±800 k V特高壓錦蘇直流輸電線路融冰技術(shù)

施紅軍，山水鴻

（上海送變電工程公司，上海 200235）

0 引言

錦屏—蘇南±800 k V特高壓直流輸電工程，是華東電網(wǎng)“十一五”西電東送的主要通道，雙極額定功率為7.2 GW。線路長(zhǎng)2 095 km，跨越區(qū)域大、路徑復(fù)雜、地形地貌多變，一旦在重冰區(qū)線路敷冰嚴(yán)重（參見(jiàn)圖1），將對(duì)特高壓直流輸電線路安全運(yùn)行造成威脅。

圖1 冰雪覆蓋的鐵塔和線路

若采用常規(guī)停電除冰方式，如機(jī)械除冰法、自然除冰法等，一方面線路全停對(duì)系統(tǒng)沖擊較大，另一方面冰災(zāi)大多發(fā)生于冬季，正是電力需求旺盛時(shí)期，停電除冰勢(shì)必用時(shí)較長(zhǎng)，給社會(huì)生活帶來(lái)不便。若采用外加直流電源對(duì)覆冰線路進(jìn)行融冰，由于覆冰段線路大多發(fā)生在山區(qū)等氣候變化較大的區(qū)域，外加電源運(yùn)輸難度較大，而且可實(shí)施性與操作性較差。為此，一種方便可靠、操作性強(qiáng)的特高壓換流站直流線路融冰技術(shù)提上議事日程。

1 特高壓直流輸電融冰方案比較

1.1 正常運(yùn)行方式融冰

特高壓直流輸電線路的融冰，可采用雙極平衡大電流運(yùn)行或者單極金屬回線大電流運(yùn)行方案進(jìn)行。直流輸電正常運(yùn)行方式融冰示意圖，如圖2所示。

采用直流輸電正常運(yùn)行方式融冰的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)主接線不需要做任何改動(dòng)；控制保護(hù)的軟件不需要改動(dòng)；調(diào)度和運(yùn)行人員對(duì)整個(gè)操作過(guò)程非常熟悉。缺點(diǎn)是冬季結(jié)冰時(shí)送端常處于枯水時(shí)段，較小的輸送功率有可能使線路電流起不到融冰效果。

圖2 直流輸電正常運(yùn)行方式融冰示意

1.2 更改主接線后的融冰方案

特高壓換流站直流側(cè)融冰接線方式，采用通過(guò)開合相關(guān)隔離開關(guān)和設(shè)置融冰回路的方法將換流站兩個(gè)低端閥廳退出運(yùn)行，將兩個(gè)高端閥廳并聯(lián)運(yùn)行。將構(gòu)成雙極的兩組換流器通過(guò)相應(yīng)的刀閘、引線改造成相并聯(lián)的換流系統(tǒng)（參見(jiàn)圖3）。其特點(diǎn)是在輸送相同功率時(shí)，可以提高直流線路融冰電流1倍，但要更改主接線，增加絕緣支柱、管母等輔助設(shè)備。由于額外增加的設(shè)備投資不大，而且技術(shù)上可行，所以作為本工程融冰方案。

圖3 融冰運(yùn)行方式系統(tǒng)示意

2 特高壓相并聯(lián)直流輸電融冰原理

2.1 臨界電流I c

直流融冰技術(shù)的原理就是將覆冰線路作為負(fù)載，施加直流電加熱導(dǎo)線使覆冰融化。使用大電流融冰時(shí)，為確保不使導(dǎo)線過(guò)熱損壞線路，需要對(duì)融冰電流的大小和融冰時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)線不覆冰時(shí)流過(guò)的最小電流稱為防止導(dǎo)線覆冰的臨界電流Ic，計(jì)算式［1］為：

式中：D為導(dǎo)線直徑；ρ為導(dǎo)線電阻率；ts為導(dǎo)線表面溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；σ為Stefan-Boltcomann常數(shù)；ε為導(dǎo)線黑度，新導(dǎo)線取值為0.23～0.43，舊導(dǎo)線取值為0.9；E為導(dǎo)線對(duì)空氣中過(guò)冷卻水滴的捕獲系數(shù)；V為濕空氣或過(guò)冷卻水滴的移動(dòng)均勻速度；W 為濕空氣或過(guò)冷卻水滴的含濕量；t為濕空氣或過(guò)冷卻水滴的溫度；Cw為水的比定壓熱容；WE為導(dǎo)線表面蒸發(fā)的液體份額；Lv為水的汽化潛熱。

式（1）表明，IC與氣溫、對(duì)流換熱系數(shù)、風(fēng)速、含濕量以及導(dǎo)線本身的特性（直徑、電阻率、黑度）有關(guān)。通過(guò)合理選擇這些參數(shù)就可確定臨界電流。

2.2 融冰時(shí)間T

融冰所需時(shí)間的計(jì)算式［2］為：

式中：Ci為冰的比熱；Ta為氣溫；ρi為冰的密度；R0為覆冰后導(dǎo)線平均半徑；Ri為不覆冰時(shí)導(dǎo)線半徑；I為融冰電流；Re為單位長(zhǎng)導(dǎo)線在0℃時(shí)的電阻。

