發(fā)電機(jī)帶線路融冰方式分析與計(jì)算

陳賢軍，肖高美

（湖南省東江水力發(fā)電廠，湖南 資興 423403）

0　引言

輸電線路冰災(zāi)是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的威脅之一，2008年那場給我們帶來身心傷害的冰災(zāi)記憶猶新，由于積雪的重壓和嚴(yán)重的結(jié)冰，很多輸電線路無法正常送電，造成電網(wǎng)大范圍破壞，經(jīng)濟(jì)損失無可估量。當(dāng)線路有融冰需求時(shí)就要第一時(shí)間搶在冰災(zāi)對整體線路造成重大損失前采取融冰措施。目前融冰方式有交流融冰方式與直流融冰方式。發(fā)電機(jī)帶線路融冰屬于交流融冰方式，其基本原理是改變電流的原始正常輸電路徑，將線路一端特意造成短路，另一端由發(fā)電機(jī)提供融冰交流電源，利用短路過程產(chǎn)生的大量熱能 (控制在導(dǎo)線最大允許電流范圍之內(nèi))把附在線路上的積冰融化。

1　發(fā)電機(jī)帶線路融冰情況分析

發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器帶融冰線路融冰一般有直接零起升壓和帶電壓沖擊合閘兩種方案。零起升壓方式簡單易操作，適合所需融冰電流較小時(shí)。若融冰線路需要提供較大的電流，折算到變壓器低壓側(cè)時(shí)電流可能超過單機(jī)的額定電流，那么單機(jī)滿足不了融冰需求，就需要幾臺(tái)機(jī)組帶一條線路來融冰了。此時(shí)就需要幾臺(tái)機(jī)組并列至融冰母線后再向線路沖擊合閘，若采用全電壓沖擊，可能造成一次設(shè)備損壞，所以只能同步緩慢調(diào)整勵(lì)磁電流，將融冰母線電壓從額定降至某一電壓后，合上線路斷路器，對短路點(diǎn)進(jìn)行沖擊合閘了。待機(jī)組穩(wěn)定后，將幾臺(tái)機(jī)組同步増磁，提高融冰電壓，增大融冰電流至所需電流值。

融冰線路的終端三相短路接地，發(fā)電機(jī)組融冰時(shí)用某一電壓向融冰線路進(jìn)行沖擊，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)短路過程，由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)。暫態(tài)過程需考慮機(jī)組、線路、主變、電流互感器、勵(lì)磁變等電力設(shè)備能承受的電流值。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，可以通過增加勵(lì)磁電流提高融冰電壓直至所需融冰電流值。短路電流波形圖如圖1所示，短路電流由周期分量和非周期分量組成，周期分量決定了穩(wěn)態(tài)短路電流的數(shù)值，非周期分量是衰減的直流分量，非周期分量的初始值（最大值）與短路發(fā)生瞬間負(fù)荷電流大小有關(guān)，最大情況發(fā)生在負(fù)荷電流為零而短路電流周期分量為最大值時(shí)發(fā)生短路。短路電流的實(shí)際波形為最初偏向時(shí)間軸一側(cè)，并逐漸衰減為穩(wěn)態(tài)周期分量，其最大值發(fā)生在短路后約半個(gè)周波瞬時(shí)。

圖1　短路電流波形圖

2　發(fā)電機(jī)帶線路融冰方式選擇

采用沖擊合閘法沖擊時(shí)電壓低機(jī)組穩(wěn)不住，沖擊電壓高造成沖擊電流過大損壞系統(tǒng)設(shè)備。選擇沖擊電壓時(shí)只能從較小電壓開始往上加，直到融冰機(jī)組能夠穩(wěn)住。這樣又會(huì)導(dǎo)致機(jī)組、主變等設(shè)備受到多次沖擊。因此，只有分析計(jì)算選擇合理沖擊電壓，一次性成功，才能既保證融冰時(shí)機(jī)組穩(wěn)定輸出融冰電流又避免對系統(tǒng)設(shè)備造成不能承受的沖擊。另一方面融冰機(jī)組數(shù)量的選擇也有著重要的影響。下面以某水電廠的融冰情況為例進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1　某廠融冰一次接線（圖2）

圖2　某水電廠融冰一次接線圖

2.2　發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備參數(shù)（表1）

表1　某水電廠發(fā)電機(jī)參數(shù)

變壓器當(dāng)前運(yùn)行變比為235.95 kV/13.8 kV，短路阻抗0.128Ω，線路電流互感器變比為800 A/5 A。

2.3　測試勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)方式下最低自維持電壓

為驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)方式下最低自維持電壓，在2號機(jī)空載情況下進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)錄波圖如圖3所示。

圖3中UAB為機(jī)端電壓，UFD為轉(zhuǎn)子電壓，IFD為轉(zhuǎn)子電流。

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)端最低自維持電壓為1 400 V，即約為額定電壓的10%?？紤]到機(jī)組之間的差異與可靠性，計(jì)算時(shí)機(jī)端最低電壓取額定電壓的12%，即1 656 V。

圖3　機(jī)端最低自維持電壓測試錄波圖

合閘瞬間最低勵(lì)磁電流計(jì)算：勵(lì)磁變變比為13 800 V/700 V，機(jī)端電壓12%時(shí)，勵(lì)磁變輸出電壓為84 V，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器最小控制角按20°計(jì)算，此時(shí)所能輸出最大轉(zhuǎn)子電壓為：Ud＝1.35×84×cos20°＝106.6 V；轉(zhuǎn)子電阻0.275 Ω，運(yùn)行時(shí)按額定轉(zhuǎn)子電壓與額定轉(zhuǎn)子電流考慮：R＝360/1 112＝0.32 Ω；此時(shí)能輸出的最大轉(zhuǎn)子電流為Id＝106.6/0.32＝333 A；勵(lì)磁變電流輸出：I＝333×0.816＝272 A，勵(lì)磁變額定電流為1 319.7 A，此時(shí)勵(lì)磁電流滿足融冰需求。

