超/特高壓輸電線路帶電直流融冰方法

羅日成，潘俊文，劉化交，鄒德華，俞乾

（1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙，410114；2. 國網(wǎng)湖南省電力公司婁底供電公司，湖南 婁底，417000；3. 國網(wǎng)湖南省電力公司帶電作業(yè)中心，湖南 長沙，410100；4. 國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電公司，湖南 永州，425000）

超/特高壓輸電線路帶電直流融冰方法

羅日成1，潘俊文1，劉化交2，鄒德華3，俞乾4

（1. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙，410114；2. 國網(wǎng)湖南省電力公司婁底供電公司，湖南 婁底，417000；3. 國網(wǎng)湖南省電力公司帶電作業(yè)中心，湖南 長沙，410100；4. 國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電公司，湖南 永州，425000）

為了解決架空線路傳統(tǒng)融冰方法需停電作業(yè)的問題，對采用分裂導線的超/特高壓輸電線路提出一種帶電直流融冰方法，并進行現(xiàn)場試驗驗證。以二分裂導線和絕緣間隔棒架設的超高壓輸電線路為研究對象，利用ATP軟件建立融冰電路的仿真模型，分析融冰電源的獲取途徑、安裝位置和功率選取問題，以及融冰段內(nèi)的直流電流對外部電路的影響。研究結(jié)果表明：三相橋式半控（全控）整流和直流發(fā)電機是獲取融冰電源的有效途徑；直流融冰電源裝置安裝在融冰區(qū)段中間位置最理想；融冰段內(nèi)的直流電流不會流出融冰回路，對融冰區(qū)段外部線路電壓和電流幅值及波形不產(chǎn)生任何影響，確保融冰線路在帶負荷融冰過程中的正常、穩(wěn)定運行，克服現(xiàn)有融冰方法中不能帶電融冰的局限性。

分裂導線；帶電；直流融冰；融冰回路

近年來，受全球極端氣候的頻繁影響，電網(wǎng)覆冰災害呈增多加劇的趨勢。我國疆域遼闊，一旦輸電線路嚴重覆冰就可能引起重大的電力故障而造成大面積停電［1-5］。輸電線路在覆冰情況下桿塔載荷加重，考慮到冬季伴有大風，在風速影響下，超出標準載荷的輸電線路會因為出現(xiàn)舞動而產(chǎn)生一系列破壞性影響，例如桿塔倒塌、輸電線路斷線等惡劣事故［6-10］。如果事故發(fā)生在荒郊野外，大雪封山、公路冰封致使搶修異常困難，將造成長時間停電，從而對國民經(jīng)濟產(chǎn)生重大損失。因此，對超/特高壓輸電線路采取及時有效的融冰策略［11-15］是減少事故、確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有效途徑。目前，關(guān)于輸電線路融冰的方法［16-20］很多，我國南方電網(wǎng)對輸電線路的融冰方法大體上歸為 3類［1］：交流三相短路融冰法、過電流融冰法和直流加熱輸電線路融冰法［6-7］。交流三相短路融冰對系統(tǒng)的沖擊較大，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；過電流融冰僅適合短距離的輸電線路融冰；直流融冰因其電源容量通常比交流融冰電源容量小［21-22］而備受青睞，但現(xiàn)有的直流融冰技術(shù)仍存在局限性。例如陸佳政等［8］提出的特高壓直流輸電線路分段直流融冰方案，其最大的局限是融冰過程必須停電作業(yè)，無法保證電網(wǎng)的供電可靠性。宋潔瑩等［9］提出的直流不停電融冰技術(shù)對220 kV及以上電壓等級的超/特高壓輸電線路因容量不足而無法用于實際工程，所以，研究新型帶電融冰方案具有重大意義。本文作者對采用分裂導線的超/特高壓輸電線路提出一種帶電直流融冰方法。利用ATP軟件，對采用二分裂導線的超高壓輸電線路建立仿真模型，并對該模型下的升壓站母線電壓、降壓站母線電壓以及融冰段內(nèi)、外的電壓和電流進行觀測；最后用現(xiàn)場試驗的方法模擬輸電線路融冰的升溫過程。

