農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置及其應用

譚艷軍，黃華峰，李波，方針，張紅先

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007;2. 國家電網(wǎng)公司輸變電設備防冰減災技術(shù)重點實驗室，湖南 長沙410007)

農(nóng)配網(wǎng)輸電線路通常處于自然環(huán)境復雜的農(nóng)村，例如高寒山區(qū)等。由于農(nóng)村地域廣闊，與城配網(wǎng)相比農(nóng)配網(wǎng)輸電線路長度更長，數(shù)量更多，抗冰設計強度相對較弱，更易遭受到冰凍災害對輸電線路的侵害〔1〕。

2008年初，湖南電網(wǎng)遭受了50 年未遇的冰災。在這次冰凍災害中，35 kV 及以下電壓等級的農(nóng)配網(wǎng)輸電線路損失慘重，如35 kV 變電站438 座中，累計有192 座變電站發(fā)生了母線停運或全站停運，130條線路倒塔1 064 基，變形1 005 基，導線斷線或受損1 369 處，地線斷線或受損296 處，絕緣子掉串89處;10～35 kV 配網(wǎng)共損壞斷路器101 臺，變壓器10臺，刀閘62 組，電流互感器82 臺，電壓互感器45臺，蓄電池13 組，龍門架15 個，避雷器11 支，電纜4 根。10 kV 線路累計倒斷桿63 036 基，斷線47 898 處15 304 km，損壞配變3 380臺，低壓線路倒斷桿330 450 基，斷線367 673 處39 575 km。

2009年2 月26 日至3 月4 日，地處高寒山區(qū)的小沙江地區(qū)連續(xù)遭遇持續(xù)低溫雨水天氣，北風0～3 m/s，氣溫一直維持在0～-4 ℃，覆冰達到30 mm以上，且結(jié)冰迅速。本次冰災共造成35 kV線路倒桿5 基，10 kV 線路共倒桿219 基;斷線共423 處;低壓線路倒桿共2 545 基，損失配變共21臺。導致3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部停電，共計60 個村，132個臺區(qū)。

農(nóng)配網(wǎng)輸電線路在覆冰后主要依靠人工除冰的方法進行除冰作業(yè)。但人工除冰工作量巨大、且除冰效率低下、危險性高、需要組織投入大量的人力物力，難以滿足安全快速進行融冰的要求。隨著220 kV 輸電線路直流融冰技術(shù)的研制成功和發(fā)展，農(nóng)配網(wǎng)融冰方法的缺失突顯出來。在農(nóng)配網(wǎng)線路發(fā)生嚴重覆冰時，如何通過經(jīng)濟、實用的融冰方法實現(xiàn)農(nóng)配網(wǎng)線路的融冰工作是亟待研究解決的問題。針對上述問題，迫切需要研究農(nóng)配網(wǎng)融冰技術(shù)及裝置，以適應目前農(nóng)配網(wǎng)線路融冰需要，為克服農(nóng)配網(wǎng)冰凍災害提供一種有效的解決辦法〔1〕。

1 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置組成及特點

通過對湖南省農(nóng)配網(wǎng)線路統(tǒng)計分析得出，農(nóng)配網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復雜主要表現(xiàn)在長度跨度大、使用線型種類多。長度可分為3 個區(qū)間:即400 m 及以下的站外T 接支線、0～5 km 短線路、5～25 km 長線路。使用較多的線路型號為LGJ-95，LGJ-70，LGJ-120，分別占農(nóng)配網(wǎng)線路總數(shù)的36%，26%，23%;共占農(nóng)配網(wǎng)線路總數(shù)的85%。

根據(jù)農(nóng)配網(wǎng)線路特性，研制開發(fā)了長線路、短線路和超短線路系列農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置，分別解決5～25 km、0 ～5 km 和400 m 及以下農(nóng)配網(wǎng)線路融冰難題。

1.1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置主要解決5～25 km農(nóng)配網(wǎng)長線路的融冰難題，由于線路長，所需的融冰容量如果采用發(fā)電機組提供則發(fā)電機體積、耗油量均十分巨大，因此無法通過發(fā)電機等便捷途徑獲得合適的融冰電源。擬采用變電站內(nèi)10 kV 融冰開關(guān)柜提供融冰電源，經(jīng)過12 脈波整流變調(diào)整電壓后，由12 脈波整流器整流獲得直流融冰電源〔1-2〕(如圖1，2)。

圖1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置原理圖

圖2 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置

該裝置基于12 脈波不可控整流，發(fā)熱量小，諧波低，無需濾波器?？梢詫r(nóng)配網(wǎng)5 ～25 km (兩邊融冰可實現(xiàn)50 km 及以下線路的全覆蓋)長線路進行融冰。在變電站內(nèi)獲取融冰電源，該裝置采用直流融冰消除線路感抗的影響〔2〕。

