500kV 變電站固定式直流融冰裝置研究及應(yīng)用

朱春良 周鵬杰

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌330096）

1 課題背景及研究的目的和意義

對(duì)于500kV 及以上電壓等級(jí)的敷冰線路，直流融冰法具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。國(guó)家電網(wǎng)公司《輸電線路電流融冰技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，500kV 交流輸電線路不宜采用交流融冰方法，應(yīng)優(yōu)先配置固定式直流融冰裝置，不宜采用移動(dòng)式直流融冰裝置，如果變電站有無(wú)功需求時(shí)，可以配置兼作無(wú)功補(bǔ)償功能的融冰裝置。因此,對(duì)于500kV 線路融冰，建議采取在變電站內(nèi)建設(shè)大功率直流融冰裝置建設(shè)方案。

2 變電站融冰參數(shù)計(jì)算

輸電線路直流電流產(chǎn)生的熱量必須大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和導(dǎo)線覆冰才能融化。這就要求融冰電流需滿足熱平衡方程式

算出500kV 常用的4×LGJ400 型導(dǎo)線所需的融冰電流約為4kA，220kV 常用的2×LGJ300 所需的融冰電流約為1.69kA。

羅坊變是江西500kV 電網(wǎng)最重要的樞紐變電站之一。按500kV 線路融冰電流4000A、220kV 線路融冰電流1.69kA 對(duì)羅坊變的出線所需要的融冰容量進(jìn)行了計(jì)算，羅坊變?nèi)诒b置最大需要65MW。

3 基于全控器件可調(diào)節(jié)融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

羅坊變電站設(shè)計(jì)的融冰裝置直流融冰最大容量60MVA。新設(shè)計(jì)的融冰裝置直流融冰最大容量60MW。其中17 個(gè)模塊單元通過(guò)接觸器來(lái)控制投切模塊的數(shù)量來(lái)控制直流輸出電壓，每個(gè)模塊的容量為3.5MVA，不可調(diào)節(jié)，而基于全控器件的一個(gè)模塊中的全控器件用作斬波調(diào)壓開(kāi)關(guān)管，功率在0～3.5MVA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)0～60MW/0～15kVdc 全范圍的直流融冰連續(xù)可調(diào)。

在不進(jìn)行融冰時(shí)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償，提高裝置利用率。對(duì)無(wú)功補(bǔ)償容量的控制與融冰工作時(shí)容量控制方法相同，其中18個(gè)模塊單元通過(guò)復(fù)合開(kāi)關(guān)來(lái)控制投切模塊的數(shù)量來(lái)控制無(wú)功補(bǔ)償容量的大小，每個(gè)模塊的無(wú)功容量為3.5MVar，不可調(diào)節(jié)，而基于全控器件的一個(gè)SVG 模塊在0～3.5MVar 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)0～60MVar 全范圍的無(wú)功補(bǔ)償連續(xù)可調(diào)。

（1）主拓?fù)潆娐?/h3>

為了實(shí)現(xiàn)快速融冰，融冰時(shí)線路將通過(guò)較大的直流電流。同時(shí)，融冰電源的電壓應(yīng)當(dāng)能在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以便可以滿足不同長(zhǎng)度線路的融冰要求而不需要進(jìn)行阻抗匹配。裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，變流器部分包含不可控（二極管）整流單元和1 套四象限全控整流單元。變電站35kV 交流電源經(jīng)過(guò)特殊的降壓變壓器（共有18 個(gè)低壓繞組）降壓后，進(jìn)入融冰單元。融冰額定功率60MVA，無(wú)功補(bǔ)償容量60MVar。裝置做直流融冰時(shí)，17 組不可控整流器和1 組四象限整流器的直流母線串聯(lián)，可輸出直流電壓15kV，電流4kA；作電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償用時(shí)，一組由IGBT 構(gòu)成的三相四象限整流器根據(jù)指令向電網(wǎng)發(fā)出感性或容性無(wú)功電流，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

直流電壓大小可通過(guò)改變串聯(lián)的整流橋數(shù)量進(jìn)行改變，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)四象限整流器直流電壓進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)電壓全范圍調(diào)整。

（2）單元模塊結(jié)構(gòu)

兼具無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜诒b置有兩種規(guī)格模塊。一種模塊是由不可控器件二極管組成的整流單元。另一種模塊是由全控器件IGBT 與不可控器件二極管組合的全范圍可調(diào)整流單元，如圖1所示。

圖1 裝置可控單元電氣原理圖

4 基于整流變及十二脈波二極管融冰裝置設(shè)計(jì)