1 融冰原理

1.1 直流融冰回路構(gòu)成原理

該融冰方法主要針對采用分裂導線和用絕緣間隔棒架設的超/特高壓輸電線路。利用分裂導線各相子導線電位相等的原理，將分裂導線的子導線（或者是子導線的組合）、直流融冰電源和短路棒構(gòu)成直流融冰回路，利用直流電流和線路負荷電流共同對融冰段內(nèi)的導線加熱，進而達到融冰的目的。為說明問題方便，以采用二分裂的輸電線路為例，其融冰回路構(gòu)成原理如圖1所示，設L1和L2分別為輸電線路某一相（本文以C相為例）所對應的2根子導線，AB和EF是2根良導體制成的短路棒，安裝在需要融冰段的兩端，主要起引渡直流電流的作用。為了防止融冰電流流出融冰回路，短路棒的電阻率要求越小越好。C和D 2點分別聯(lián)接直流融冰電源的正負電極，D-A-B-C-D構(gòu)成1個直流回路，D-F-E-C-D構(gòu)成另1個直流回路。對采用四分裂導線的輸電線路而言，融冰回路的構(gòu)成與二分裂導線略有不同，如圖2所示，L1，L2，L3和L4為輸電線路某一相所對應的4根子導線，將L1和L2并聯(lián)，L3和L4并聯(lián)，把并聯(lián)后的2段（L1和L2構(gòu)成1段，L3和L4構(gòu)成1段）用2根短路棒串聯(lián)起來，再將直流融冰電源連接到融冰段的中間位置。圖1和圖2所示分別為二分裂、四分裂輸電線路單相融冰回路的構(gòu)成原理圖，若要實現(xiàn)三相輸電線路同時融冰，則只要將A，B相與C相線路融冰電路搭建方式相同即可。

圖1 直流融冰回路原構(gòu)成原理圖Fig.1 Principle diagram of DC ice-melting circuit

1.2 直流融冰電源

1.2.1 融冰電源的獲取

圖2 四分裂導線直流融冰回路構(gòu)成Fig.2 Diagram of DC melting ice circuit with four-bundled conductor

直流融冰電源的獲取有2種方案［23-27］：1） 利用三相橋式半控（或全控）硅整流獲取；2） 通過直流發(fā)電機獲取。利用三相橋式半控（或全控）硅整流獲取直流融冰電源的原理如圖3所示，融冰段內(nèi)的融冰電流由負載電流i1，整流橋入口端交流電流i2和整流橋輸出端的直流電流i3的一半（i3/2） 3部分構(gòu)成，與傳統(tǒng)停電融冰方案相比，本文提出的融冰方法充分利用了線路負荷電流的作用，可較大程度地降低融冰電源的容量（功率）、減小融冰裝置體積和質(zhì)量。

圖3 直流融冰電源裝置原理圖Fig.3 Principle diagram of power source of DC ice-melting system

1.2.2 融冰電源可行性原理

以直流發(fā)電機（正常工作時輸出的直流電壓設為U1）作為融冰電源、以二分裂導線的交流輸電線路為例進行說明。直流發(fā)電機放置在地面上，在非工作狀態(tài)下，其各部分對地電勢均為0 V，在工作狀態(tài)下，其正極性端對地電勢為U1；現(xiàn)假設把1臺直流發(fā)電機放在1個Acos（314t+ θ） V的交變等電勢面上，那么這臺發(fā)電機仍能正常工作，且它正極性端的對地電勢變?yōu)椋踀1+Acos（314t+θ）］ V。對220 kV輸電線路而言，其單相線路上的對地電勢為179.6cos（314t+θ） kV，每相線路所對應的2根子導線之間等電位，且將它看成等勢面，若直流發(fā)電機在非工作狀態(tài)則使其正、負電極分別與2根子導線相連，如圖1所示。發(fā)電機或整流橋一旦工作就會有直流電流沿著融冰回路D-A-B-C-D和D-F-E-C-D流動，且直流電流不會流出融冰回路外部。

2 帶電直流融冰方案的實施

2.1 融冰方案的實施步驟

該方案的實現(xiàn)主要包括以下步驟：1） 安裝絕緣間隔棒。嚴格地說，這一步驟應該在輸電線路架設時就應該事先安裝好，它的主要作用是使融冰線路檔距內(nèi)的分裂子導線相互絕緣。2） 確定融冰距離。根據(jù)災情的不同，可以對重災區(qū)進行優(yōu)先融冰，同時，融冰距離決定了融冰電源的功率。3） 根據(jù)融冰電流的影響因素，例如風速、環(huán)境溫度和覆冰厚度等因素確定融冰電流、融冰電源的功率等參數(shù)。

