交流輸電系統(tǒng)直流融冰裝置簡介及其應(yīng)用

胡琴

【摘 要】本文首先闡述了融冰裝置方案，從融冰裝置的兩種電源來源，即發(fā)電機與變電站進行分析，然后對直流融冰的應(yīng)用推廣加以簡要敘述，最后對融冰裝置線路接入方式及其故障控制策略進行分析研究。

【關(guān)鍵詞】直流融冰；推廣應(yīng)用；接入方式

冰凍災(zāi)害常?？简炛娏ο到y(tǒng)，電網(wǎng)技術(shù)如果裕度不夠，常常會發(fā)生冰閃甚至倒塔斷線、電網(wǎng)癱瘓的情形。融冰技術(shù)通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，增大導(dǎo)線電流提升溫度實現(xiàn)融冰目的，融冰技術(shù)具有多方面的突出優(yōu)勢，時間短、易操作等，因此這項技術(shù)具有很好的運用推廣價值，值得重點研究。

一、融冰裝置方案

直流融冰法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)于融冰方式，通過大容量設(shè)備將交流電源轉(zhuǎn)化為直流，發(fā)電機或者交流電網(wǎng)均可以作為其電源，將導(dǎo)線一端與直流融冰裝置直接相連，導(dǎo)線另一端短路，將直流電流注入導(dǎo)線來實現(xiàn)加熱目的，進而完成融冰目的。這種融冰方式僅需消耗小部分無功，因此適用范圍較為廣泛。覆冰融化的前提是上述過程所產(chǎn)生的熱量大于導(dǎo)線散發(fā)及其融冰熱量之和。

在運用直流融冰過程中，須注意以下幾個技術(shù)核心問題： 1）線路所需最小電流；2）裝置容量、融冰裝置能夠提供的最大融冰電流、融冰裝置能夠提供的最大輸出直流電壓；3）輸入電源的來源；4）無功和諧波對交流電網(wǎng)產(chǎn)生的影響；5）變電站的接入方式。

（一）電源由發(fā)電機（發(fā)電車）提供

直流融冰電源由發(fā)電機提供的電路圖1所示。這里的發(fā)電機可以是大功率柴油發(fā)電機組，也可以是電網(wǎng)發(fā)電機。在這種電源模式下，通過改造主接線，將其通過旁路與整流器聯(lián)通，獲得直流電源，最終達到融冰目的。

（二）電源由變電站提供

直流融冰電源由變電站提供的示意圖如圖2，系統(tǒng)電源通過換流變壓器、整流裝置，最終實現(xiàn)帶線路融冰。

假如220kV及其110kV變電站中，10kV恰好能夠滿足此種整流器電源輸入需求，直流融冰為一種特殊工況，220kV主變或110kV主變可以滿足其換相電抗需求，融冰過程中將其直接與220kV主變或110kV 主變10kV側(cè)直接連通。

上述模式?jīng)]有整流變壓器，可以實現(xiàn)在各變電站之間整流器直接移動，但這模式只能選擇六脈動整流，在整流過程中不可忽視的因素是其間生成的無功和諧波，而且需要評估在這個過程中產(chǎn)生的220kV或者110 kV的換相電抗對主變產(chǎn)生的影響。

二、直流融冰裝置的應(yīng)用

2008年冰凍災(zāi)害受災(zāi)最嚴重的地區(qū)變電站之一為貴州福泉變電站。福泉500kV變電站電壓具有五個等級：500kV、220kV、110kV、35kV、10kV；有非常理想的直流融冰技術(shù)應(yīng)用環(huán)境，所以選擇此地進行實地試驗，裝置試驗選擇500kV。參考國內(nèi)一系列較為成熟的裝置技術(shù)及其調(diào)試經(jīng)驗對直流融冰系統(tǒng)現(xiàn)場試驗及其測試項目進行了研究、確定，并對無功和諧波進行了分析計算。為避免融冰試驗試驗對于導(dǎo)線的損傷，計算了220kV及其500kV輸電線路所需最大電流與溫度。為保障試驗的安全性，測量并對比分析了直流電阻。于2008年8月在銅仁市完成了220kV 直流融冰裝置樣機全部試驗項目，同年9月于貴州福泉完成25MW直流融冰裝置全部試驗項目。此次試驗取得了良好的效果，取得了較為理想的示范效應(yīng)。

現(xiàn)場試驗取得成功之后，直流融冰裝置相繼在黔、粵、滇等南方冰凍重災(zāi)區(qū)得到了推廣應(yīng)用。試驗成功之后的次年年初在南方大范圍的數(shù)日持續(xù)低溫期間，融冰裝置于黔、粵、滇三省電網(wǎng)陸續(xù)啟用，進行實戰(zhàn)，在短時期之內(nèi)，實現(xiàn)了使導(dǎo)線上的覆冰全部脫落的既定目標。試驗與實戰(zhàn)的成功意味著直流融冰裝置核心與關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面獲得了成功。

