补偿电容器、交流并联电抗器和静止无功补偿器等来提供。
用作交流滤波的电容也可提供部分无功功率。
(6)电极。
大多数直流联络线设计使用地作为中性导体,至少在短时间内如此。
连接到地面的导体需要较大的表面积,以将电流密度和表面电压梯度降至最低。
这种导体叫做电极。
如果有必要限制流经大地的电流,金属电路的导体可以用作直流线路的一部分。
(7)直流输电线路。
它们可以是架空线,也可以是电缆。
背靠背直流输电工程可以没有直流输电线。
除导线数目和所需空间外,直流线路在其他方面与交流线路十分相似。
(8)交流断路器。
为了消除变压器故障并切断直流联络线,在交流侧安装了一个断路器。
由于直流系统故障可以通过变频器的控制更快地排除,交流断路器通常不用于排除直流系统故障[9]。
11
2.5变频器的工作原理
换流技术是指交流电力与直流电力之间相互交换的技术。
换流器是实现这种交直流变换的主要设备,是直流输电系统中的重要组成部分。
换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。
安装在换流站内的换流器既可以运行于将交流变成直流的整流状态,也可运行于反向变换的逆变状态。
运行于前一种状态的换流器称为整流器,运行于后一种状态的换流器称为逆变器[10]。
2.5.1变流器基本电路
换流电路有多种可选择的结构,为保证阀截止时阀上的反向峰值电压较低,更充分地利用换流变压器,高压直流换流器采用三相全波桥式电路为基本模块,即6脉波换流电路。
此外,比较常用的还有12脉波换流电路,但由于12脉波换流器是由两个6脉波换流器串联而成,因此可用6脉波换流器来进行原理分析,其原理接线图如图2.9所示。
其中,ea、eb、ec为等值交流系统的基波正弦相电动势,lγ为每相的等值换相电抗,ld为平波电抗值。
为了阐述简洁明晰,在以下的分析中若非特殊说明采用如下假设条件:
(1)三相交流电源的电动势是对称的正弦波,频率恒定。
(2)交流电网的阻抗是对称的,而且换流变压器的激磁导纳忽略不计。
(3)直流侧平波电抗器具有很大的电感值,使直流侧电流滤波后其波形是平直的,没有波纹。
(4)阀的特性是理想的,即通态正向压降和断态漏电流可忽略不计。
(5)三相六个阀以l/6周期(60°)的等相位间隔依次轮流触发导通[11]。
LDIDEAV1I3I5AOEBECV4I4NbCv6I6V2I5I5I5I5I5I4I4I4I4I4I4I4I6I6V2I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I5I
图2.9六脉波整流原理接线图
十二
目前,直流输电工程广泛采用的晶闸管换流阀的特点有:
(1)换向阀的单向导电性。
当阳极到阴极电压为正时,转换阀只能在一个方向上导通。
不可能有反向电流。
也就是说,直流电流不能为负值。
(2)换流阀的导通条件是阳极对阴极为正电压和控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲两个条件,必须同时具备,缺一不可。
换流阀一旦导通,它只有在具备关断条件时才能关断,否则一直处于导通状态。
(3)换流阀的控制极与开断能力无关。
只有当流经换流阀的电流为零时(唯一的关闭条件),才能关闭该开关,这取决于外部电路的能力。
换流阀一旦关闭,必须满足上述两个传导条件才能开启,否则换流阀将始终处于关闭状态。
因此,上述基本概念对于人们分析变流器的正常和故障状况非常有用[12]。
2.6十二脉波换流器
在实际应用中,需要将两个或两个以上的变换器电桥串联以获得所需的高直流电压。
12脉波变换器由两个在直流侧串联的6脉波变换器组成,其交流侧通过换流变压器的网侧绕组并联。
换流变压器的一个阀侧绕组为星形连接,另一个为三角形连接,因此可以在两个6脉冲变换器的交流侧获得相位差为30o的换相电压。
12脉冲变流器可采用两组双绕组换流变压器或一组三绕组换流变压器。
图2.10显示了使用两套双绕组变压器时12脉冲转换器的接线示意图[13]。
v1v5v9交流系统换流变压器v7v11v3v2v6v10v8v12v4
图2.1012脉冲转换器接线示意图
13
12脉冲转换器由12个从V1到V12的转换器阀组成。
图2.6中给出的转换器序列号是其传导的序列号。
在每个工频循环中,依次连接12个换流阀。
它需要12个与交流系统同步的连续触发脉冲。
脉冲之间的间隔为30°。
12脉动换流器的优点之一是其直流电压质量好,所含的谐波成分少。
其直流电压为两个换相电压相差30o的6脉动换流器的直流电压之和,在每个工频周期内有12个脉动数,因此称为12脉动换流器。
直流电压中仅含有12k次的谐波,而每个6脉动换流器直流电压中的6?
2k?
1?
次的谐波,因彼此的相位相反而互相抵消,在直流电压中则不再出现,因此有效地改善了直流侧的谐波性能。
12脉动换流器的另一个优点是其交流电流质量好,谐波成分少。
交流电流中仅含12k±1次的谐波,每个6脉动换流器交流电流中的6?
2k-1?
±1次的谐波,在两个换流变压器之间环流,而不进人交流电网,12脉动换流器的交流电流中将不含这些谐波,因此也有效地改善了交流侧的谐波性能。
对于采用一组三绕组换流变压器的12脉动换流器,其中变压器网侧绕组中也不含有
6.2k-1?
±1谐波,因为每个谐波的相位在其两个阀侧绕组中是相反的,因此在变压器的主磁通中相互偏移,不再出现在电网侧绕组中。
因此,大多数直流输电项目选择12脉波变换器作为基本变换器单元,这可以简化滤波装置,节省换流站的成本。
12脉动换流器的工作原理与6脉动换流器相同,它也是利用交流系统的两相短路电流进行换相。
当换向角μ<30°时,在非换向期间,两个电桥中只有四个阀门同时连接(每个电桥中有两个),而当一个电桥换向时,五个阀门同时连接(三个在换向电桥中,两个在非换向电桥中),从而形成正常运行时四阀五同时交替连接的“4-5”工况,相当于6脉冲变流器的“2-3”工况。
当换相角μ?
30°时,两个桥中总有5个阀同时导通,在一个桥中一对阀换相刚
μ?
30°结束时,另一座桥中的另一对立即开始换相,形成“5”工况。
在“5”工况下,
为常数。
30°时<μ<60°,出现在一个桥上。
在一对阀门的末端之前,它会出现在另一个桥中
另一对阀开始换相。
即出现在两个桥中同时有两对阀进行换相的时段。
在此时段内两个桥共有6个阀同时导通,当在一个桥中换相结束时,则又转为5个阀同时导通的状态,从而形成“5―6”工况。
随着换流器负荷的增大,换相角μ也增大,其结果使6个阀同时导通的时间延长,相应的5个阀同时导通的时间缩短。
什么时候?
在60°时,“5-6”工况结束。
正常运行时,μ<30°,无“5-6”
14
工作条件。
只有当转换器过载或交流电压过低μ>30°时才会发生这种情况[14]。
12脉动换流器与6脉动