電力高壓長線路短路法融冰方案

陳 洋 李 鑫 馮艷萍

（中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴州 貴陽 550000）

引言

2008年初我國南方冰雪災害中，導線覆冰引起的倒桿、斷線及導線舞動等是導致電網破壞的主要原因。為防止今后發生類似破壞，首先是要根據線路情況和歷年經驗，提高設計標準。但由于冰雪災害地域廣、時間上不確定，大面積按幾十年一遇的標準進行新建線路設計和原有線路改造，耗資太大。因此，為防止嚴重氣象條件下線路導線結冰超過一定厚度時發生倒桿、斷線而引起電網長時間癱瘓，有必要從技術上探討高壓長線路融冰的可能性。

本文將從導線容許的最高溫度出發，先假定沿線環境溫度，推導出融冰電流、導線溫升和融冰時間，進而由典型線路的參數求出需要的融冰電源的電壓和容量，然后論述實現這一電源的可能性。

1 融冰參數的選擇和計算

1.1 融冰電流

用短路法融冰首先要選擇融冰電流，融冰電流根據導線溫升來選擇。理論上只要導線溫度高于0℃即可融冰，但有一個融冰時間問題。融冰電流越大，導線溫升越高，融冰時間越短，但受到導線安全電流的限制。所謂安全電流是指在此電流下長期運行所引起的溫度對導線不會產生可見的機械強度老化和接頭氧化。設計時鋼芯鋁絞線溫度控制在70℃-90℃。融冰屬偶爾短期運行，應允許較高溫度。本文取融冰時期的導線最高溫度不超過100℃，應該是安全的。線路沿途可能有不同環境溫度，設沿線環境溫度為-10℃~+10℃，考慮環境溫度為+10℃的地段，則導線在無冰條件下容許最高溫升為90K，由此可計算導線容許的最大電流，以此作為融冰電流，以便縮短融冰時間。

2 融冰電源電壓和容量要求和實現

2.1 融冰電源的電壓和容量要求

選定融冰電流后，由線路參數可算出需要的融冰電源的電壓和容量見表。融冰電源分交流和直流2種。交流電源融冰按三相加壓，直流電源融冰將線路2并1串加壓，因此后者要分3次進行。交流融冰只需交流電源，但因高壓交流線路的電抗遠大于電阻，故交流電源融冰需要的電源容量(主要是無功功率)遠遠大于直流電源融冰的容量。直流電源融冰的優點一方面是所需電源容量比交流小得多，另一方面是電壓低得多，從而降低了融冰時覆冰絕緣子閃絡的可能性。因為導線大小和線路長度各種各樣，要求的電壓和容量各不相同，對高壓長線路，無論用交流還是直流電源融冰，都應有容量大又能調壓的電源，才能確保安全、快速地融冰。

2.2 實現直流電源融冰的可能性

對于500kV(典型截面300mm2×4)的長線路進行交流融冰是完全不可能的。只存在用直流融冰的可能性。一個電流不小于4kA、電壓不低于50kV(即功率不小于200MW)的直流電源才能滿長300km、4×300mm2導線的500kV線路融冰的需要。這個可調節的大容量直流電源相當于中小型高壓直流系統HVDC的一個換流站。但因為電流大而電壓低，它不可能屬于直流輸電系統，理由是：電流達到4kA的系統，其線路導線截面將達到4×800mm2至6×700mm2的規模，必然是特大容量的超高壓或特高壓直流輸電系統。而高壓直流系統即使降壓運行其電壓也不能低于額定電壓的70%或50%，因而無法利用其作為融冰電源。如果只從電流、電壓來看，所需要的直流融冰電源有可能利用一個直流背靠背系統來解決。但是，直流背靠背系統一般建在電網邊緣與另一個電網交界處，而直流融冰電源應設在電網中心。有報道稱國外建設了基于現代HVDC和晶閘管技術的靜止補償裝置兼作融冰電源，電流可達7.2kA(高壓直流融冰HVDCice)。這樣一舉兩得，創造性地解決了這一難題。國內也提出了同樣的方案。如果在電網中心有一個這樣的HVDCice設備，則所有能連接到的交流500kV及以下線路的融冰電源都可解決。而在電網冰害嚴重地區建設一個容量合適的直流融冰電源也是可行的。如國內已建成功率為60MW的直流融冰電源，可解決當地電網220~500kV線路融冰需要，便是一個成功的范例。

