配網(wǎng)交流融冰仿真分析及工程應(yīng)用研究

朱遠(yuǎn)， 周秀冬， 李波， 譚艷軍， 朱思國(guó)

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長(zhǎng)沙410129；2.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410129)

配網(wǎng)交流融冰仿真分析及工程應(yīng)用研究

朱遠(yuǎn)1，2， 周秀冬1，2， 李波1，2， 譚艷軍1，2， 朱思國(guó)1，2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長(zhǎng)沙410129；2.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410129)

配網(wǎng)線路分布廣、支線多、線型復(fù)雜，且多經(jīng)過(guò)易覆冰的微地形微氣候區(qū)域，是冰災(zāi)防治工作的難點(diǎn)，本文比較交直流融冰特點(diǎn)，提出一種適用于配網(wǎng)的固定式交流融冰裝置，對(duì)融冰過(guò)程中配電變壓器分流進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)試點(diǎn)工程應(yīng)用，證實(shí)這種方法的實(shí)用性。

配網(wǎng)；交流融冰裝置；融冰電流；配電變壓器

2008年年初，我國(guó)南方地區(qū)遭受了嚴(yán)重的雨雪冰凍災(zāi)害襲擊，此次災(zāi)害影響范圍廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電網(wǎng)系統(tǒng)遭受了嚴(yán)重的破壞，而其中對(duì)于配網(wǎng)系統(tǒng)的破壞更是史無(wú)前例。以國(guó)家電網(wǎng)公司為例，災(zāi)害共造成110 kV變電站全停234座，35 kV變電站全停592座，110 kV線路故障停電 385條，35 kV線路故障停電 981條，10 kV線路故障停電13 506條，低壓線路受損 57 029 km，低壓線路倒(斷)桿262 373基。本次冰災(zāi)造成國(guó)網(wǎng)公司農(nóng)電系統(tǒng)損失約51.8億元，545個(gè)縣 (區(qū))、4 470個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計(jì)停電臺(tái)區(qū)208 944個(gè)，涉及人口達(dá)7 000萬(wàn)人〔1〕。湖南電網(wǎng)在歷年的冰災(zāi)中損失尤為嚴(yán)重，2008年35 kV線路倒塔1 064基，變形1 005基，導(dǎo)線斷線或受損1 369處，10 kV線路累計(jì)倒斷桿63 036基，斷線47 898處、15 304 km，而且在之后每年的冬季覆冰期均會(huì)遭受不同程度的破壞。

目前的抗冰技術(shù)中，以電流融冰技術(shù)最為經(jīng)濟(jì)有效，但主要針對(duì)主網(wǎng)線路，配電網(wǎng)線路點(diǎn)多面廣，線型復(fù)雜，支線眾多，所處地形和氣候條件惡劣，現(xiàn)有的電流融冰技術(shù)很難直接應(yīng)用于配網(wǎng)抗冰，目前配網(wǎng)抗冰以人工除冰為主，效率低、安全隱患大〔2，3〕。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中通過(guò)比較交直流融冰的特點(diǎn)，提出了一種用于配網(wǎng)融冰的固定式交流融冰裝置，對(duì)交流融冰裝置實(shí)際融冰中的電流進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)考慮了融冰過(guò)程中支線對(duì)融冰電流的影響以及融冰中是否需要拉開(kāi)沿線配電變壓器，并通過(guò)試點(diǎn)工程應(yīng)用。

1 配網(wǎng)線路交直流融冰比較分析

配網(wǎng)線路的構(gòu)成一般比較復(fù)雜，存在很多不同線型拼接的現(xiàn)象，其導(dǎo)線截面不等。統(tǒng)計(jì)湖南電網(wǎng)部分地區(qū)配網(wǎng)線路，線型主要有 LGJ－35，LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95，LGJ－120，LGJ－150，LGJ－185和LGJ－240，其中以LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95和LGJ－120為主，尤其以LGJ－50，LGJ－70線型應(yīng)用最為廣泛〔4〕。圖1所示為湖南某地區(qū)配網(wǎng)線路長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)情況:

圖1 湖南部分地區(qū)配網(wǎng)線路長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)分析

35 kV線路長(zhǎng)度主要集中在10～20 km和5～10 km的范圍之內(nèi)，10 kV線路主要統(tǒng)計(jì)主干線，長(zhǎng)度主要集中在2～5 km和5～10 km。

