交流輸電系統(tǒng)直流融冰裝置設(shè)計及其應(yīng)用

王 森

烏海電業(yè)局輸電管理處

交流輸電系統(tǒng)直流融冰裝置設(shè)計及其應(yīng)用

王 森

烏海電業(yè)局輸電管理處

在輸電線路融冰安全運行保障中，融冰技術(shù)包括機械除冰法、被動除冰法以及熱力融冰法，在熱力融冰法中，直流融冰技術(shù)是最為理想、最為有效的融冰技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛。對此，本文首先介紹了輸電線路覆冰的原因及危害，然后對輸電線路直流融冰技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探究，以期促進(jìn)其在輸電線路安全運行中的應(yīng)用，保障電力系統(tǒng)在冬季覆冰狀態(tài)下依然能夠安全可靠的運行。

交流輸電系統(tǒng)；直流融冰；裝置設(shè)計；應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，輸電線路冬季覆冰是十分嚴(yán)重的自然災(zāi)害。輸電線路在冰雪的影響下，會造成供電中斷，甚至?xí)l(fā)電網(wǎng)解列等事故。輸電線路融冰修復(fù)難度較大，而且周期比較長，因此，輸電線路融冰已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全運行的難點，對輸電線路融冰技術(shù)進(jìn)行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 直流融冰裝置及過流保護(hù)存在的問題

不同電壓等級輸電線路對融冰電流的需求不同，因此適用于不同電壓等級覆冰線路的直流融冰裝置也有所不同。其中，由兩個三相橋式整流電路串聯(lián)構(gòu)成的12脈動整流器在高壓及超高壓輸電線路的直流融冰中應(yīng)用最為廣泛。而高壓或超高壓輸電線路融冰時所需的整流電壓較高，需配備專門供線路融冰使用的換流變壓器。因此，本文以其為研究對象，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于直流融冰裝置兩個換流變的二次側(cè)分別為角接和星接，為便于說明，簡記圖1中位于上方的三相橋式整流電路及與之連接的換流變?yōu)镈橋電路，位于下方的三相橋式整流電路及與之連接的換流變?yōu)閅橋電路。

圖1 12脈動直流融冰裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了對直流融冰裝置重要一次設(shè)備形成區(qū)域性保護(hù)，實現(xiàn)保護(hù)功能清晰化、區(qū)域化，需要對直流融冰裝置進(jìn)行保護(hù)分區(qū)。分區(qū)的原則是對重要一次設(shè)備形成區(qū)域性重點保護(hù)，以該區(qū)域一側(cè)或兩側(cè)電氣量構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。直流融冰裝置可以分成以下四個保護(hù)區(qū)：交流保護(hù)區(qū)、換流變保護(hù)區(qū)、換流器保護(hù)區(qū)、直流線路保護(hù)區(qū)。

交流保護(hù)區(qū)由換流變網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)區(qū)域構(gòu)成，主要包含常規(guī)交流保護(hù)。換流變保護(hù)區(qū)為圖1中紅色實線框內(nèi)區(qū)域，包含變壓器縱聯(lián)差動保護(hù)等保護(hù)，主要保護(hù)換流變。換流器保護(hù)區(qū)為圖1中綠色實線框區(qū)域，包含閥短路保護(hù)、過流保護(hù)和接地過流保護(hù)等保護(hù)，主要保護(hù)換流閥元件。直流線路保護(hù)區(qū)由融冰線路區(qū)域構(gòu)成，主要包含橫差保護(hù)等保護(hù)。各種保護(hù)原理相互配合構(gòu)成一個完善的保護(hù)配置系統(tǒng)，保證直流融冰裝置安全可靠運行。融冰裝置中每個被保護(hù)元件一般同時位于幾種保護(hù)原理的保護(hù)范圍內(nèi)，每種保護(hù)的動作的故障條件可能不同，但是一旦元件出現(xiàn)故障，各種保護(hù)原理都將按照動作邏輯有選擇性的判定故障，保護(hù)元件的安全。

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(yán)格地說，這一步驟應(yīng)該在輸電線路架設(shè)時就應(yīng)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(dǎo)線相互絕緣。2)確定融冰距離。根據(jù)災(zāi)情的不同，可以對重災(zāi)區(qū)進(jìn)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(fēng)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(jìn)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(dǎo)線的型號為LGJ-300/40，總長度取為220km，假設(shè)該線路覆冰段長度為20km；3)用RLC串聯(lián)電路模擬負(fù)載；4)分裂導(dǎo)線間距為400mm。

2.2 融冰電流的選取

對線路進(jìn)行融冰時，應(yīng)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(dǎo)線)上的電流在當(dāng)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(dá)到最高溫度(90℃)時所通過的電流；保線電流是指導(dǎo)線的溫度在冰點以上使輸電線路不覆冰的最小電流。

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)。在環(huán)境溫度為-5℃、覆冰厚度為10mm、風(fēng)速為5m/s情況下，典型導(dǎo)線的融冰時間與融冰電流的關(guān)系。

2.4 融冰裝置類型

直流融冰裝置一般又可以被分為兩種，即固定式直流融冰裝置以及移動式融冰裝置。其中，固定式直流融冰裝置在實際應(yīng)用中所需電能是由變電站所提供的，其是由晶閘管閥、控制保護(hù)設(shè)備換流變壓器、交直流濾波器等設(shè)備所構(gòu)成的。另外，移動式融冰裝置的應(yīng)用原理固定式基本相同，均通過晶閘管整流器整流，從而獲得直流電壓，對覆冰線路末端進(jìn)行短接，并且采用兩相或三相作為負(fù)載，為輸電線路提供熱量。

2.5 直流供電電源結(jié)構(gòu)

在直流融冰裝置中，電源是十分重要的組成部分，為了保證直流融冰裝置的正常使用功能，要求電源必須具備較高的穩(wěn)定性，并且易于控制。通過上文可見，在直流融冰過程中，會產(chǎn)生較大電流，而這一電流也會超過單整流設(shè)備所能承受的極限，因此，可以選用整流橋并聯(lián)方式以提高直流融冰裝置的安全性能。對于晶閘管整流器并聯(lián)，現(xiàn)如今主要有三種形式，即雙6脈沖電路、12脈沖電路以及雙12脈沖電路。通過實踐研究分析，雙6脈沖電路在實際運行過程中，能夠直接并聯(lián)觸發(fā)，因此可控性比較高，而且安全可行。

直流融冰裝置的保護(hù)原理及方案對設(shè)備安全可靠運行發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其中，換流器過流保護(hù)的保護(hù)范圍為換流器保護(hù)區(qū)和直流線路保護(hù)區(qū)。然而，由于直流融冰裝置特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)換流變閥側(cè)保護(hù)區(qū)發(fā)生接地故障時，非故障相會出現(xiàn)過電流，且能夠被電流互感器檢測到這一過流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?lián)Q流器過流保護(hù)誤動作。通過大量的仿真試驗驗證所設(shè)計保護(hù)方案的可行性。

[1] 田中.淺談直流融冰技術(shù)在超高壓輸電線路中的相關(guān)應(yīng)用分析[J].文摘版:工程技術(shù),2015(19):121-121.

[2] 陳夫.110kV及以上輸電線路直流融冰的安全控制技術(shù)研究[J].科技研究,2014(09):36-37.

[3] 向往,譚艷軍,陸佳政,等.交直流輸電線路熱力融冰技術(shù)分析[J].電力建設(shè),2014(08):101-107.