安徽地區(qū)超高壓輸電線路融冰技術(shù)方案分析

高 燃，楊 兵，于和林，趙曉山，束 暢，王法治

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

安徽地區(qū)超高壓輸電線路融冰技術(shù)方案分析

高 燃，楊 兵，于和林，趙曉山，束 暢，王法治

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

安徽地區(qū)氣候多變，存在形成輸電線路覆冰的條件。介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)輸電線路融冰技術(shù)的現(xiàn)狀，闡述了各種融冰技術(shù)的原理，分析了不同融冰技術(shù)的優(yōu)劣和適用條件，得出基于固定式直流融冰技術(shù)的固定式可控硅整流兼具SVC功能的直流融冰裝置，較為適合目前安徽地區(qū)的超高壓輸電線路融冰的結(jié)論。

覆冰；交流融冰；直流融冰；超高壓電網(wǎng)

0 引言

架空輸電線路覆冰災(zāi)害是電力系統(tǒng)重大自然災(zāi)害之一。覆冰會(huì)造成電力線路機(jī)械荷載過(guò)載、絕緣子閃絡(luò)、導(dǎo)線舞動(dòng)、桿塔倒塌、線路跳閘，甚至引起電網(wǎng)瓦解的嚴(yán)重事故。國(guó)內(nèi)外的融冰方法很多，從原理上可以分為熱力融冰、機(jī)械除冰和自然除冰。超高壓輸電線路由于跨越距離遠(yuǎn)、線路弧垂大、線路所在地區(qū)地形復(fù)雜等原因，使得機(jī)械除冰和自然除冰很難進(jìn)行。因此，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)距離輸電線路普遍采用熱力融冰的技術(shù)，即利用焦耳效應(yīng)，通過(guò)電流加熱覆冰導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)除冰的技術(shù)。以下介紹常用熱力融冰技術(shù)，通過(guò)闡述其原理，比較其優(yōu)劣和適用條件，選擇出適用于安徽地區(qū)超高壓輸電線路的融冰技術(shù)方案。

1 交流融冰技術(shù)分析

交流融冰是采用交流電流產(chǎn)生的熱量融化線路覆冰的技術(shù)。交流融冰技術(shù)可以分為交流帶負(fù)荷融冰和交流短路融冰2類。

1.1 交流帶負(fù)荷融冰

常用的交流帶負(fù)荷融冰有調(diào)度過(guò)電流融冰、無(wú)功電流融冰、移相變壓器融冰、高頻高壓激勵(lì)融冰4種，以下逐一進(jìn)行介紹。

(1) 調(diào)度過(guò)電流融冰。調(diào)度過(guò)電流融冰是在保持線路運(yùn)行的情況下，通過(guò)科學(xué)合理的規(guī)劃制定調(diào)度方案，通過(guò)轉(zhuǎn)移改變線路上的潮流，達(dá)到增大覆冰線路上負(fù)荷從而實(shí)現(xiàn)融冰的目的。但是，由于500 kV線路融冰電流較高，如典型的LGJ－4×400四分裂導(dǎo)線的臨界融冰電流在3 300 A左右，利用調(diào)度調(diào)整難以達(dá)到，因此該方式一般用于220 kV及以下的電網(wǎng)。

(2) 無(wú)功電流融冰。在不改變負(fù)荷的情況下，將線路兩端分別用并聯(lián)電抗器和電容器來(lái)增加無(wú)功電流，以此來(lái)發(fā)熱融冰。例如，在電源端裝設(shè)補(bǔ)償電容器作為無(wú)功電源，在線路負(fù)荷端裝設(shè)可調(diào)電感調(diào)節(jié)無(wú)功功率。增大線路的無(wú)功電流使線路發(fā)熱，達(dá)到融冰目的。但是電網(wǎng)無(wú)功功率的流向復(fù)雜，以目前的技術(shù)難以很好地控制；同時(shí)，該方法對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響較大，故很少使用。

(3) 移相變壓器融冰。在平行雙回線路的一回路中接入移相變壓器，通過(guò)改變移相角度，改變兩回線中潮流分布，增加其中一回線路的電流，從而達(dá)到融冰的目的。但是此方法操作過(guò)程中增加了系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需要，會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全造成一定的影響。

(4) 高頻高壓激勵(lì)融冰。冰的導(dǎo)電性能很差，但是在高頻電流下，冰是一種有損耗的電介質(zhì)，可以產(chǎn)生焦耳熱。高頻高壓激勵(lì)融冰就是使用高壓高頻電流，利用集膚效應(yīng)使其在覆冰表面流通，使覆冰本身發(fā)熱從而消融。但是由于高頻電磁波會(huì)干擾通信、產(chǎn)生諧波，而且覆冰較薄的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，削弱高頻波的傳播，阻止功率到達(dá)覆冰較厚的區(qū)域等原因，高頻高壓激勵(lì)融冰法的應(yīng)用受到了一定限制。

