基于不接地配電網(wǎng)的零序電流在線融冰技術(shù)

楊芳，唐小亮，周亞兵，賓潑，侯宇凝，李達(dá)義

(1．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511518；2．強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

2008年初，受到低溫降雪天氣的影響，我國(guó)南方地區(qū)遭受了史無前例的冰災(zāi)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，此次冰災(zāi)造成500 kV交直流倒塔678基，停運(yùn)輸電線路119條，220 kV交直流倒塔432基，停運(yùn)輸電線路343條[1-3]，使得電網(wǎng)大面積陷入癱瘓之中。自2008年后，輸電線路融冰技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有融冰技術(shù)雖然已經(jīng)取得了一定的成效，但是尚無可不停電融冰的工程先例，仍然以交流短路融冰和直流短路融冰為主[4]，有必要設(shè)計(jì)出一種不停電融冰裝置，進(jìn)一步減少融冰期間造成的停電問題，提高電網(wǎng)可靠性，減少經(jīng)濟(jì)損失。

粵北山區(qū)是2008年冰災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其特殊的地理位置使得春冬季節(jié)時(shí)有凍雨天氣出現(xiàn)，架空電力線路易覆冰，威脅冰區(qū)設(shè)備、電網(wǎng)、供電安全，而現(xiàn)有融冰裝置主要用于線路相對(duì)較長(zhǎng)的主網(wǎng)線路，完善配電網(wǎng)線路除冰手段是亟需解決的關(guān)鍵問題。目前的配電網(wǎng)線路融冰方法存在融冰操作復(fù)雜、長(zhǎng)度短且需線路停電等問題，有必要開展架空線路在線融冰新技術(shù)研究，解決上述問題。

1 國(guó)內(nèi)外融冰技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓輸電線路的覆冰監(jiān)測(cè)進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究，目前，國(guó)內(nèi)外除冰技術(shù)有30余種，主要?jiǎng)澐譃?類：交流短路融冰法、直流融冰法、機(jī)械破冰法以及其他新型除冰法[5]。

1.1 交流短路融冰技術(shù)

1976年以后，中國(guó)和加拿大Manitoba水電局一直采用短路電流融冰。1993年加拿大Manitoba水電局就已經(jīng)開展了交流短路融冰，截至目前，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里線路融冰。交流短路融冰是將融冰短接線裝在輸電線路的某一點(diǎn)上，再利用中壓配電裝置對(duì)線路輸送融冰電流，并依靠短路電流產(chǎn)生的熱量融化線路上的覆冰。圖1所示為交流短路融冰技術(shù)原理，其中“(3)”表示末端三相短路。

圖1 交流融冰技術(shù)Fig.1 AC ice melting technology

交流短路融冰方法可以充分利用集膚效應(yīng)加速融冰，并且可以直接采用系統(tǒng)電源作為融冰電源，操作簡(jiǎn)單，成本較低，目前是大部分地區(qū)的首選融冰方式。但是，該方法的不足之處是隨著電壓等級(jí)升高，電源的無功容量需求過大，一般只適用于220 kV及以下電壓等級(jí)線路的融冰作業(yè)[6]。

1.2 直流短路融冰技術(shù)

直流短路融冰技術(shù)通過換流裝置將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，并對(duì)覆冰線路加熱，使得線路覆冰融化。圖2所示為直流短路融冰方法原理。

圖2 直流融冰技術(shù)Fig.2 DC ice melting technology

直流電流在流經(jīng)輸電線路時(shí)不產(chǎn)生無功功率[7]，并且線路電阻遠(yuǎn)小于電抗，只有換流裝置需要消耗無功；因此對(duì)電壓等級(jí)相同的融冰電源來說，直流電源比交流電源輸出更大的融冰電流。直流融冰技術(shù)由于沒有引入大量無功，不需要大容量的無功補(bǔ)償裝置，但是需要可靠的整流裝置，操作不便。

1.3 機(jī)械除冰技術(shù)

機(jī)械除冰技術(shù)是指通過人工或者機(jī)器使導(dǎo)線表面覆冰脫落，以此達(dá)到除冰的目的，具體是通過使用自動(dòng)機(jī)械裝置產(chǎn)生的動(dòng)力來破壞線路上的冰體，從而使得覆冰從線路上脫落。機(jī)械除冰主要包括4種方式——人工除冰、滑輪鏟刮法、強(qiáng)力振動(dòng)法和機(jī)器人除冰。圖3所示為人工除冰現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 人工除冰技術(shù)Fig.3 Artificial de-icing technology

