一種配電網(wǎng)線路不停電融冰方法

楊少杰，高一波

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江華電器材檢測(cè)研究所，杭州 310015）

一種配電網(wǎng)線路不停電融冰方法

楊少杰1，高一波2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江華電器材檢測(cè)研究所，杭州 310015）

提出了一種配網(wǎng)線路不停電融冰的方法，通過(guò)降低配電網(wǎng)線路覆冰段的運(yùn)行電壓、增加覆冰段線路電流，以實(shí)現(xiàn)熱力融冰。將2臺(tái)大范圍有載調(diào)壓變壓器通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置串聯(lián)接入線路覆冰段兩端，通過(guò)這2臺(tái)融冰變壓器的協(xié)同調(diào)節(jié)降低線路覆冰段運(yùn)行電壓，并保證負(fù)荷端電壓的穩(wěn)定?；赑SCAD平臺(tái)搭建了配電網(wǎng)線路不停電融冰系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同工況下的線路融冰運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)不同無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而為線路提供電壓支撐，最后給出了該方案的適用場(chǎng)合。

不停電融冰；融冰變壓器；配網(wǎng)線路；無(wú)功補(bǔ)償

0 引言

冰災(zāi)是電力系統(tǒng)常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，2008年發(fā)生在湖南、廣東等南部省份的大冰災(zāi)導(dǎo)致輸電線路大面積、長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活造成巨大損失[1，2]。此次冰災(zāi)事件也直接推動(dòng)了融冰技術(shù)在輸電線路上的應(yīng)用研究。

熱力融冰技術(shù)是基于導(dǎo)線的焦耳熱效應(yīng)，通過(guò)提高流過(guò)導(dǎo)線的電流來(lái)使導(dǎo)線發(fā)熱，進(jìn)而達(dá)到融冰的目的。作為熱力融冰手段的一種，短路融冰是目前應(yīng)用最多的輸電線路融冰方法[3，4]。但短路融冰方案在融冰期間需要中斷電力傳輸，這對(duì)覆冰周期較長(zhǎng)或存在反復(fù)覆冰情況的線路是無(wú)法接受的。

現(xiàn)有關(guān)于不停電融冰技術(shù)的研究大多關(guān)注的是高壓輸電線路，且基于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)潮流控制或雙回線路環(huán)流控制。文獻(xiàn)[5]介紹了一種潮流控制算法，通過(guò)調(diào)整整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)的潮流分布來(lái)調(diào)控不同線路的融冰能力，以形成整體最優(yōu)的抗冰策略。但此算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)依賴性，不適用于配電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱配網(wǎng)）融冰。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]針對(duì)雙回輸電線路提出了一種基于線路環(huán)流的融冰策略，通過(guò)在其中一回線路上串入一臺(tái)調(diào)相變壓器來(lái)改變?cè)摋l線路的相角，通過(guò)控制兩回線路之間的相角差來(lái)控制兩回線路間的環(huán)流，以實(shí)現(xiàn)不停電融冰。顯然調(diào)相變壓器方法只能應(yīng)用于雙回線路，而配網(wǎng)線路一般都是輻射狀的單回線路，故潮流控制難以實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法形成雙回線路環(huán)流。

針對(duì)上述問(wèn)題提出了一種配網(wǎng)線路不停電融冰的方法，通過(guò)降低配網(wǎng)線路覆冰段的運(yùn)行電壓、增加覆冰段線路電流來(lái)實(shí)現(xiàn)熱力融冰。對(duì)于一條普通的配網(wǎng)線路，融冰電流往往大于其正常負(fù)載電流的2倍。為達(dá)到融冰電流，需要將線路運(yùn)行電壓降低至正常運(yùn)行電壓的一半以下，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通配電變壓器的調(diào)壓范圍。為了保障融冰過(guò)程中電力供應(yīng)的穩(wěn)定并將電壓波動(dòng)控制在許可范圍內(nèi)，在配網(wǎng)線路不停電融冰方案中采用了一組特殊的有載調(diào)壓變壓器。以下通過(guò)PSCAD仿真軟件對(duì)配網(wǎng)線路不停電融冰仿真系統(tǒng)不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析對(duì)比。

1 配網(wǎng)線路融冰系統(tǒng)

以浙江西部地區(qū)某典型10 kV配網(wǎng)線路為例，搭建了配網(wǎng)線路不停電融冰仿真系統(tǒng)。該線路的1/3左右長(zhǎng)度位于山區(qū)，在冬季會(huì)出現(xiàn)覆冰；同時(shí)該線路是接入此區(qū)域的唯一1條饋線，不能長(zhǎng)期停電；另外，該區(qū)域沒(méi)有精密制造業(yè)負(fù)荷，對(duì)輕微電壓波動(dòng)不敏感。

仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，110 kV主變壓器T1的額定變比是110 kV/10 kV，配電變壓器T2的額定變比是10 kV/400 V。融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2的額定變比均為1∶1，它們通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置接入線路，正常運(yùn)行時(shí)被開(kāi)關(guān)B-1和B-4短接。根據(jù)浙江地區(qū)的氣象條件，線路覆冰段多在山區(qū)，圖1中覆冰段線路標(biāo)記為L(zhǎng)ineiced。為減少正常段線路在融冰時(shí)的損耗，并降低融冰變壓器的容量，將融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2安裝在靠近線路覆冰段的位置。

圖1 配網(wǎng)線路不停電融冰仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 配網(wǎng)線路融冰方案

2.1 融冰方案

在融冰模式下，開(kāi)關(guān)B-2和B-5以及開(kāi)關(guān)B-3和B-6合上，然后開(kāi)關(guān)B-1和B-4打開(kāi)，融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置的切換串聯(lián)接入線路。融冰變壓器初始運(yùn)行在變比為1∶1的狀態(tài)，其接入不影響線路正常運(yùn)行。

為降低覆冰段線路運(yùn)行電壓以獲得融冰電流，逐步調(diào)節(jié)覆冰段始端融冰變壓器Tdice-1的分接頭位置，使其變比增大。與此同時(shí)，為了控制線路末端電壓穩(wěn)定，同步調(diào)節(jié)覆冰段末端融冰變壓器Tdice-2的分接頭位置，使其變比減小，直至線路電流達(dá)到要求的融冰電流值。由于負(fù)荷對(duì)于小范圍的電壓波動(dòng)并不敏感，2臺(tái)融冰變壓器的分接頭檔位調(diào)節(jié)沒(méi)有嚴(yán)格的同步性要求，能節(jié)省部分通信系統(tǒng)的投資。文獻(xiàn)[8]以220 kV輸電網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)潮流計(jì)算對(duì)變比的優(yōu)化取值進(jìn)行了分析，該算法簡(jiǎn)化之后也可應(yīng)用于配網(wǎng)線路。

2.2 融冰電流

最小融冰電流取決于多種環(huán)境因素的共同作用，比如環(huán)境溫度、風(fēng)速、導(dǎo)線直徑、覆冰厚度等[9-12]。關(guān)于架空導(dǎo)線覆冰過(guò)程以及熱力融冰過(guò)程已有大量研究，提出了描述導(dǎo)線覆冰過(guò)程的多種物理模型，以及線路最小融冰電流的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[11]根據(jù)導(dǎo)線覆冰的物理過(guò)程對(duì)期間的熱平衡進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了濕增長(zhǎng)覆冰向干增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的臨界條件，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[12]在架空導(dǎo)線覆冰模型的基礎(chǔ)上，對(duì)3種熱力融冰模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，并推導(dǎo)了不同模型下的融冰臨界電流值。由于融冰電流的具體數(shù)值選取對(duì)配網(wǎng)線路不停電融冰方案本身沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響，故直接引用表1所示的架空線路1 h融冰電流數(shù)值。

表1 架空線路1 h融冰電流[13]

表1所列的是在環(huán)境溫度為-5℃，風(fēng)速為5 m/s，導(dǎo)線覆冰層厚度為10 mm條件下計(jì)算得到的架空線路1 h融冰電流值。

3 仿真分析

配網(wǎng)線路不停電融冰仿真模型中采用的線路參數(shù)如表2所示。仿真系統(tǒng)按圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建，融冰過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)，采用基于貝瑞隆的線路仿真模型。

表2 線路參數(shù)

3.1 未設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果

如圖1所示，仿真系統(tǒng)測(cè)量線路各處的電壓，U1和U2分別是整條線路首、末端電壓，U3和U4分別是線路覆冰段首、末端電壓。I1是正常段線路電流，I2是覆冰段線路電流。在未設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下，正常運(yùn)行模式及融冰模式下的線路電壓、電流如表3所示。

表3 未設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的仿真結(jié)果

根據(jù)表3所列仿真結(jié)果，未設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，融冰模式下線路末端電壓低于9.5 kV，不符合供電質(zhì)量要求?？梢?jiàn)，由于融冰模式下線路電流成倍增加，在沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下僅靠調(diào)節(jié)融冰變壓器的分接頭檔位已無(wú)法有效控制線路末端電壓。

3.2 設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果

為有效調(diào)節(jié)線路末端電壓，需要設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)仿真對(duì)比分析了在線路首、末端以及覆冰段首、末端4個(gè)位置設(shè)置容量均為1 Mvar的無(wú)功補(bǔ)償方案，仿真結(jié)果如表4所示。