2.3 直流融冰的主要因素

1）直流融冰的熱平衡包含兩個(gè)過(guò)程：一是導(dǎo)線—冰交界面的熱平衡；二是冰—空氣交界面的熱平衡。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱與融冰吸收的熱及冰表面因輻射散熱和對(duì)流傳熱損失的熱相等。

2）當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，存在臨界融冰電流，當(dāng)電流小于臨界電流時(shí)，不會(huì)發(fā)生融冰現(xiàn)象。

3）環(huán)境溫度對(duì)臨界融冰電流和融冰時(shí)間有顯著影響。環(huán)境溫度越低，臨界融冰電流越大；融冰電流相同時(shí)，融冰需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

4）風(fēng)速對(duì)臨界融冰電流和融冰時(shí)間也有明顯的影響。風(fēng)速越大，臨界融冰電流越大；融冰電流相同時(shí)，融冰所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

3 錦蘇工程直流輸電融冰接線方案

3.1 融冰回路斷口設(shè)置

需要在直流場(chǎng)接線中提前預(yù)留融冰的各個(gè)斷口，斷口位置如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)處于NOM運(yùn)行模式時(shí)，所有的NOM斷口導(dǎo)線被安裝上，所有DOM斷口導(dǎo)線被拆除；當(dāng)系統(tǒng)處于DOM運(yùn)行模式時(shí)，所有的DOM斷口導(dǎo)線被安裝上，所有NOM斷口導(dǎo)線被拆除。合計(jì)工期1天。

圖4 融冰回路斷口設(shè)置示意圖

3.2 特高壓換流站正常運(yùn)行方式

換流站采用雙極運(yùn)行方式，每極的2個(gè)12脈動(dòng)閥組采用串聯(lián)運(yùn)行方式；極線隔離開關(guān)Q11閉合，旁路回路中Q12、Q13、Q14、Q15開關(guān)閉合；中性線回路中Q3和Q18閉合；旁路回路中旁路斷路器Q1、Q2和旁路開關(guān)Q16、Q17斷開，如圖5所示。

圖5 雙極運(yùn)行接線示意

3.3 特高壓換流站融冰運(yùn)行方案

在特高壓輸電線路需要融冰時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整直流場(chǎng)中隔離開關(guān)的開或合狀態(tài)，將兩極的低端閥廳退出運(yùn)行，將兩極的高端閥廳并聯(lián)運(yùn)行；要達(dá)到上述運(yùn)行方式需調(diào)整如下隔離開關(guān)開合狀態(tài)：將極1和極2低端閥組的旁路斷路器Q2閉合，將低端旁路開關(guān)Q17閉合，Q15打開，將雙極的低端閥廳閉鎖；將Q18、Q19、Q21和Q23打開，Q20、Q22及金屬回線Q24閉合。此時(shí)兩個(gè)高端閥組通過(guò)閉合的Q11、Q12、Q17、Q3等開關(guān)降壓為400 k V并聯(lián)運(yùn)行，整個(gè)直流系統(tǒng)采用400 k V雙極高端閥組并聯(lián)金屬回路運(yùn)行，線路上的電流為雙極原來(lái)額定電流的2倍達(dá)9 k A。

特高壓輸電線融冰時(shí)，直流系統(tǒng)電流的流向如圖6所示。

圖6 融冰回路電流流向示意

當(dāng)覆冰直流線路的融冰要求滿足時(shí)，通過(guò)反向操作上述開關(guān)的操作順序，可將直流系統(tǒng)恢復(fù)為正常雙極運(yùn)行方式。

對(duì)送端換流站，采用上述同樣的操作順序，可實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)由正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為融冰運(yùn)行狀態(tài)以及反向轉(zhuǎn)換的工作流程。在直流控制保護(hù)系統(tǒng)中增加融冰運(yùn)行方式的控制功 能即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述的控制操作［3］。

4 結(jié)語(yǔ)

特高壓換流站直流側(cè)融冰接線方式是通過(guò)設(shè)置專用融冰回路及在需要融冰時(shí)調(diào)整相關(guān)隔離開關(guān)的開合狀態(tài)等，將換流站2個(gè)低端閥廳退出運(yùn)行，將2個(gè)高端閥廳并聯(lián)運(yùn)行，使直流線路的電壓降至400 k V運(yùn)行，通過(guò)的電流增加為原來(lái)的2倍，使導(dǎo)體發(fā)熱，阻止導(dǎo)線敷冰。要為各個(gè)斷口提前準(zhǔn)備好便于連接的軟導(dǎo)線，采用軟銅線或載流量較大的鋁絞線，盡量減輕導(dǎo)線重量和根數(shù)。在融冰回路運(yùn)行前，要將不需連接的斷口導(dǎo)線拆開，連接上需要連通的斷口，形成融冰接線。

本融冰方案在錦蘇工程中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是投資少、操作簡(jiǎn)便（8個(gè)點(diǎn)的拆裝需2個(gè)工作小組5 h完成）、安全可靠、融冰過(guò)程中仍可輸送一半額定功率，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊；缺點(diǎn)是整個(gè)拆裝過(guò)程需要停電，影響負(fù)荷的輸送。

［1］ 吳端華.輸電線路直流融冰的臨界電流和融冰時(shí)間分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010（5）：90-95.

［2］ 姚致清.直流融冰技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010（21）：66-71.

［3］ 李學(xué)鵬.直流側(cè)融冰研究［Z］.西北設(shè)計(jì)院，2011.