針對(duì)這些線路特點(diǎn)，目前的配網(wǎng)融冰技術(shù)可分為交流融冰和直流融冰兩種方式，其原理如圖2所示。

圖2 配網(wǎng)交直流融冰原理比較

交流融冰一般取變電站內(nèi)10 kV電源，通過(guò)調(diào)壓變壓器進(jìn)行降壓，在線路末端進(jìn)行三相短接，直接對(duì)三相導(dǎo)線同時(shí)融冰；直流融冰一般自帶發(fā)電機(jī)，通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓，整流部件整流，輸出的直流對(duì)三相導(dǎo)線進(jìn)行融冰，三相融冰不能同時(shí)進(jìn)行。

對(duì)幾種主要線型，進(jìn)行5 km長(zhǎng)度的交直流融冰計(jì)算，融冰電流取對(duì)應(yīng)導(dǎo)線融冰電流范圍中間值，直流計(jì)算采用兩條線路并聯(lián)后與另一條線路串聯(lián)的接線，阻抗系數(shù)為 1.5，計(jì)算結(jié)果如表 1所示:

表1 配網(wǎng)線路5 km交直流融冰計(jì)算結(jié)果

直流融冰的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為融冰功率小，由表1可知，隨著線徑的減小，阻抗中電抗分量變小，交直流融冰的功率差別逐漸減小，應(yīng)用最為廣泛的LGJ－50，LGJ－70線路尤為明顯，同時(shí)直流融冰需增加整流器等設(shè)備，建設(shè)費(fèi)用更高，配網(wǎng)線路可優(yōu)先考慮交流融冰。

2 一種配網(wǎng)固定式交流融冰裝置

2.1 配網(wǎng)固定式交流融冰裝置結(jié)構(gòu)

冬季覆冰期，易覆冰的配網(wǎng)線路一般位于高寒山區(qū)，交通極為不便，人工除冰難度極大。針對(duì)這一問(wèn)題，研制了一種農(nóng)配網(wǎng)固定式直流融冰裝置，融冰時(shí)在線路末端進(jìn)行短接，在站內(nèi)進(jìn)行操作，可以極大地提高除冰效率，其結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖3 固定式交流融冰裝置結(jié)構(gòu)

配網(wǎng)固定式交流融冰裝置安裝于變電站內(nèi)，可同時(shí)對(duì)10 kV線路和35 kV線路進(jìn)行融冰，融冰時(shí)電源取自變電站10 kV側(cè)，通過(guò)融冰變壓器進(jìn)行降壓，融冰變壓器設(shè)置為多個(gè)檔位，根據(jù)實(shí)際線路長(zhǎng)度、線型以及融冰電流大小，選擇相應(yīng)的檔位。線路停電后，在融冰線路末端進(jìn)行三相短接，合上固定式融冰裝置斷路器及刀閘，即可實(shí)施交流融冰。

2.2 配網(wǎng)固定式交流融冰裝置參數(shù)計(jì)算

固定式直流融冰裝置中融冰變壓器設(shè)置為多個(gè)檔位，變壓器原邊輸入電壓為10 kV，輸出電壓可根據(jù)線路長(zhǎng)度和線型確定，下面以農(nóng)網(wǎng)線路中最廣泛的LGJ－50和LGJ－70線型進(jìn)行計(jì)算，線路長(zhǎng)度分別取5 km(LGJ－50)和8 km(LGJ－70)，計(jì)算電壓檔位如下:

式中 I為融冰電流 (A)；r0為單位長(zhǎng)度線路阻抗(Ω)；L為線路長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配網(wǎng)線路5 km交直流融冰計(jì)算結(jié)果

根據(jù)電壓結(jié)果，可選取電壓檔位如下:針對(duì)于5 km LGJ－50線路，選擇1 800 V電壓，對(duì)應(yīng)融冰電流為297 A；針對(duì)于8 km LGJ－70線路，選擇2 800 V電壓，對(duì)應(yīng)融冰電流為355 A。因此針對(duì)這2條線路的融冰，融冰變壓器可選擇參數(shù)如下:輸入電壓10 kV；輸出電壓1 800 V，2 800 V。當(dāng)一個(gè)變電站內(nèi)有多回線路需要融冰時(shí)，綜合各條線路的融冰電壓范圍，選取合適的電壓檔位，盡量讓電壓檔位均勻分布，且檔數(shù)不要太多，部分線路由于線路較長(zhǎng)，線路阻抗較大，可以不經(jīng)過(guò)融冰變壓器，直接采用10 kV電壓進(jìn)行交流融冰。