人工除冰需要人員現(xiàn)場(chǎng)操作并執(zhí)行，且需要視冰層的厚度選擇不同的工具。當(dāng)需要停電融冰時(shí)，可以通過竹竿敲打法等多種手工除冰方法[8]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是方便易用，但是效率不高且安全性極差。

1.4 高頻激勵(lì)融冰技術(shù)

McCurdy J.D.等人于20世紀(jì)末提出了高頻激勵(lì)融冰技術(shù)。高頻激勵(lì)融冰雖然也屬于熱力融冰的范疇，但在原理上又有一定的區(qū)別。當(dāng)對(duì)覆冰導(dǎo)線產(chǎn)生1個(gè)高頻交變電流時(shí)，冰會(huì)成為有損的電介質(zhì)，高頻電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行反復(fù)極化，同時(shí)流經(jīng)導(dǎo)線的高頻電流也會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生焦耳熱[9-12]。圖4所示為高頻激勵(lì)融冰技術(shù)原理。研究表明，電介質(zhì)在進(jìn)行高頻加熱時(shí)，其單位體積吸收的熱功率

H=(1.33fpsE2εrtanδ)×10-13.

(1)

式中：fps為高頻激勵(lì)電源的頻率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；tanδ為電介質(zhì)損耗角度的正切值。

該方法雖能耗低，但是過高的頻率會(huì)對(duì)公共空間造成嚴(yán)重的電磁干擾，選擇合適的頻率十分重要，目前主要停留在理論研究階段。此外，陸續(xù)出現(xiàn)了利用化學(xué)涂料防冰、智能機(jī)器人除冰、微波加熱霧滴等的融冰和防冰技術(shù)，但是很多也都停留在理論階段[13-15]。

圖4 高頻激勵(lì)融冰示意圖 Fig.4 Schematic diagram of high-frequency excitation ice melting

以上融冰技術(shù)都有獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)，但始終無法解決融冰時(shí)的停電問題。為此，本文設(shè)計(jì)了接地變壓器與可調(diào)電抗器相配合的在線融冰系統(tǒng)，在線路末端通過避雷線構(gòu)成零序回路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器的電抗大小來實(shí)現(xiàn)融冰電流可控，以及融冰期間線路不停電。

2 在線融冰原理

在配電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相之間的線電壓保持不變，僅三相對(duì)地電壓發(fā)生變化，可以帶負(fù)載持續(xù)運(yùn)行2 h[16]，而當(dāng)線路達(dá)到臨界融冰電流時(shí)，完成融冰僅需要1 h，基于此可以實(shí)現(xiàn)不停電融冰。根據(jù)電力系統(tǒng)各元件的零序等值電路，變壓器二次側(cè)以及負(fù)載側(cè)均為三角形連接，無法構(gòu)成零序回路，因此零序回路只能在圖5所示的零序融冰回路中流通。通過智能轉(zhuǎn)換刀閘，在非融冰期間，線路為非有效接地方式運(yùn)行，在融冰期間，智能刀閘切換至零序電抗一體裝置。本文通過接地變壓器與可調(diào)電抗器相配合，并通過避雷線或大地作為零序電流的回路，融冰時(shí)對(duì)負(fù)載側(cè)不產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)不停電融冰。

導(dǎo)線所需的融冰電流隨著線徑增大而上升，因此需要計(jì)算出當(dāng)可調(diào)電抗器處于某一檔位時(shí)的在線融冰電流數(shù)值，比較當(dāng)前檔位的融冰電流數(shù)值與融冰線路的臨界融冰電流的大小，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器的檔位來改變阻抗大小，在不超過線路在覆冰期間允許的最大融冰電流的條件下，調(diào)節(jié)至滿足所需融冰電流Im，即

圖5 基于零序電抗裝置的不停電融冰示意圖Fig.5 Schematic diagram of uninterrupted power ice melting based on zero-sequence reactor

(2)

式中：USYS為系統(tǒng)相電壓有效值；ZL為每相線路阻抗；ZB為避雷線阻抗；ZGR為接地變壓器阻抗；Za為可調(diào)電抗器的阻抗。圖6所示為線路融冰電流隨導(dǎo)線型號(hào)變化曲線。