為了可以對不同長度、不同型號的輸電線路進行直流融冰，采用“可調(diào)檔位整流變壓器+12 脈波二極管整流器”的方案。通過整流變壓器檔位的選擇與12 脈波二極管整流變壓器中2 臺6 脈波整流器的串并聯(lián)組合，可以實現(xiàn)融冰直流電壓的逐級可調(diào)，滿足不同長度農(nóng)配網(wǎng)線路融冰需要〔1〕。

1.2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置主要解決5 km 以下農(nóng)配網(wǎng)短線路的融冰難題，針對該情況提出了3種解決方案。

方案1:由于線路長度相對較短，所需的融冰容量可以通過發(fā)電機組提供，同時容量較小可以采用調(diào)壓器靈活的調(diào)節(jié)輸出電壓大小，滿足不同長度農(nóng)配網(wǎng)輸電線路的融冰需求。因此該方案擬采用1臺發(fā)電機提供融冰電源，經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓和不可控6 脈波整流器整流獲得直流融冰電源 (如圖3，4)。

圖3 方案1 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

圖4 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置

該裝置首次提出“調(diào)壓器調(diào)壓+二極管整流”的農(nóng)配網(wǎng)線路融冰方法，由柴油發(fā)電機組供電，體積小，移動方便，可對2.5 km 及以下(兩邊融冰可實現(xiàn)5 km 及以下線路全覆蓋)線路進行融冰。由于短距離融冰裝置便于移動，可以有效解決對山區(qū)或跨江農(nóng)配網(wǎng)輸電線路的融冰難題〔3〕;同時為了可以對不同長度、不同型號的輸電線路進行直流融冰，采用“調(diào)壓器+二極管整流器”的設計方案后，可以大大提高農(nóng)配網(wǎng)短線路融冰裝置的應用范圍和運行可靠性。

方案2:采用1 臺交流發(fā)電機提供融冰電源，經(jīng)不可控6 脈波整流器整流獲得直流，再對該直流電源進行斬波控制其直流輸出大小，獲取合適的融冰電源(如圖5)。

圖5 方案2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

該方案采用二極管不控整流后，利用IGBT 實現(xiàn)對直流輸出電壓的斬波，通過控制IGBT 調(diào)制脈沖的占空比，可以實現(xiàn)融冰裝置輸出直流電壓的可調(diào)。

方案3:采用1 臺輸出可調(diào)交流發(fā)電機提供融冰電源，經(jīng)不可控6 脈波整流器整流獲得直流融冰電源(如圖6)。

圖6 方案3 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

該方案利用新型輸出可調(diào)發(fā)電機，控制交流輸出電壓經(jīng)不可控6 脈波整流器整流后實現(xiàn)融冰裝置輸出直流電壓的可調(diào)〔1〕。

1.3 農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置主要解決400 m 左右農(nóng)配網(wǎng)超短線路融冰難題，由于線路長度很短，所需融冰容量微小，該裝置可以設計為便攜式一體機，可以由2 個人力搬運到指定位置進行10 kV 支線融冰作業(yè)。該裝置直流電流輸出有3 個端子(2 個正極端子和1 個負極端子，如圖7，圖8 所示)，通過電纜直接與待融冰架空線路相連接，其中2 個正極輸出為并聯(lián)關(guān)系，針對不同長度和線徑可進行“兩相并聯(lián)和另一相串聯(lián)”或“兩相串聯(lián)”的融冰操作。

為方便現(xiàn)場接線，設計了專用的三相快速接線線夾和三相快速短路線夾，采用該線夾后，接入融冰電源和對側(cè)短接時，可直接掛接。減少了停電接線時間，免去了復雜的現(xiàn)場接線操作，改接線簡便、快捷，提高了融冰工作效率，保證了接線過程中人身和設備的安全，避免了可能出現(xiàn)的人員觸電風險。

該裝置采用中頻發(fā)電機(提高發(fā)電頻率)，發(fā)電機的體積將下降，這是因為:發(fā)電機的頻率提高以后，根據(jù)電磁學原理，單位時間內(nèi)的線圈中的磁通量(磁感應強度B 與面積S 的乘積)的變化率將提高，磁通量的變化率越大，感應電勢也越大(即電壓越高)，發(fā)電機可提供的功率將增大。即在相同的功率下，線圈面積可減小，發(fā)電機的體積將下降。由此該裝置具備體積小、重量輕的特點。

圖7 便攜式超短線路直流融冰裝置原理

圖8 便攜式超短線路直流融冰裝置

該裝置內(nèi)置發(fā)電、調(diào)壓、整流等多個模塊，通過有機集成組合為農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置。

2 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置試運行

以上3 類農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置經(jīng)過大量的試驗驗證其性能和功效后，在110 kV 小沙江變電站進行了試運行試驗。