三、融冰裝置接入方式故障控制策略

（一）接入方式

直流融冰裝置目前采用的接入方式主要是短路法，通過短接形成回路，最終實現(xiàn)線路融冰。接入方式在目前運用普遍的“一進兩回”模式的前提下，還有一種行之有效的自動融冰與切換方法，在對融冰電流輸出進行調(diào)節(jié)的同時，在融冰電源不間斷的情況下，按照裝置線路實際負載對開關(guān)k1～k5進行控制、切換，實現(xiàn)接入線路的自動變換，圖3中A、B、C依次代表負載線路的三相接入點，其接入方式如圖所示：

模式一：A相進，B、C相回：k1、k3、k5閉合，k2、k4分斷。

模式二：B相進，A、C相回：k2、k3、k4閉合，k1、k5分斷。

模式三：C相進，A、B相回：k1、k2、k3閉合，k4、k5分斷。

在這種接入模式中，k1和k4之間互鎖，k2和k5之間互鎖，避免出現(xiàn)由于開關(guān)誤操作導(dǎo)致的短路故障。在融冰接入方式按照上述模式進行自動切換時，為了確保融冰控制按照合理方式進行，需要對其順序和邏輯加以科學(xué)控制。在線路切換工程中，融冰電源的工作沒有必要間斷，只需控制電流及其接入開關(guān)的分合便可完成切換工作及其自動融冰任務(wù)。

在上述自動切換模式的前提下，提出了一種新型三相循環(huán)自動融冰控制策略，在這種控制策略下進行融冰接入線路切換過程中，不需要停止整個融冰電源，通過對斬波器的控制，不需要停止整個融冰電源，就能夠?qū)崿F(xiàn)3種線路接入工作模式的切換，完成三相循環(huán)自動融冰。

要按照融冰時間及其線路溫度對融冰正常完成與否加以判斷。融冰開關(guān)切換、封鎖融冰斬波脈沖的同時，對系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)及其線路電流要加以檢測（確保線路電流為0）。以“A相進，B、C相 回”接入工作模式舉例，在這種模式中融冰相電流為IA，可得IA=IB+IC，通過焦耳熱及其流經(jīng)線路電流的平方成正比的關(guān)系來看，A相吸收的熱量為B相及其C相的4倍，在A相融冰試驗過程中，A相溫度先升高，在這個時候?qū)φＨ诒瓿杉右耘袛嗟臈l件是：融冰相溫度大于融冰規(guī)定臨界值；融冰時間大于2t。在系統(tǒng)滿足上述任何一項條件的情況下，可切換至下一相的融冰或者停機結(jié)束。融冰相溫度由實驗時的各觀測點紅外測溫成像儀進行測量之后傳回。融冰時間t計算公式為：

（二）故障及其控制策略

在具體操作過程中，對線路短路進行保護的方法是通過中間接地電容來對半電壓狀態(tài)進行檢測，對可能存在于裝置直流一側(cè)的短路或者接地等故障進行檢測與排查，下圖中R1、R2兩個電阻完全一致。

在進線接地短路故障與回線接地短路故障中存在如下3種可能性：

（1）進線接地，在這種故障中負載電流會出現(xiàn)突然急劇上升情形，此時變流器裝置通常會啟動相應(yīng)保護動作，在這種情況下UR1<2UR2且UR2<2U0 /3成立。

（2）回線接地，在這種故障中負載電流仍會出現(xiàn)突然急劇上升情形，此時變流器裝置通常會啟動相應(yīng)保護動作，在這種情況下UR1>2UR2且UR1>2U0 /3成立。

（3）進線與回線短接故障：當UR1=2UR2依然成立，但是系統(tǒng)負載會在短時間內(nèi)出現(xiàn)突然變小的情形，電流發(fā)生突變，短接位置決定幅度值大小，若突變達到系統(tǒng)保護設(shè)定的門檻值時分級保護動作，門檻值設(shè)置為1.2倍額定電流。直流融冰系統(tǒng)直流側(cè)短路及其接地等故障，可以按照負載電流變化、電阻R1及其R2端電壓的比較分析來確定故障類型，并且采取相應(yīng)保護動作。

直流融冰技術(shù)通過實驗，裝置已經(jīng)投入實際使用中，直流融冰裝置作為一種針對冰凍災(zāi)害極端氣候的一種應(yīng)急方式優(yōu)勢明顯，調(diào)節(jié)領(lǐng)域與范圍廣闊。直流融冰裝置運用自動切換技術(shù)保障了融冰的均衡性，安全系數(shù)、可靠系數(shù)、可操控性及其結(jié)構(gòu)非常理想。一系列實驗證明了直流融冰技術(shù)的可行性、故障解決策略的有效性，關(guān)于這項技術(shù)的一系列科研成果已經(jīng)得到了轉(zhuǎn)化，在很大范圍內(nèi)起到了示范帶頭作用，在相關(guān)技術(shù)與實踐領(lǐng)域開拓了一片新天地。

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