圖6 線路融冰電流變化曲線Fig.6 Ice melting current curves

2.1 融冰電流計(jì)算

在實(shí)際融冰工程中，融冰電流并不是任意數(shù)值均可，需要在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，需要通過確定可調(diào)電抗器的阻抗來確定融冰電流[17]，且融冰電流必須大于臨界融冰電流；同時(shí)，在保證融冰速度的條件下，不得超過線路允許的最大容許電流。導(dǎo)線脫冰前的最大容許電流

(3)

式中：R90為導(dǎo)線在90 ℃時(shí)的電阻；tout為外界溫度；v為風(fēng)速，單位為m/s；D為冰層直徑，單位為cm；Σd為輻射系數(shù)，冰取0.64，霜取0.32，銅取0.6，鋁取0.11，鐵取0.25。

臨界融冰電流也叫最小融冰電流，是指保持導(dǎo)線溫度在0 ℃以上，剛好不使導(dǎo)線處于覆冰狀態(tài)時(shí)的最小電流。此時(shí)，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱與輻射散熱、對(duì)流消耗等消耗的熱量相互平衡，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：Ic為導(dǎo)線電流；R0為0 ℃時(shí)單位長(zhǎng)度導(dǎo)線電阻；t1為導(dǎo)線不結(jié)冰的溫度，一般取t1=2 ℃。

在實(shí)際工程中，無法精確測(cè)量出導(dǎo)線的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在導(dǎo)線周圍環(huán)境因素變化不大的條件下，最大容許融冰電流和最小融冰電流也基本不變。因此，在融冰工程中，各導(dǎo)線型號(hào)的融冰電流可以見表1[18]。

表1 幾種導(dǎo)線的最大和最小融冰電流Tab.1 The maximum and minimum ice melting currents of several wires

由表1可以看出：最小融冰電流與最大融冰電流之間相差幾百安，實(shí)際工程中只需要調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器使得融冰電流在該區(qū)間內(nèi)即可。由于融冰作業(yè)對(duì)精度要求不高，在實(shí)際工程中對(duì)照表1選取融冰電流即可，可根據(jù)實(shí)際所需的融冰時(shí)間來調(diào)節(jié)融冰電流，電流數(shù)值越大，融冰時(shí)間越短。

2.2 導(dǎo)線覆冰動(dòng)態(tài)模型

針對(duì)覆冰從導(dǎo)線上的脫落條件，Valgas和Bejan對(duì)1個(gè)冰套筒在水平加熱圓柱體上的接觸融冰問題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，表明若覆冰形狀為圓形截面，此時(shí)融冰時(shí)間與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系為[19]

(5)

式中：t為融冰時(shí)間，單位為s；ρi為冰的密度，單位為kg/m3；Lf為冰的融化熱，單位為J/(kg·K)；cpi為冰的比熱容；tice為冰面溫度；Vmelt為融冰體積，單位為m3；Rc為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線電阻；Psol、Pc、Ps分別為日光、對(duì)流和輻射傳熱功率，單位為W。

3 在線融冰實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 基于Maxwell 3D的融冰電流仿真

為了更為準(zhǔn)確地驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)中在線融冰裝置的作用，采用ANSYS軟件，基于實(shí)際接地變壓器模型建模。為了驗(yàn)證本裝置在極端工況下的工作情況，對(duì)10 kV配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行仿真分析，選取線路參數(shù)為：導(dǎo)線型號(hào)LGJ-95，長(zhǎng)度1.5 km；主變壓器8 000 kVA；前端負(fù)載4 000 kVA；末端負(fù)載20 kVA。線路正常工作時(shí)，末端線路電流僅為1 A左右，而導(dǎo)線LGJ-95的線路融冰電流則需要達(dá)到300 A以上，因此，此次仿真驗(yàn)證在極端工況下的融冰效果。圖7所示為依據(jù)實(shí)際尺寸所搭建的接地變壓器模型，圖8所示為接地變壓器激勵(lì)電壓和電流曲線，圖9所示為Z型接地變壓器接線圖。

圖7 接地變壓器1/4模型Fig.7 Ground transformer model

圖8 接地變壓器激勵(lì)電壓、電流Fig.8 Excitation voltage and current of ground transformer

圖9 Z型接地變壓器接線圖Fig.9 Z-typed ground transformer wiring diagram

在工程設(shè)計(jì)中，往往根據(jù)變壓器的尺寸以及繞組的匝數(shù)半徑等參數(shù)估算系統(tǒng)的零序阻抗X0[20]，

(7)