由仿真結(jié)果可知，在線路首端設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償并不能有效改善線路末端電壓。在線路末端設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償則會(huì)過(guò)度抬高線路末端電壓，使400 V低壓母線電壓超標(biāo)，而且該補(bǔ)償位置下的線路電流和融冰電流顯著大于其他方案。

表4 設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償后的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，在覆冰段線路的首端或者末端設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償既能有效調(diào)節(jié)線路末端電壓，又能將非覆冰段線路電流控制在較低水平。而且便于在安裝融冰變壓器的同時(shí)配套安裝相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，減少線路改造的工作量。

在線路覆冰段末端設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償后，融冰過(guò)程中線路首、末端的電壓如圖2所示。隨著融冰段線路電流的上升，線路首端電壓U1逐步下降，但降幅未超過(guò)2.5%，而線路末端電壓U2下降明顯。之后隨著融冰變壓器的檔位調(diào)節(jié)，線路末端電壓U2逐步回升至9.5 kV以上。由圖2可見(jiàn)，線路末端電壓U2低于9.5 kV的持續(xù)時(shí)間少于0.4 s。由于負(fù)荷對(duì)短時(shí)間的電壓跌落并不敏感，故認(rèn)為這是可以接受的。

圖2 線路首末端電壓波形

線路A相電流波形見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，線路融冰段電流I2顯著上升，超過(guò)1 h融冰電流值；而線路非融冰段電流I1上升則少于50%正常運(yùn)行時(shí)的線路電流。相比于會(huì)提高全線電流的傳統(tǒng)不停電融冰方法，文中提出的配網(wǎng)線路不停電融冰方法不會(huì)顯著提高非覆冰段線路的電流，降低了線路損耗和電壓降，能減少無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量。

3.3 融冰變壓器非同步投入的影響

針對(duì)實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的2臺(tái)融冰變壓器非同步投入的情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）所示是2臺(tái)融冰變壓器同步投入運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷側(cè)電壓波形，融冰變壓器的投入對(duì)負(fù)荷側(cè)造成100 V左右的電壓降。圖4（b）和（c）分別是融冰變壓器Tdice-2延遲0.1 s投運(yùn)和融冰變壓器Tdice-1延遲0.1 s投運(yùn)情況下的負(fù)荷側(cè)電壓波形，兩者波形相似，均表現(xiàn)為負(fù)荷側(cè)電壓分2次跌落100 V?？梢?jiàn)，2臺(tái)融冰變壓器非同步投入對(duì)負(fù)荷側(cè)電壓沒(méi)有額外的影響。

圖3 線路A相電流波形

圖4 開(kāi)關(guān)B-1和B-4非同步操作對(duì)負(fù)荷側(cè)電壓的影響

4 結(jié)論

通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了配網(wǎng)線路不停電融冰方法的有效性，得出以下結(jié)論：

（1）融冰過(guò)程中線路覆冰段的電流顯著升高，超過(guò)該線路1 h融冰電流，在設(shè)置了無(wú)功補(bǔ)償后線路末端穩(wěn)態(tài)電壓控制在9.5 kV以上。

（2）在線路覆冰段的首端或末端設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償能對(duì)線路電壓提供有效支撐，建議在安裝融冰變壓器的同時(shí)配套安裝相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，以減少線路改造的工作量。

由于高電壓等級(jí)的大范圍有載調(diào)壓變壓器制造成本過(guò)高，文中提出的融冰方案適用于35 kV以下、覆冰周期較長(zhǎng)的山區(qū)線路，但不適用于有分支線路的配網(wǎng)線路。

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（本文編輯：方明霞）

A Non-outage De-icing Method of Distribution Lines

YANG Shaojie1，GAO Yibo2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China；2.Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

A non-outage de-icing method of distribution lines is proposed.By lowering operating voltage of the iced distribution lines and increasing the current of the iced lines，the ice is melted by heat.A pair of widerange on-load tap changer transformers are connected in series with both terminals of the iced lines through switches.By adjustment of the two transformers，the operating voltage of the iced lines is lowered to ensure voltage stability at the load terminal.A simulation model of non-outage deicing system of distribution lines is established based on PSCAD platform to simulate and analyze line deicing under different operating conditions；besides，the various reactive power compensation schemes are compared to provide voltage support for lines.In the end，the application scenario of the scheme is expounded.

non-outage deicing；deicing transformer；distribution line；reactive power compensation

TM752+.5

B

1007-1881（2016）11-0014-04

2016-08-30

楊少杰（1978），男，工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行與控制等方面的研究工作。