本方案為目前電網(wǎng)融冰中采用的較為成熟的一種方案，裝置利用變電站35kV 電源作為輸入，通過(guò)融冰整流變壓器將35kV 通過(guò)降壓后接入二極管整流閥，通過(guò)二極管整流閥整流將交流變成直流，再經(jīng)融冰方式切換刀閘將整流部件輸出的正負(fù)極施加到融冰線路的A、B、C 三相進(jìn)行融冰，整流變壓器低壓側(cè)兩個(gè)繞組不同的接線方式，使兩個(gè)六脈波整流器各自輸出電壓相位相差30°，通過(guò)兩個(gè)整流器的串聯(lián)或并聯(lián)，抵消輸出直流電壓中的六脈動(dòng)紋波，達(dá)到輸出十二脈波的目的，提高了輸出電壓的直流性能。同時(shí)在閥組交流側(cè)，輸入電流中6k±1 次諧波互相抵消，使得交流側(cè)僅含有12k±1 次諧波，電流諧波含量大大減少，通過(guò)整流變壓器的濾波，可以將整流變壓器網(wǎng)測(cè)的諧波控制在規(guī)程規(guī)定的諧波含量范圍以內(nèi)。二極管整流控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，整流可靠性高，采用風(fēng)冷散熱方式，裝置造價(jià)低、體積小，且故障率低，運(yùn)行可靠，故障檢測(cè)方便，融冰成功率高。

圖2 整流變+十二脈波二極管整流原理圖

裝置由直流融冰部件、感應(yīng)電壓抑制部件、融冰刀閘、串并聯(lián)切換刀閘、輸出融冰方式切換刀閘、內(nèi)部連接導(dǎo)體等構(gòu)成。二極管直流融冰部件由融冰整流變壓器、整流器組成，通過(guò)對(duì)輸入35kV 電源的降壓、整流，能夠?qū)崿F(xiàn)交流向直流的轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，還具有諧波治理、控制保護(hù)、測(cè)量監(jiān)控功能。

由于變電站主變低壓側(cè)為35kV，因此整流變壓器交流輸入電壓為35kV，同時(shí)變壓器設(shè)計(jì)多種檔位以滿足不同線路的融冰需求。

5 220kV 線路融冰試驗(yàn)

220kV 羅渝Ⅰ線線路全長(zhǎng)18.864km，共55 基桿塔，全線與220kV 羅渝Ⅱ線共塔，導(dǎo)線使用2*LGJ-300/25。

整流變采用第7 檔位（2305V），整流器采用兩橋并聯(lián)，融冰方式為兩相串聯(lián)，融冰電流約1594A，融冰順序先A 相串聯(lián)B相，再B 相串聯(lián)C 相，整流裝置輸出直流電壓通常為1.1 倍～1.4倍交流輸入電壓有效值，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可取1.25 倍經(jīng)核實(shí)均滿足融冰電流要求。

5.1 保護(hù)整定原則

融冰前，需核對(duì)低壓側(cè)母線過(guò)流保護(hù)及主變低壓側(cè)保護(hù)定值單，交流過(guò)流速動(dòng)和交流過(guò)流延時(shí)需優(yōu)先考慮上級(jí)主變保護(hù)和35kV 母線保護(hù)，不得越限。

融冰前需將羅渝Ⅰ線退出母線母差保護(hù)范圍，避免母差保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)退出羅渝Ⅰ線相關(guān)其他保護(hù)。

5.1.1 交流速動(dòng)段電流整定

按躲過(guò)勵(lì)磁涌流整定，可取融冰裝置額定交流輸入電流的4-6 倍進(jìn)行整定，動(dòng)作時(shí)間可取0-0.3s，以6 倍額定電流計(jì)算為例：

Isd≥6×Ie/NCT

采用56.36MVA 整流變壓器時(shí)，額定交流輸入電流為929.6A，則速動(dòng)段保護(hù)定值為Isd =6×929.6A/（2000/1）=2.789A，取Isd=2.789A，時(shí)間t=0s；

5.1.2 交流限時(shí)段電流整定

時(shí)間按躲過(guò)勵(lì)磁涌流衰減時(shí)間整定（要求不能越限主變35kV 后備三側(cè)保護(hù)），可取0.6s-1.2s。

按躲過(guò)融冰時(shí)整流變高壓側(cè)最大負(fù)荷電流，并校核低壓側(cè)故障動(dòng)作靈敏度，取融冰裝置額定交流輸入電流的1.2 倍進(jìn)行整定。計(jì)算公式如下：

采用56.36MVA 整流變壓器時(shí)，額定交流輸入電流為929.6A，則限時(shí)段保護(hù)定值為Ixs=1.2×929.6A/（2000/1）=0.557A，取Ixs=0.557 A，時(shí)間t=1.2s；

5.1.3 直流電流保護(hù)整定

按躲過(guò)融冰裝置所能允許的最大直流電流的1.2 倍整定。羅坊變?nèi)诒b置額定直流輸出電流為4000A，直流保護(hù)定值：

融冰裝置總電流Izs=4000×1.2=4800A

融冰裝置A 橋電流Izs1=2000×1.2=2400A

融冰裝置B 橋電流Izs2=2000×1.2=2400A

5.2 融冰流程與效果

觀察直流融冰裝置各部位運(yùn)行情況及溫度，監(jiān)測(cè)裝置直流輸出電壓、輸出電流，羅渝Ⅰ線A、B 相直流融冰工作已開(kāi)始，監(jiān)視站內(nèi)融冰回路設(shè)備、直流融冰裝置運(yùn)行狀況，線路沿線觀測(cè)點(diǎn)與站內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)視線路A、C 相溫升與脫冰情況，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀冰人員觀測(cè)到線路覆冰基本脫落后，申請(qǐng)羅渝Ⅰ線直流融冰工作結(jié)束并恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。