礦區(qū)高壓供電線路直流融冰技術(shù)

摘要：文章針對(duì)東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)高壓供電線路冬季覆冰的情況，提出了礦區(qū)線路直流融冰方式，并根據(jù)線路參數(shù)，對(duì)直流融冰裝置參數(shù)的確定進(jìn)行了較詳細(xì)的分析計(jì)算。

關(guān)鍵詞：高壓供電線路；直流融冰裝置；融冰電流；冬季覆冰

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）12-0133-03

1 概述

云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司地處云貴高原腹部的烏蒙山區(qū)，礦區(qū)地表為崇山峻嶺的高山，該區(qū)具有較為典型的高原山區(qū)氣候特征，雨霧時(shí)間長(zhǎng)，日照時(shí)間短。冬季最低氣溫-11.9℃，每年有3～4個(gè)月的冰凍期，礦區(qū)35/10kV架空線路在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮覆冰的因素，35kV架空線路選用220kV用鐵塔，10kV線路選用110kV用鐵塔，線路總長(zhǎng)39.51km，該工程從2007年4月開(kāi)始建設(shè)，2008年10月全部投運(yùn)。截止到目前，因冰雪自然災(zāi)害，造成鐵塔倒塌3次，報(bào)廢4基鐵塔，直接經(jīng)濟(jì)損失105萬(wàn)元，線路停運(yùn)113天。鑒于上述情況，綜合鎮(zhèn)雄的氣候特點(diǎn)，為保證礦區(qū)線路運(yùn)行的安全性、可靠性，保證煤礦的安全生產(chǎn)，著手在東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35kV變電站內(nèi)裝設(shè)一套供電線路直流融冰

裝置。

2 礦區(qū)地面高壓供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)礦區(qū)35/10kV變電站位于公司長(zhǎng)嶺煤礦工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，主變壓器容量為2×20000kVA，負(fù)責(zé)向朱家灣、長(zhǎng)嶺、塘房三對(duì)煤礦供電。變電站的進(jìn)線電源為雙回路供電，一回路引自110kV烏峰變電站，導(dǎo)線選用LGJ-3×300，線路長(zhǎng)10.3km，二回路引自220kV芒部變電站，導(dǎo)線選用LGJ-3×300，線路長(zhǎng)14.8km。變電站對(duì)三對(duì)煤礦供電均為雙回路供電，長(zhǎng)嶺煤礦的供電為電纜線路，塘房煤礦為在建項(xiàng)目，只有朱家灣煤礦為已建成的10kV架空線路，其中Ⅰ回導(dǎo)線選用LGJ-3×185，線路全長(zhǎng)7.3km，Ⅱ回導(dǎo)線選用LGJ-3×185，線路全長(zhǎng)7.2km。

3 架空線路直流融冰原理

直流融冰原理就是利用直流電源發(fā)生裝置將來(lái)自電力系統(tǒng)的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，并將直流電流加在待融冰線路上，以形成回路的架空線路導(dǎo)線電阻為負(fù)載，使導(dǎo)線發(fā)熱，線路覆冰發(fā)生融化脫落的現(xiàn)象，達(dá)到架空線路除冰的目的。為避免不對(duì)稱融冰，破壞鐵塔線路的受力平衡，發(fā)生扭塔事故，融冰時(shí)應(yīng)首先對(duì)線路的兩個(gè)邊線進(jìn)行融冰。

4 線路參數(shù)

5 直流融冰裝置參數(shù)確定

融冰方式選擇：采用圖1融冰方式。設(shè)定15mm冰凍，設(shè)定完全融化時(shí)間30min一次。

說(shuō)明：該方式每次對(duì)三相交流線路的兩相導(dǎo)線進(jìn)行融冰。對(duì)端三相短接，本端一相與融冰裝置直流電壓的正極相連，另一相與融冰裝置直流電壓的負(fù)極相連。

融冰裝置主回路接線采用圖2方式：

融冰裝置主回路由整流變壓器、大功率三相全橋可控整流電路及輸入、輸出開(kāi)關(guān)等元件構(gòu)成；采用整流變壓器，不僅可以減少融冰裝置的無(wú)功消耗，降低融冰裝置注入系統(tǒng)的諧波電流，還能減少融冰裝置中的晶閘管元件數(shù)，降低成套設(shè)備的故障率。

5.1 融冰電流的計(jì)算

5.1.1 融冰電流分融冰電流、保線電流以及最大允許電流作為設(shè)計(jì)裝置直流融冰方案的基礎(chǔ)，線路導(dǎo)線的融冰電流、保線電流以及最大允許電流應(yīng)首先被確定。下面分別對(duì)這三個(gè)概念做簡(jiǎn)單介紹：

導(dǎo)線融冰電流——使導(dǎo)線上覆冰融化的電流。

保線電流——保持導(dǎo)線溫度在冰點(diǎn)以上使導(dǎo)線不覆冰所需最小電流。

導(dǎo)體最大允許電流——在融冰的短時(shí)間內(nèi)（最長(zhǎng)幾小時(shí)）允許導(dǎo)線達(dá)到的最高溫度（90℃）所通過(guò)的電流。

直流融冰方案設(shè)計(jì)的基本原則：在融冰階段，使覆冰線路的通過(guò)電流大于融冰電流同時(shí)小于最大允許電流，并兼顧融冰線路串接設(shè)備的流通能力。