1.2 交流短路融冰

交流短路融冰法是通過(guò)合理安排交流三相線路的短路方式，將融冰線路的一端三相短路，在另一端提供融冰電源，以較大短路電流(控制在導(dǎo)線最大容許電流范圍以內(nèi))加熱導(dǎo)線，使依附在導(dǎo)線上的冰融化。在實(shí)際融冰工作中有零起升流融冰法和全電壓沖擊合閘融冰法。

(1) 零起升流融冰。零起升流融冰法一般先將線路短路，由發(fā)電機(jī)和變壓器帶線路零起升流，或者由發(fā)電機(jī)直接帶線路零起升流。前者因?yàn)檎鬯愕桨l(fā)電機(jī)側(cè)的電流較大，需要的發(fā)電機(jī)容量大，很難操作；后者的短路電流較小，不易達(dá)到融冰電流，因此零起升流融冰法只適合于融冰電流較小的輸電線路，500 kV線路不適合該方法。

(2) 全電壓沖擊合閘融冰。全電壓沖擊合閘融冰是根據(jù)融冰電流及短路電流大小選取合適的短路回路阻抗進(jìn)行融冰。由于這種方法對(duì)系統(tǒng)沖擊較大，可能影響電網(wǎng)穩(wěn)定，因此關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是維持正常運(yùn)行電壓水平。采用全電壓沖擊合閘融冰需要同時(shí)滿足2個(gè)條件：一是系統(tǒng)需要能夠提供高于臨界融冰電流的短路電流；二是電網(wǎng)需具備一定無(wú)功儲(chǔ)備。所以通常采用低一級(jí)的電壓對(duì)高一級(jí)的線路實(shí)施該方法。對(duì)于需要融冰電流很大且同時(shí)需要系統(tǒng)提供大量無(wú)功的500 kV輸電線路，以及采用大截面分裂導(dǎo)線的220 kV輸電線路，因系統(tǒng)無(wú)法提供融冰所需無(wú)功功率，均不適合使用該方法。

2 直流融冰技術(shù)分析

2.1 直流融冰原理

直流融冰是將交流電源通過(guò)大容量電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)化為直流，進(jìn)而加熱一定長(zhǎng)度的覆冰線路達(dá)到融冰的目的。當(dāng)高壓輸電線路直流電流產(chǎn)生的熱量大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和時(shí)，高壓輸電線路覆冰就會(huì)融化，直流融冰系統(tǒng)如圖1所示。

直流融冰在裝置上可分為固定式直流融冰裝置和移動(dòng)式直流融冰裝置2類，在整流方式上可分為晶閘管可控硅整流和二極管不控整流2種。固定式直流融冰裝置由變電站提供電源，主要由換流變壓器、整流器、濾波器以及控制保護(hù)設(shè)備等組成。有的直流融冰裝置還兼具SVC(高壓靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償)功能。移動(dòng)式融冰裝置的基本原理同固定式融冰裝置相同，唯一的區(qū)別是移動(dòng)式的融冰裝置較固定式體積小，能夠用平板車拖動(dòng)。

圖1 直流融冰系統(tǒng)示意

當(dāng)融冰電源由系統(tǒng)提供時(shí)，覆冰線路通過(guò)換流變壓器T、整流器R接入交流系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示。由于是三相線路覆冰，因此覆冰線路有2種接線方式，如圖2(a)和圖2(b)所示。圖2(a)所示的直流融冰方式I是將覆冰線路A，C兩相末端短接，再將A，C兩相接入整流器的2個(gè)輸出端，該融冰方式可以同時(shí)對(duì)A，C兩相進(jìn)行融冰。圖2(b)所示的直流融冰方式Ⅱ是將覆冰線路A，B，C三相末端短接，A，B兩相導(dǎo)線并接后接入整流器的一個(gè)輸出端，并將C相導(dǎo)線接入整流器另一個(gè)輸出端，該接線方法只可對(duì)C相單相進(jìn)行融冰。因此三相線路融冰可按照直流融冰方式Ⅱ，三相分3次融冰；也可以按照直流融冰方式I先對(duì)兩相線路進(jìn)行融冰，再按照直流融冰方式Ⅱ?qū)α硗庖幌喔脖€路進(jìn)行融冰，因此只需2次。

2.2 直流融冰裝置設(shè)計(jì)原則

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。直流融冰方案從技術(shù)上可適應(yīng)于各級(jí)電壓等級(jí)的不同導(dǎo)線截面的線路。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用條件可以采用不同形式、不同容量的直流融冰裝置，具體如下。

(1) 對(duì)于500 kV交流線路，在中心變電站安裝固定式直流融冰裝置，以連接500 kV交流線路進(jìn)行融冰。

(2) 對(duì)于220 kV和110 kV交流線路，根據(jù)各區(qū)域交流線路長(zhǎng)度和導(dǎo)線截面的統(tǒng)計(jì)情況，優(yōu)化后配置幾種型號(hào)的站間移動(dòng)式融冰裝置。