按照以上步驟，用ATP軟件對該方案進行仿真分析，仿真參數(shù)如下：1） 以某一電壓等級的二分裂輸電線路為原型；2） 輸電線路導線的型號為LGJ-300/40，總長度取為220 km，假設該線路覆冰段長度為20 km；3） 用 RLC串聯(lián)電路模擬負載；4） 分裂導線間距為400 mm。

220 kV二分裂輸電線路采用的導線型號一般為LGJ-300/40型導線，其單位長度電阻為92.11 m?/km，建立的仿真模型如圖4所示。圖4中，R1i=R4i=9.2 ?（i取1～6）分別代表2段100 km的非融冰線路的電阻，R2i=R3i=0.92 ?（i取1～6）分別等效2段10 km的融冰線路的電阻。

圖4 融冰模型Fig.4 Ice-melting model

2.2 融冰電流的選取

對線路進行融冰時，應確定輸電線路的臨界融冰電流和最大允許電流［25-27］。臨界融冰電流是指通過融冰線路（單根子導線）上的電流在當時的環(huán)境下可以使覆冰融化的最小電流；最大允許電流是指在融冰過程中允許線路達到最高溫度（90 ℃）時所通過的電流；保線電流是指導線的溫度在冰點以上使輸電線路不覆冰的最小電流。

表 1所示為當環(huán)境溫度為-5 ℃、覆冰厚度為10 mm、風速為5 m/s時，常見型號導線的最小直流融冰電流［27］和最大允許電流。

表1 常用導線的最小直流融冰電流和最大允許電流Table 1 Minimum DC ice-melting current and maximum current of typical lines A

由表1可知：該模型的融冰電流（單根子導線上的電流）可在731.8～1 419.6 A內(nèi)任意選擇，該區(qū)間內(nèi)的電流既可滿足融冰的需求又不會因為線路上的電流過大而破壞線路的物理特性。

2.3 融冰時間與融冰電流的關(guān)系

融冰時間是融冰電流的非線性函數(shù)，即融冰時間T是電流I2的單調(diào)減函數(shù)［27］。表2所示為在環(huán)境溫度為-5 ℃、覆冰厚度為10 mm、風速為5 m/s情況下，典型導線的融冰時間與融冰電流的關(guān)系。

表2 典型導線的融冰時間與融冰電流的關(guān)系Table 2 Relationships between ice-melting time and deicing current of typical lines

由表1和表2可知：取該模型運行電流為600 A，即單根子導線上的交流電流為300 A（有效值），單根子導線上融冰電流（直流電流和交流負荷電流疊加后的有效值）為900 A進行仿真。

2.4 融冰容量的選擇

在圖4所示的仿真模型中，需要確定融冰距離為20 km時直流融冰電源提供的有功功率。一般而言，220 kV輸電線路滿負荷運行時的載流量約為2 kA，此時需要的直流融冰電流最??；但在實際運行中，輸電線路上的電流只有幾百A，在夜間用電低谷期線路幾乎空載，為了配置適當?shù)娜诒娫?，?所示為當線路的運行電流（交流）為100 A時，不同融冰電流（直流和交流疊加后的有效值）所對應的融冰電源輸出功率。

表3 融冰電流與融冰電源輸出功率的關(guān)系Table 3 Relationships between ice-melting current and capacity of DC source

3 仿真分析與結(jié)果

為了分析直流融冰電流是否會流到融冰回路外部而造成非融冰段的電壓發(fā)生偏移，升壓站母線上的出線不止1回，為了明確對其中某一回出線進行融冰操作時直流電流對其他出線電壓質(zhì)量的影響，需對升壓站母線上電壓波形進行觀測；另一方面，用戶端的電壓不能出現(xiàn)太大的偏移，否則會影響用戶的用電質(zhì)量，所以，也需要對降壓站母線上的電壓波形進行觀測。升壓站母線端的電壓波形如圖5所示，降壓站母線上的電壓波形如圖6所示。

由圖5和圖6可知：融冰段內(nèi)的直流融冰電流不會造成升壓站母線上的電壓畸變或偏移，因此，其他出線上的電能不會受直流融冰電流的影響。同時，降壓站的電能也不會受到影響。

