電力高壓長線路短路法融冰方案

陳 洋 李 鑫 馮艷萍

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，貴州 貴陽 550000）

引言

2008年初我國南方冰雪災(zāi)害中，導(dǎo)線覆冰引起的倒桿、斷線及導(dǎo)線舞動等是導(dǎo)致電網(wǎng)破壞的主要原因。為防止今后發(fā)生類似破壞，首先是要根據(jù)線路情況和歷年經(jīng)驗，提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但由于冰雪災(zāi)害地域廣、時間上不確定，大面積按幾十年一遇的標(biāo)準(zhǔn)進行新建線路設(shè)計和原有線路改造，耗資太大。因此，為防止嚴(yán)重氣象條件下線路導(dǎo)線結(jié)冰超過一定厚度時發(fā)生倒桿、斷線而引起電網(wǎng)長時間癱瘓，有必要從技術(shù)上探討高壓長線路融冰的可能性。

本文將從導(dǎo)線容許的最高溫度出發(fā)，先假定沿線環(huán)境溫度，推導(dǎo)出融冰電流、導(dǎo)線溫升和融冰時間，進而由典型線路的參數(shù)求出需要的融冰電源的電壓和容量，然后論述實現(xiàn)這一電源的可能性。

1 融冰參數(shù)的選擇和計算

1.1 融冰電流

用短路法融冰首先要選擇融冰電流，融冰電流根據(jù)導(dǎo)線溫升來選擇。理論上只要導(dǎo)線溫度高于0℃即可融冰，但有一個融冰時間問題。融冰電流越大，導(dǎo)線溫升越高，融冰時間越短，但受到導(dǎo)線安全電流的限制。所謂安全電流是指在此電流下長期運行所引起的溫度對導(dǎo)線不會產(chǎn)生可見的機械強度老化和接頭氧化。設(shè)計時鋼芯鋁絞線溫度控制在70℃-90℃。融冰屬偶爾短期運行，應(yīng)允許較高溫度。本文取融冰時期的導(dǎo)線最高溫度不超過100℃，應(yīng)該是安全的。線路沿途可能有不同環(huán)境溫度，設(shè)沿線環(huán)境溫度為-10℃~+10℃，考慮環(huán)境溫度為+10℃的地段，則導(dǎo)線在無冰條件下容許最高溫升為90K，由此可計算導(dǎo)線容許的最大電流，以此作為融冰電流，以便縮短融冰時間。

2 融冰電源電壓和容量要求和實現(xiàn)

2.1 融冰電源的電壓和容量要求

選定融冰電流后，由線路參數(shù)可算出需要的融冰電源的電壓和容量見表。融冰電源分交流和直流2種。交流電源融冰按三相加壓，直流電源融冰將線路2并1串加壓，因此后者要分3次進行。交流融冰只需交流電源，但因高壓交流線路的電抗遠大于電阻，故交流電源融冰需要的電源容量(主要是無功功率)遠遠大于直流電源融冰的容量。直流電源融冰的優(yōu)點一方面是所需電源容量比交流小得多，另一方面是電壓低得多，從而降低了融冰時覆冰絕緣子閃絡(luò)的可能性。因為導(dǎo)線大小和線路長度各種各樣，要求的電壓和容量各不相同，對高壓長線路，無論用交流還是直流電源融冰，都應(yīng)有容量大又能調(diào)壓的電源，才能確保安全、快速地融冰。

2.2 實現(xiàn)直流電源融冰的可能性

對于500kV(典型截面300mm2×4)的長線路進行交流融冰是完全不可能的。只存在用直流融冰的可能性。一個電流不小于4kA、電壓不低于50kV(即功率不小于200MW)的直流電源才能滿長300km、4×300mm2導(dǎo)線的500kV線路融冰的需要。這個可調(diào)節(jié)的大容量直流電源相當(dāng)于中小型高壓直流系統(tǒng)HVDC的一個換流站。但因為電流大而電壓低，它不可能屬于直流輸電系統(tǒng)，理由是：電流達到4kA的系統(tǒng)，其線路導(dǎo)線截面將達到4×800mm2至6×700mm2的規(guī)模，必然是特大容量的超高壓或特高壓直流輸電系統(tǒng)。而高壓直流系統(tǒng)即使降壓運行其電壓也不能低于額定電壓的70%或50%，因而無法利用其作為融冰電源。如果只從電流、電壓來看，所需要的直流融冰電源有可能利用一個直流背靠背系統(tǒng)來解決。但是，直流背靠背系統(tǒng)一般建在電網(wǎng)邊緣與另一個電網(wǎng)交界處，而直流融冰電源應(yīng)設(shè)在電網(wǎng)中心。有報道稱國外建設(shè)了基于現(xiàn)代HVDC和晶閘管技術(shù)的靜止補償裝置兼作融冰電源，電流可達7.2kA(高壓直流融冰HVDCice)。這樣一舉兩得，創(chuàng)造性地解決了這一難題。國內(nèi)也提出了同樣的方案。如果在電網(wǎng)中心有一個這樣的HVDCice設(shè)備，則所有能連接到的交流500kV及以下線路的融冰電源都可解決。而在電網(wǎng)冰害嚴(yán)重地區(qū)建設(shè)一個容量合適的直流融冰電源也是可行的。如國內(nèi)已建成功率為60MW的直流融冰電源，可解決當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)220~500kV線路融冰需要，便是一個成功的范例。