式中：fs為電力系統(tǒng)頻率；Wh1為被計(jì)算的漏磁繞組的高壓線圈匝數(shù)；Hd為橫向漏磁等效高度，單位為cm；r1為高壓線圈平均半徑，單位為cm；p1為橫向漏磁洛氏系數(shù)；K為高壓線圈漏磁組數(shù)；a1為高壓線圈電抗寬度。

根據(jù)Z型接地變壓器的接線圖，分析其磁路聯(lián)系，得到如圖10的向量圖[21]。其中：a1、a2表示高壓側(cè)A相上下繞組，b1、b2表示高壓側(cè)B相上下繞組，c1、c2表示高壓側(cè)C相上下繞組。

圖10 Z型接地變壓器向量圖Fig.10 Vector diagram of Z-typed ground transformer

接地變壓器每柱的2個(gè)線圈(高壓內(nèi)外線圈)正序電流有120°的相角差，零序電流為180°相角差，常規(guī)變壓器每柱的2個(gè)線圈(高低壓線圈)正序電流為180°相角差；因此接地變壓器因同柱上兩繞組流過相等的零序電流而呈現(xiàn)低阻抗。圖11和圖12所示分別為接地變壓器磁感強(qiáng)度分布及空載電流。

圖11 接地變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.11 Magnetic induction intensity distribution of ground transformer

圖11 接地變壓器空載電流Fig.12 No-load current of ground transformer

可調(diào)電抗器壓降為4.621 4 kV，A相融冰電流為364.7 A，由此可以計(jì)算出可調(diào)電抗器的阻抗為12.67 Ω，電感約為40.4 mH。圖13所示為接地變壓器三相電流。

圖13 接地變壓器三相電流Fig.13 Three-phase current of ground transformer

圖14所示為在線融冰時(shí)三相線路的電流情況，從仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)A相末端與零序電抗一體裝置連接之后，A相線路電流為364.7 A，B、C兩相電流為1.1 A，與正常運(yùn)行時(shí)線路電流相同。該極端工況下的仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的在線融冰裝置可實(shí)現(xiàn)在線融冰作業(yè)。

圖14 在線融冰時(shí)三相線路的電流Fig.14 Current curves of three-phase line during online ice melting

3.2 其他負(fù)載條件下的融冰工況

為了更進(jìn)一步說明在線融冰思路在多種工況下的可行性，分別對(duì)不同負(fù)載容量進(jìn)行仿真，驗(yàn)證各種工況下的融冰效果，不同融冰工況見表2，多種負(fù)載條件在融冰期間對(duì)負(fù)載側(cè)的電壓、電流不產(chǎn)生影響，因此，在融冰期間可對(duì)用戶正常供電，實(shí)現(xiàn)不停電融冰。

表2 多種負(fù)載條件的融冰工況Tab.2 Ice melting conditions under various load conditions

3.3 接地變壓器的加工與測(cè)試

根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)計(jì)出容量為2 500 kVA、零序阻抗為1.25 Ω的接地變壓器，零序阻抗與設(shè)計(jì)值誤差很小，可認(rèn)為設(shè)計(jì)成功，裝置已運(yùn)至融冰實(shí)驗(yàn)線路，將在冬季開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于首次設(shè)計(jì)該類型在線融冰裝置，為了保證安全性，需充分考慮各種可能的意外情況才可進(jìn)一步開展掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。圖15所示為測(cè)試實(shí)物圖，表3為2組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)位置均為三相中性點(diǎn)處。

圖15 接地變壓器單相阻抗測(cè)試Fig.15 Ground transformer single-phase impedance test

表3 接地變壓器測(cè)試結(jié)果Tab.3 Ground transformer test results

在實(shí)際融冰工作中，接地變壓器不需要二次側(cè)繞組，做成接地電抗器的形式，經(jīng)濟(jì)性更高。

4 結(jié)論

針對(duì)本文所研制的基于接地變壓器和可調(diào)電抗器的不停電融冰裝置，通過理論分析與仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

a)通過零序電抗一體裝置與避雷線構(gòu)成零序融冰回路，在融冰期間負(fù)載側(cè)的電壓、電流幾乎沒有變化，可實(shí)現(xiàn)不停電融冰，從而有效解決現(xiàn)有融冰時(shí)的停電問題，大大提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，減少因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

b)可調(diào)電抗器可以實(shí)現(xiàn)融冰檔位的調(diào)節(jié)，避免線路覆冰和融冰不當(dāng)造成的輸電設(shè)施損傷問題，有效保障輸電線路的安全，大大提高電網(wǎng)供電的可靠性。