(3) 2 MW發(fā)電車移動(dòng)直流融冰裝置重量太重、體積太大，適用性不強(qiáng)，但特殊情況下，可以考慮在35 kV及以下交流線路中使用。

圖2 直流融冰原理

2.3 直流融冰的優(yōu)點(diǎn)

(1) 直流融冰所需電源容量比交流融冰小的多，考慮損耗和轉(zhuǎn)換效率，直流融冰所需容量是交流融冰所需系統(tǒng)容量的1/5左右。

(2) 直流融冰所需電壓遠(yuǎn)低于交流融冰，從而降低了融冰時(shí)覆冰絕緣子閃絡(luò)的可能性。

(3) 由于直流電壓和電流僅跟線路的電阻有關(guān)，線路在直流融冰時(shí)，不需要系統(tǒng)提供大量無(wú)功，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此直流融冰可應(yīng)用于長(zhǎng)距離、多分裂導(dǎo)線的超高壓輸電線路上。

2.4 SVC直流融冰的實(shí)用性

由于冰災(zāi)持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生頻度小，若直流融冰設(shè)備僅作為融冰裝置使用，則造成了設(shè)備資源的閑置、浪費(fèi)。但若采用具備SVC裝置的直流融冰裝置，在輸電線路沒有融冰需求時(shí)，可將其作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置使用，功能相當(dāng)于常規(guī)的SVC裝置，為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，降低阻尼系統(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限和輸送能力。此外，SVC直流融冰裝置可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路類型、覆冰狀況、氣象條件等因素，通過(guò)控制晶閘管閥組觸發(fā)角，控制直流融冰電流，以維持線路穩(wěn)定的最佳融冰溫度。因此，SVC直流融冰裝置對(duì)不同長(zhǎng)度、不同類型線路適應(yīng)性較好，并且兼容了SVC功能，提高了設(shè)備的使用效率。

2.5 直流融冰的不足

國(guó)內(nèi)主網(wǎng)線路融冰方案體系的建設(shè)，特別是直流融冰的廣泛應(yīng)用，能基本解決主網(wǎng)線路的融冰問(wèn)題，但仍存在以下問(wèn)題。

(1) 對(duì)于近幾年出現(xiàn)的大截面導(dǎo)線，因其融冰需要提供較大的融冰電流，目前仍有部分線路沒有合適的融冰方案。

(2) 固定式直流融冰裝置過(guò)于龐大，而移動(dòng)式直流融冰裝置體積也較大，使用時(shí)也不便移動(dòng)，無(wú)法覆蓋多個(gè)廠站，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)大規(guī)模覆冰災(zāi)害。

3 安徽超高壓線路融冰方案

根據(jù)以上分析，由于交流帶負(fù)荷融冰方式的融冰電流不足，同時(shí)交流短路融冰對(duì)系統(tǒng)影響較大且需要大容量的無(wú)功功率，故不適應(yīng)于500 kV交流超高壓線路的融冰。對(duì)于直流融冰，由于安徽地區(qū)每年的覆冰災(zāi)害在可預(yù)測(cè)范圍內(nèi)且相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)覆冰點(diǎn)相較湖南、湖北等地區(qū)較少，故固定式直流融冰完全能夠滿足安徽地區(qū)的融冰需要，且移動(dòng)式直流融冰裝置容量有限，無(wú)法兼作SVC作為系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償，故選擇固定式可控硅整流兼具SVC功能的直流融冰裝置作為安徽地區(qū)超高壓輸電線路的融冰技術(shù)方案。

目前安徽地區(qū)的首臺(tái)超高壓線路融冰裝置已開始動(dòng)工建設(shè)。該裝置采用直流六脈動(dòng)晶閘管可控硅整流，同時(shí)兼具SVC功能，為無(wú)換流變TCR型兼作SVC的固定式直流融冰裝置。其融冰額定輸出容量80 MW，額定輸出直流電壓20 kV，電壓輸出范圍1-25 kV，額定直流電流4 000 A，直流電流輸出范圍500-4 000 A；其SVC模式的輸出無(wú)功范圍為-120 Mvar(感性)至+180 Mvar(容性)，且對(duì)系統(tǒng)無(wú)諧波影響。此裝置建成后，將為安徽地區(qū)超高壓線路的覆冰災(zāi)害治理提供技術(shù)保證。

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2015-12-06；

2016-06-01。

高 燃(1988-)，男，工程師，主要從事變電檢修方面的工作，email：2896006619@qq.com。

楊 兵(1984-)，男，工程師，主要從事變電運(yùn)維工作。

于和林(1981-)，男，本科，主要從事繼電保護(hù)檢修工作。

趙曉山(1980-)，男，本科，主要從事變電檢修及相關(guān)工作。

束 暢(1987-)，男，工程師，主要從事變電檢修及相關(guān)工作。

王法治(1989-)，男，工程師，主要從事輸電檢修及相關(guān)工作。