2.3 實現(xiàn)交流電源融冰的可能性

對于110~220kV線路覆冰問題最為突出的地區(qū)電網(wǎng)，用系統(tǒng)中的發(fā)電機組作為電源實現(xiàn)交流融冰是可行的。220kV線路長度一般不超過200km，由表，導(dǎo)線截面300mm2、長200km的線路交流融冰需要的電源容量為218MVA，電壓約136kV。這是110~220kV線路交流融冰電源要求的上限。現(xiàn)今系統(tǒng)中300MW發(fā)電機組很普遍，一般發(fā)電機在功率因數(shù)很低時允許的無功負荷受到限制，以QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機為例，額定功率300MW，額定功率因數(shù)cosφ=0.85，當(dāng) cosφ≈0 時允許無功負荷270MVA，只有額定有功功率的90%。盡管如此，這一容量已能夠滿足長200km的220kV線路融冰的需要。

雖然發(fā)電機可以調(diào)壓，但發(fā)電機電壓不夠高。如300MW發(fā)電機額定電壓為18kV或20kV，更小容量發(fā)電機的額定電壓更低。所以還需要一臺容量和電壓(配合發(fā)電機調(diào)壓)能滿足融冰需要的變壓器。一般較大容量機組為單元接線，通過220kV或500kV升壓變壓器接至母線。如果母線上有上述變壓器 (例如，按GB/T6451標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的220/110kV降壓變壓器，電壓比為 220±10%/121kV，容量可達 240MVA，可滿足長200km的220kV線路交流融冰需要)，或鄰近變電站有上述變壓器，通過至鄰近變電站的線路轉(zhuǎn)接，即可加以利用。如果需要融冰的線路太長、電壓太高或容量太大，找不到合適的變壓器，則可在線路上適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)短路點以改變線路長度，從而降低融冰需要的電壓和容量。此外，新建變壓器也可以兼顧融冰需要，例如可以增加容量或用增設(shè)分頭等方法改變電壓。

在實際裝置方面，從發(fā)電機、升壓變經(jīng)母線到作為直接融冰的降壓變壓器，或經(jīng)線路轉(zhuǎn)接到鄰近變電站作為直接融冰的變壓器，必須自成獨立系統(tǒng)而與運行中的系統(tǒng)分離，因為該系統(tǒng)要調(diào)節(jié)融冰的電流和電壓。一般發(fā)電廠和變電站的主接線都可以實現(xiàn)這一要求。

2.4 移動式柴油發(fā)電機電源

作為移動式外施電源，柴油發(fā)電機具有優(yōu)越性。數(shù)百kW至3MW的柴油發(fā)電機組有現(xiàn)成的產(chǎn)品，能滿足大跨越、交叉檔和小截面短線路的融冰要求。此外，小型柴油發(fā)電機組配合強力熱風(fēng)機可以給線路絕緣子和變電設(shè)備除冰。后一舉措不可忽視，因為絕緣子和變電設(shè)備除冰也是保證供電乃至保證線路融冰的必要條件。筆者認為用絕緣操作桿、軟管和噴嘴，帶電近距離強力熱風(fēng)除冰，輕便有效，值得研究。

2.5 關(guān)于架空地線融冰

要實現(xiàn)架空地線短路法融冰，架空地線必須與桿塔絕緣。為了降低線路損耗，有的超高壓線路采用絕緣架空地線，此項措施為短路法融冰提供了可能。應(yīng)該通過抗冰災(zāi)經(jīng)驗的總結(jié)，來審視架空地線融冰的必要性。如果是十分必要的，則接地架空地線實現(xiàn)短路法融冰唯一的辦法是將其改造為絕緣架空地線。

3 幾點結(jié)論

3.1 實現(xiàn)高壓長線路短路法融冰的關(guān)鍵是獲得大容量的融冰電源。長度達300km的500kV線路只能用大容量的直流電源融冰。建設(shè)可兼作融冰電源的高壓直流或靜補裝置(HVDCice)是一個理想的方案。

3.2 利用系統(tǒng)中300MW或以下容量的發(fā)電機組和降壓變壓器，對長度為200km或以下的110~220kV線路進行交流融冰在技術(shù)上也是可行的。

3.3 只有絕緣架空地線才能實現(xiàn)短路法融冰。

3.4 移動式柴油發(fā)電機能滿足大跨越、交叉檔和小截面短線以及絕緣子融冰對電源的要求。

3.5 LGJ-70~300mm2導(dǎo)線在5~3A/mm2電流密度、環(huán)境溫度為+10℃、冰厚20mm條件下融冰所需時間估計約1h；環(huán)溫為+10℃下導(dǎo)線溫度不超過100℃。最后要強調(diào)的是，無論采用何種融冰方法，都要根據(jù)系統(tǒng)中需要融冰的線路長度、位置分布和局部氣象條件等實際情況，研究合適的技術(shù)方案，做好電源器材準(zhǔn)備和實施預(yù)案，并進行一定的試驗和演練，實際應(yīng)用時才能實現(xiàn)安全、有效地融冰。

[1]文闿成.高壓長線路短路法融冰可行性探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009-01-20.