常見(jiàn)線路融冰電流計(jì)算公式如下：

表2計(jì)算了幾種常用架空導(dǎo)線在環(huán)境溫度為-5℃、風(fēng)速5m/s、15mm覆冰的外界條件下的融冰電流、保線電流以及最大允許電流。

根據(jù)表1線路參數(shù)及表2幾種常用架空導(dǎo)線的融冰電流，表3列出了圖1融冰連接方式下對(duì)應(yīng)的線路負(fù)載電阻及融冰電流。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35/10kV架空線路所需融冰各條交流線路融冰電流最大為795.7A，因此選取800A作為整流器額定電流可以滿足35/10kV架空線路直流融冰的要求。

5.1.2 導(dǎo)線安全電流分析。根據(jù)表4可以看出融冰裝置額定電流在融冰過(guò)程中最大融冰電流均遠(yuǎn)小于導(dǎo)線熱穩(wěn)定電流，同時(shí)配合裝置本身的過(guò)電流保護(hù)措施完全滿足融冰過(guò)程中導(dǎo)線的安全水平，不會(huì)發(fā)生線路溫度過(guò)高被燒毀的情況。

5.2 融冰裝置電壓及容量的確定

在一定的環(huán)境條件下，直流融冰所需要的整流器容量取決于需要融冰線路的導(dǎo)線截面及導(dǎo)線長(zhǎng)度，融冰容量與導(dǎo)線長(zhǎng)度有線性關(guān)系。

根據(jù)歐姆定律，以表3東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35/10kV架空線路負(fù)載電阻及融冰電流，選最大電流及負(fù)載電阻進(jìn)行計(jì)算：

融冰所需直流電壓為：Udc=I×R=795.7×2.8534=2.27kV

融冰有功功率為：P=Udc×I=1.81MW

按照表3的線路負(fù)載電阻及融冰電流分別計(jì)算導(dǎo)線融冰電壓如表5所示。

由表5計(jì)算結(jié)果可知所需融冰的各條交流線路融冰電壓均小于2.27kV，因此選2.3kV作為融冰裝置的額定直流電壓可以滿足東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35/10kV架空線路直流融冰的要求。

通過(guò)前面的計(jì)算可知，東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35/10kV架空線路所需最大融冰容量為1.81MW。考慮一定裕量選取2MW作為額定容量滿足東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)35kV變電站直流融冰的要求。

5.3 整流變壓器參數(shù)的確定

整流變的額定容量應(yīng)不小于直流融冰裝置的額定容量。根據(jù)額定容量的優(yōu)先值，因此整流變可考慮設(shè)置為1臺(tái)三相雙繞組變壓器，變壓器額定容量為：3MVA。

融冰裝置直流電壓和交流電壓有如下關(guān)系：

Udc=1.35UNcosα

式中：

Udc——直流側(cè)電壓（2.3kV）

UN——交流側(cè)額定電壓

α——晶閘管觸發(fā)角

當(dāng)晶閘管在0°觸發(fā)時(shí)，直流電壓具有最大值Udi，稱為理想空載直流電壓，其數(shù)值不應(yīng)小于融冰裝置額定直流電壓。通常晶閘管額定觸發(fā)角取15°，據(jù)此可確定：

考慮一定裕量，將整流電路交流額定電壓選為2kV。故變壓器變比為10.5kV/2kV。根據(jù)整流變壓器額定容量和閥側(cè)交流額定電壓可計(jì)算其閥側(cè)額定電流為：

根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合站內(nèi)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的直流融冰閥組參數(shù)為：

晶閘管型號(hào)選擇KPB800-6500型，每相串聯(lián)3只，每相共6只表，閥組共計(jì)18只晶閘管；整流變壓器參數(shù)為：三相油浸自冷式整流變壓器，容量3.0MVA，一次側(cè)額定電壓10.5kV，額定電壓比10.5/2kV，二次側(cè)額定電流866A，繞組連接組別D/y11。

6 融冰裝置建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施

東源鎮(zhèn)雄公司根據(jù)上述融冰裝置計(jì)算參數(shù)，編制了設(shè)備采購(gòu)計(jì)劃，于2012年12月參與了設(shè)備招議標(biāo)工作，并與設(shè)備中標(biāo)單位對(duì)直流融冰裝置整流器部分的控制、保護(hù)、冷卻系統(tǒng)的功能要求簽訂了技術(shù)協(xié)議，現(xiàn)設(shè)備已采購(gòu)到位進(jìn)入安裝階段，到2013年12月份融冰裝置可投入運(yùn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司礦區(qū)供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)35/10kV架空線路直流融冰裝置的建設(shè)完善，將提高礦區(qū)供電線路在冬季覆冰時(shí)的可靠運(yùn)行，對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟祥忠.現(xiàn)代供電技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).直流融冰裝置技術(shù)導(dǎo)則（Q/GDW635-2011）[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3] 李先允，姜寧秋.電力電子技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4] 曲學(xué)基，等.電力電子整流技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：劉吉祥（1972—），男（彝族），云南宣威人，云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部工程師，研究方向：企業(yè)機(jī)電系統(tǒng)管理及改擴(kuò)建。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）