3 支線對(duì)融冰電流分流影響仿真

10 kV線路支線多，配電變壓器直接連接于線路之上，交流融冰時(shí)，配電變壓器會(huì)對(duì)融冰電流分流，最終線路末端的融冰電流會(huì)變小，若拉開(kāi)全線的支線以及配變，將產(chǎn)生特別大的工作量。針對(duì)這一問(wèn)題，采取線路阻抗分段的方法進(jìn)行了帶配電變壓器融冰時(shí)的 MATLAB仿真，仿真模型如圖4所示:

圖4 支線分流仿真模型

選取仿真電壓使得電流在對(duì)應(yīng)線型融冰電流范圍之內(nèi)，為簡(jiǎn)化計(jì)算配電變壓器參數(shù)以S9－100型標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為準(zhǔn)，即容量為100 kVA，輸入電壓為10 kV，輸出電壓為400 V，短路阻抗為參考文獻(xiàn)〔5〕中對(duì)應(yīng)參數(shù)，仿真分別針對(duì)拉開(kāi)線路支線和不拉開(kāi)線路支線進(jìn)行，其中線路支線包括實(shí)際支線以及連接于主線之上的配變。采用上述模型，針對(duì)3條典型線路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3條典型10 kV線路拉開(kāi)支線前后融冰電流仿真結(jié)果

由表3可知:

1)融冰電壓檔位較低進(jìn)行融冰時(shí)，其支線拉開(kāi)與不拉開(kāi)情況下的電流偏差小于3%，融冰電壓檔位較高 (如10 kV)的情況下，其支線拉開(kāi)與不拉開(kāi)時(shí)相比可能達(dá)5%。

2)支線不拉開(kāi)進(jìn)行融冰時(shí)，融冰線路輸入端側(cè)線路的融冰電流較大，靠近融冰短接點(diǎn)處的融冰電流較小，兩者差別小于10%。支線不拉開(kāi)情況下進(jìn)行融冰時(shí)，靠近融冰變側(cè)的配電變壓器有可能接近額定工作狀態(tài)，故其支線電流較大；靠近短接點(diǎn)處的配電變壓器由于輸入電壓很低，故其支線電流很小，基本可以忽略。

3)寒松線與寒巴線相比，寒松線全線變壓器為19臺(tái)，寒巴線為7臺(tái)，因此支線拉開(kāi)前后電流偏差變大，首末端電流偏差也變大。

4)小麻線采用10 kV電壓融冰，同時(shí)支線上配變特別多，靠近融冰電源點(diǎn)側(cè)主線上的部分配電變壓器基本工作于額定狀況，因此首末端電流偏差較大，拉開(kāi)支線前后電流偏差也較大。

5)從配電變壓器分流的角度考慮，對(duì)于配變比較少的線路，可選擇不拉開(kāi)配變進(jìn)行融冰，對(duì)于配變較多的線路，則建議拉開(kāi)線路首端一部分配變；但另一方面，融冰電壓一般比線路實(shí)際運(yùn)行電壓要低很多，線路首端的配電變壓器處于低壓運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)影響用戶側(cè)的低壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)安全運(yùn)行，所以建議拉開(kāi)首端配電變壓器，綜合兩部分因素，采取固定式融冰裝置進(jìn)行交流融冰時(shí)，建議拉開(kāi)線路從首端開(kāi)始一半以上的配電變壓器，具體拉開(kāi)數(shù)量可根據(jù)融冰電流大小及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

4 固定式交流融冰裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

固定式交流融冰裝置首次應(yīng)用于邵陽(yáng)110 kV小沙江變電站10 kV小蘭線，線型為L(zhǎng)GJ－95，線路長(zhǎng)7.46 km，融冰電壓3 000 V，融冰電流350 A，融冰開(kāi)始1.5 h后三相導(dǎo)線覆冰全部脫落。如圖5所示為融冰裝置現(xiàn)場(chǎng)和覆冰掉落瞬間。

Simulation analysis and engineering application of AC ice-melting in distribution network

ZHU Yuan1，2，ZHOU Xiudong1，2，LI Bo1，2，TAN Yanjun1，2，ZHU Siguo1，2
(1.State Grid Hunan Electric Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410129，China；2.Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing and Reducing-disaster Technology Laboratory of State Grid，Changsha 410129，China)

Distribution line is widely spread and the branch number is large and the type is complex.Many distribution lines are located in micro-topography and micro－climate area which is easy to freeze.This paper compares the characteristics of melting ice in AC/DC，puts forward a kind of suitable stationary for distribution network melting ice，then carries on a simulation analysis about the current divide of distribution transformer in the process of melting ice.And through the pilot project application，the method practicability is proved.

distribution network；AC melting device；melting current；distribution transformer

TM726

B

1008-0198(2015)06-0032-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.008

2015-04-13