2.3 實現交流電源融冰的可能性

對于110~220kV線路覆冰問題最為突出的地區電網，用系統中的發電機組作為電源實現交流融冰是可行的。220kV線路長度一般不超過200km，由表，導線截面300mm2、長200km的線路交流融冰需要的電源容量為218MVA，電壓約136kV。這是110~220kV線路交流融冰電源要求的上限。現今系統中300MW發電機組很普遍，一般發電機在功率因數很低時允許的無功負荷受到限制，以QFSN-300-2型汽輪發電機為例，額定功率300MW，額定功率因數cosφ=0.85，當 cosφ≈0 時允許無功負荷270MVA，只有額定有功功率的90%。盡管如此，這一容量已能夠滿足長200km的220kV線路融冰的需要。

雖然發電機可以調壓，但發電機電壓不夠高。如300MW發電機額定電壓為18kV或20kV，更小容量發電機的額定電壓更低。所以還需要一臺容量和電壓(配合發電機調壓)能滿足融冰需要的變壓器。一般較大容量機組為單元接線，通過220kV或500kV升壓變壓器接至母線。如果母線上有上述變壓器 (例如，按GB/T6451標準設計的220/110kV降壓變壓器，電壓比為 220±10%/121kV，容量可達 240MVA，可滿足長200km的220kV線路交流融冰需要)，或鄰近變電站有上述變壓器，通過至鄰近變電站的線路轉接，即可加以利用。如果需要融冰的線路太長、電壓太高或容量太大，找不到合適的變壓器，則可在線路上適當的地方設短路點以改變線路長度，從而降低融冰需要的電壓和容量。此外，新建變壓器也可以兼顧融冰需要，例如可以增加容量或用增設分頭等方法改變電壓。

在實際裝置方面，從發電機、升壓變經母線到作為直接融冰的降壓變壓器，或經線路轉接到鄰近變電站作為直接融冰的變壓器，必須自成獨立系統而與運行中的系統分離，因為該系統要調節融冰的電流和電壓。一般發電廠和變電站的主接線都可以實現這一要求。

2.4 移動式柴油發電機電源

作為移動式外施電源，柴油發電機具有優越性。數百kW至3MW的柴油發電機組有現成的產品，能滿足大跨越、交叉檔和小截面短線路的融冰要求。此外，小型柴油發電機組配合強力熱風機可以給線路絕緣子和變電設備除冰。后一舉措不可忽視，因為絕緣子和變電設備除冰也是保證供電乃至保證線路融冰的必要條件。筆者認為用絕緣操作桿、軟管和噴嘴，帶電近距離強力熱風除冰，輕便有效，值得研究。

2.5 關于架空地線融冰

要實現架空地線短路法融冰，架空地線必須與桿塔絕緣。為了降低線路損耗，有的超高壓線路采用絕緣架空地線，此項措施為短路法融冰提供了可能。應該通過抗冰災經驗的總結，來審視架空地線融冰的必要性。如果是十分必要的，則接地架空地線實現短路法融冰唯一的辦法是將其改造為絕緣架空地線。

3 幾點結論

3.1 實現高壓長線路短路法融冰的關鍵是獲得大容量的融冰電源。長度達300km的500kV線路只能用大容量的直流電源融冰。建設可兼作融冰電源的高壓直流或靜補裝置(HVDCice)是一個理想的方案。

3.2 利用系統中300MW或以下容量的發電機組和降壓變壓器，對長度為200km或以下的110~220kV線路進行交流融冰在技術上也是可行的。

3.3 只有絕緣架空地線才能實現短路法融冰。

3.4 移動式柴油發電機能滿足大跨越、交叉檔和小截面短線以及絕緣子融冰對電源的要求。

3.5 LGJ-70~300mm2導線在5~3A/mm2電流密度、環境溫度為+10℃、冰厚20mm條件下融冰所需時間估計約1h；環溫為+10℃下導線溫度不超過100℃。最后要強調的是，無論采用何種融冰方法，都要根據系統中需要融冰的線路長度、位置分布和局部氣象條件等實際情況，研究合適的技術方案，做好電源器材準備和實施預案，并進行一定的試驗和演練，實際應用時才能實現安全、有效地融冰。

[1]文闿成.高壓長線路短路法融冰可行性探討[J].電網技術，2009-01-20.