2.4　機(jī)組數(shù)量選擇

當(dāng)機(jī)組向融冰線路沖擊，沖擊電壓越高，機(jī)組穩(wěn)態(tài)電壓越高，越易穩(wěn)定，但電壓越高線路電流越大，線路電流一般短時(shí)應(yīng)不超過1 000 A（額定800 A），當(dāng)線路電流達(dá)到800～1 000 A時(shí)，折算到機(jī)組側(cè)電流 為800×235.95/13.8=13678A，1000 ×235.95/13.8=17 098 A，機(jī)組額定電流6 508 A，兩臺(tái)機(jī)額定電流之和為6 508×2=13 016 A＜13 678 A，3臺(tái)機(jī)額定電流之和6 508×3=19 524 A＞17 098 A。

由兩臺(tái)機(jī)融冰方式也曾做過試驗(yàn)。由2、4號機(jī)組在空載情況下并列后同時(shí)向線路輸送融冰電流，同時(shí)在方案中將融冰電流控制在相應(yīng)安全范圍內(nèi)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)雙機(jī)方式下機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)不足以支撐住機(jī)端電壓，造成機(jī)端電壓不斷下降，機(jī)組失磁后跳滅磁開關(guān)，圖4為雙機(jī)方式下沖擊電壓最高的試驗(yàn)波形圖。

從圖4中可以看出，合閘時(shí)的機(jī)端電壓達(dá)到4 700 V，機(jī)端電壓在線路開關(guān)合上后一直下降，最后低于勵(lì)磁系統(tǒng)最低同步電壓，造成機(jī)組失磁。沖擊瞬間機(jī)組定子電流已經(jīng)達(dá)到6 376 A，接近機(jī)組額定定子電流6 508 A，如再升高電壓進(jìn)行試驗(yàn)，沖擊瞬間將對機(jī)組的安全不利，因此不能采用雙機(jī)方式，考慮電廠必須一臺(tái)機(jī)變單元帶廠用電，所以只能采用三機(jī)方式試驗(yàn)。三機(jī)方式下沖擊試驗(yàn)見圖5。

圖4　雙機(jī)方式下沖擊試驗(yàn)的波形圖

圖5　三機(jī)方式下沖擊試驗(yàn)的波形

從圖5可見，機(jī)端電壓最低值為1 100 V，比最低同步電壓略低，經(jīng)過運(yùn)行人員對3臺(tái)機(jī)同時(shí)增磁，機(jī)端電壓維持在最低同步電壓之上，機(jī)端電壓穩(wěn)定在1 500 V。轉(zhuǎn)子電壓和機(jī)端電壓的擺動(dòng)幅度大幅降低。至此，融冰沖擊試驗(yàn)成功。

3　發(fā)電機(jī)帶線路融冰沖擊電壓計(jì)算

3臺(tái)發(fā)電機(jī)帶線路融冰電路圖見圖6，其等效圖見圖7。

以某實(shí)際融冰方式為例進(jìn)行計(jì)算，某方式下融冰線路阻抗34.4 Ω，融冰電壓48 kV。

發(fā)電機(jī)次暫態(tài)參數(shù)折算至變壓器側(cè)：0.177×150/155.6=0.1706

圖6　3臺(tái)發(fā)電機(jī)帶線路融冰電路圖

圖7　等效電路圖

發(fā)變組次暫態(tài)阻抗：0.1706+0.128=0.2986，有名值：0.2986×230×230/150=105 Ω

發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)折算至變壓器側(cè)：0.927×150/155.6=0.894

發(fā)變組次暫態(tài)阻抗：Xd〃=0.894+0.128=1.022，有名值：1.022×230×230/150=360 Ω

假設(shè)3臺(tái)機(jī)并列至融冰母線時(shí)，220 kV融冰母線電壓從正常運(yùn)行時(shí)的230 kV降至90 kV時(shí)合上線路開關(guān)。

暫態(tài)短路電流：90000/（105/3+34.7）/1.732=745A

母線暫態(tài)電壓：1.732×745×34.7=44.8 kV

機(jī)組暫態(tài)電壓：44.8+(1.732×745×0.128×230×230/150)/3=60 kV/(235.95/13.8)=3.51 kV

穩(wěn)態(tài)短路電流：90000/（360/3+34.7）/1.732=336A

母線穩(wěn)態(tài)電壓：1.732×336×34.7=20 kV

機(jī)組穩(wěn)態(tài)電壓：20+(1.732×336×0.128×230×230/150)/3=28.7 kV/（235.95/13.8）=1.68 kV

機(jī)組穩(wěn)態(tài)電壓大于最低自維持電壓1 656 V，說明此沖擊電壓下機(jī)組能穩(wěn)住，穩(wěn)定后增磁提高融冰電壓至48 kV，至此融冰成功。

4　結(jié)語

我國是輸電線路敷冰較為嚴(yán)重的國家之一，嚴(yán)重敷冰導(dǎo)致輸電線路機(jī)械和電氣性能急劇下降，威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。在實(shí)際工作中我們必須摸索和積累經(jīng)驗(yàn)，分析發(fā)電機(jī)帶線路融冰的本質(zhì)特征，通過計(jì)算選擇合適的融冰方式，保障電網(wǎng)與設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家電力調(diào)度中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，1999：13.