圖5 升壓站母線電壓波形Fig.5 Waveform of voltage on step-up substration bar

圖6 降壓站母線電壓波形Fig.6 Waveform of voltage on step-down substration bar

若進行單相融冰操作，則需要對融冰段內(nèi)的電壓電流波形進行觀測，一方面是為了確保融冰電流介于臨界融冰電流和最大融冰電流之間；另一方面，直流融冰電流會使融冰段內(nèi)部的電壓抬高，需要對融冰段內(nèi)電壓波形進行觀測，看其是否會引起線路的絕緣問題。當單相帶負荷融冰時，融冰段內(nèi)電流的波形如圖7所示，融冰段內(nèi)的電壓（相電壓）波形如圖8所示。若三相同時帶負荷融冰時，則不需要觀測融冰段內(nèi)的電壓波形，因為每段融冰線路內(nèi)部電壓被抬高的程度相同，相間電壓（線電壓）保持不變。

圖7中：ic為融冰段內(nèi)的電流波形；ia和ib分別為同一位置處非融冰相（A相和B相）的電流波形。由圖7可知：融冰段內(nèi)的電流明顯高于非融冰段的電流，且融冰段內(nèi)的電流可以在臨界電流和最大融冰電流之間任意調(diào)節(jié)，能夠滿足融冰需要。

圖7 融冰過程中電流波形Fig.7 Waveform of current in ice-melting period

圖8 融冰過程中電壓波形Fig.8 Waveform of voltage in ice-melting period

圖8中：Uc為融冰段內(nèi)的電壓波形，Ua和Ub分別為同一位置處非融冰相（A相和B相）電壓波形。由圖8可知：當融冰段內(nèi)部的電流達到900 A左右時，融冰段內(nèi)部的電壓沒有出現(xiàn)明顯的抬高現(xiàn)象。對圖8中波形的波峰進行放大，如圖8中右上角所示，融冰段內(nèi)的正弦電壓波形整體向上平移了0.79 kV，相對于220 kV而言，被抬高的這部分電壓顯得很小。在通常情況下，高壓、超高壓輸電線路為了防止操作過電壓帶來的絕緣問題，相鄰的相與相之間留有一定的絕緣裕度，所以，這部分抬高的電壓仍然在絕緣安全的裕度以內(nèi)。

圖9所示為直流融冰電源出線端的電流波形和2根短路棒上的電流波形。由圖9可以看出：直流融冰電源出線端的電流在每一時刻恰好等于短路棒1上的電流和短路棒2上的電流之和，當融冰電源接在融冰段的中間位置時，短路棒1上的電流波形和短路棒2上的電流波形完全一致（重合）。由此可知：融冰電源的理想安裝位置是融冰線路的中間位置，這樣可使 2個融冰回路內(nèi)的電流相等，達到盡可能同時結(jié)束融冰的目的；直流融冰電源提供的直流融冰電流只會在融冰回路內(nèi)部流動（圖1中箭頭所示方向），不會流出融冰回路；即使有少量直流融冰電流沿著線路逆向流入母線，也會沿該相輸電線路的另一根子導線注入融冰電源的負極，且這部分電流小到可忽略不計。

圖9 短路棒上的電流波形Fig.9 Waveforms of current on short-circuit bar

4 現(xiàn)場實驗

為進一步了解直流融冰電流的融冰效果以及對用戶電能質(zhì)量的影響，對輸電線路融冰的升溫過程進行模擬實驗，實驗原理如圖10所示。

圖10中：T1為模擬升壓站的主變壓器；T2為融冰變壓器；T3為模擬降壓站的主變壓器。380 V的電壓經(jīng)升壓變壓器T1變?yōu)?0 kV后接到母線上，再通過輸電線路傳送到降壓站，降壓站母線上10 kV的電壓經(jīng)過降壓變壓器T3變?yōu)?80 V供給用戶，用1臺額定電壓為380 V的電動機模擬負載。融冰變壓器T2主要起降壓作用，為整流橋輸送交流電。融冰變壓器 T2和整流橋安裝在絕緣架上。將圖10所示的原理圖連接成現(xiàn)場實物圖，在試驗過程中慢慢調(diào)節(jié)整流橋觸發(fā)角，從而控制整流橋的直流輸出電壓，隨著直流融冰電流的增大，用來支撐融冰相輸電線路的小木條由于融冰電流的作用而冒煙，繼續(xù)調(diào)節(jié)整流橋的觸發(fā)脈沖角可看到小木條因溫度過高而燒糊，在此過程中，非融冰相的輸電線路沒有任何異?，F(xiàn)象，模擬負載的電動機始終正常運行。表4所示為整個升溫過程中不同時刻電動機AC相電壓的有效值。