本次試運選擇在該站的35 kV 小司線、10 kV小微線和10 kV 小叢線上進行。該變電站地處邵陽隆回小沙江鎮(zhèn)，該地區(qū)為冰凍重災區(qū)，包括小沙江鎮(zhèn)、虎形山鄉(xiāng)、麻塘山鄉(xiāng)3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬少數(shù)民族居住地(瑤族)。年均雨霧天氣約180 d 左右，冰雪天氣約80 d 左右，空氣濕度大，冰凍期長，冬季冷暖空氣極易在此區(qū)域內(nèi)形成準靜止鋒導致嚴重冰凍?，F(xiàn)有配網(wǎng)線路在當初建設時主要考慮盡量減短線路長度，減少轉(zhuǎn)角數(shù)量，從而減少造價，所以很多地方從一些山峰風口通過，跨越處數(shù)多、檔距大，最大檔距超過300 m，沿途冰凍嚴重，結(jié)冰又極不均勻，而且覆冰常遠超出設計覆冰厚度幾倍，造成桿塔負荷太重而破壞桿塔損毀線路。

2.1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置試運行

該裝置選擇在35 kV 小司線上進行融冰試運行。小司線線路長度為13.417 km，導線型號為LGJ-95，總電阻約3.89 Ω。試運時，線路直流融冰電流為430.7 A，直流輸出電壓為3 351 V。升流12 min 后，導線溫度從4.8 ℃上升到17 ℃，通流后溫度上升明顯。

2.2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置試運行

該裝置選擇在10 kV 小微線上進行融冰試運行。小微線主干線線路長度為1.732 km，導線型號為LGJ-50，總電阻約0.969 8 Ω。試運時，線路直流融冰電流為229.4 A，直流輸出電壓為333.6 V。升流8 min 后，導線溫度從4 ℃上升到13 ℃，通流后溫度上升迅速，融冰效果明顯〔4〕。

2.3 農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置試運行

該裝置選擇在10 kV 小叢線上進行融冰試運行。小叢線導線型號LGJ-120，從110 kV 小沙江變電站站外第2 基桿塔P2 開始，到桿塔P6 位置設置短路點，融冰線路共4 個檔距，長度約208 m，總電阻約0.073 Ω。試運時，線路直流融冰電流約為320 A，直流輸出電壓約為32 V。20 min 后，導線溫度由8.3 ℃升高至19.9 ℃，溫升11.6 ℃，試驗取得圓滿成功。

3 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置融冰應用

第1 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月20 日，農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置首次對10 kV 小龍線實施融冰。小龍線導線型號為LGJ-120，融冰線路長2.7 km。融冰電壓351.5 V，融冰電流319 A，不到3 h，該線路的三相覆冰全部脫落。

第2 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月21 日，對110 kV小沙江變電站10 kV 小蘭線實施直流融冰。導線型號為LGJ-95，融冰線路長度約2.5 km，經(jīng)過170 min 順利完成三相線路融冰。

圖9 覆冰脫落瞬間

第3 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月22 日，對110 kV小沙江變電站10 kV 小微線進行融冰操作。融冰線路為LGJ-50 和LGJ-90 組成的混合架空輸電線路，線路長度2.2 km。140 min 后成功完成小微線三相導線的直流融冰工作。

圖10 覆冰脫落瞬間及覆冰厚度測量

4 結(jié)論

農(nóng)配網(wǎng)線路的防冰工作長期以來主要采取人工除冰的方式，除冰工作效率低、人員勞動強度大，使得農(nóng)配網(wǎng)線路抵御雨雪冰凍災害的能力較弱，難以保證用戶供電的可靠性〔1〕。本文介紹的農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置的研制開發(fā)和應用，節(jié)省了農(nóng)配網(wǎng)線路提高抗冰設計強度建設和改造的投資，并大大提高農(nóng)配網(wǎng)線路應對冰雪災害的處置能力，確保覆冰狀況下農(nóng)配網(wǎng)的安全運行，有效地防止農(nóng)配網(wǎng)輸電線路覆冰倒塔斷線等事故，具有重要的意義和較高的工程應用價值。

〔1〕譚艷軍，陸佳政，方針，等. 基于調(diào)壓整流的配網(wǎng)線路直流融冰方法及其裝置研究〔J〕. 電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39 (10):126-129.

〔2〕陸佳政，譚艷軍，李波，等. 特高壓直流輸電線路分段直流融冰方案〔J〕. 高電壓技術(shù)，2013，39 (3):541-545.

〔3〕譚艷軍，陸佳政，方針，等. 基于不可控整流移動式直流融冰裝置的研究〔J〕. 華中電力，2011，24 (1):31-34.

〔4〕蔣興良，王大興，范松海，等. 直流融冰過程中覆冰導線表面最高溫度試驗研究〔J〕. 高電壓技術(shù)，2009，11:2 796-2 800.