圖10 現(xiàn)場試驗原理圖Fig.10 Principle of field test

表4 負載電壓與融冰電流之間的關(guān)系Table 4 Relationship between ice-melting current and load voltage

由表4可知：在整流橋輸出端電壓從0～100 V的過程中，測量負載電壓的電壓表指針基本沒有變化，驗證了帶電融冰時直流融冰電流對用戶的正常供電不會造成負面影響。

在實際工程應用中，為了使融冰過程能夠安全進行，對絕緣支架的高度有不同的要求。若用瓷質(zhì)材料作為絕緣支架的材料，則對110 kV輸電線路融冰時，絕緣支架的高度不應低于1.2 m；對500 kV輸電線路融冰時，絕緣支架的高度不應低于2 m，總而言之，電壓等級越高，絕緣支架的高度也越高，在實際工程中這容易做到。

5 結(jié)論

1） 融冰回路內(nèi)部的直流融冰電流不會流出融冰回流，對融冰區(qū)段外部線路電壓和電流的幅值及波形不產(chǎn)生任何影響。

2） 直流融冰電源最好安裝在融冰區(qū)段的中間位置，使融冰線路上的電流處處相等，達到2個融冰回路盡可能同時結(jié)束融冰的效果。

3） 通過對直流融冰電源電壓的控制可實現(xiàn)對融冰電流的控制從而控制融冰時間。

4） 該方法適用于所有帶絕緣間隔棒且采用分裂導線架設的交直流高壓、超高架空線路的融冰；但對采用分裂導線架設的直流輸電線路而言，融冰電源無法從本線路直接獲取，直流發(fā)電機可作為融冰電源的有效備選方案之一。

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（編輯 劉錦偉）

A living DC ice-melting approach for UHV&EHV transmission lines

LUO Richeng1， PAN Junwen1， LIU Huajiao2， ZOU Dehua3， YU Qian4

（1. School of Electrical and Information Engineering， Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114， China；2. Loudi Electric Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Company， Loudi 417000， China；3. Live Working Center of State Grid Hunan Electric Power Company， Changsha 410100， China；4. Yongzhou Electric Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Company， Yongzhou 425000， China）

In order to solve the problem of traditional deicing technologies requiring power failure when transmission lines are extremely accumulated by ice， an energized direct current （DC） ice-melting solution was proposed for high voltage （EHV） or ultra high voltage （UHV） transmission lines which used bundled conductors， and a field test was conducted. Taking a UHV transmission line with two-bundle conductors and insulating spacer as an example， the simulation model of ice-melting circuit was established by ATP software， and the problems of ice-melting power，installation position， power selection and the effects of DC current in the ice-melting period on the external circuit were analyzed. The results show that the three-phase half controlled bridge rectifier （full control） and DC generators areeffective ways to obtain ice-melting power. The most ideal position of installing power supply device is the middle of ice-melting section. DC ice-melting current of melting-circuits will not flow outside， which has no effect on the amplitude and waveform of exterior line voltage and current. The method ensures the normal and stable operation in the ice-melting process with load， and overcomes the limitations existing in ice-melting methods which can not energized ice melting.

bundled conductors； energized； DC ice melting； ice-melting circuit

TM75

A

1672-7207（2016）05-1551-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.014

2015-06-30；

2015-09-24

國家自然科學基金資助項目（50977003）；電力與交通安全監(jiān)控及節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心基金資助項目（2010#03）（Project（50977003） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project（2010#03） supported by the Power and Traffic Safety Monitoring and Energy Saving Engineering Research Center of Ministry of Education Fund Code）

羅日成，博士（后），副教授，從事電力系統(tǒng)過電壓、電力設備絕緣在線監(jiān)測與故障診斷、電力設備狀態(tài)評價與風險評估等研究；E-mail：

luorich@126.com