興安直流興側接地極引線融冰情況分析及可行性建議

楊明權，楊躍輝，雷鳴東

(中國南方電網超高壓輸電公司 天生橋局，貴州 興義 562400)

在高寒地區高壓直流輸電系統的接地極引線會因覆冰而斷線，導致了直流輸電系統單級或雙極停運，給電網運行帶來了不小的影響［1］。因此，本文結合興安直流興側接地極引線近幾年的融冰情況，將理論融冰計算結果和現場試驗數據進行對比分析，提出了實際工程中廣泛使用的接地極融冰方案及可行性建議。

1 興安直流興側接地極線路設計參數及融冰的必要性

1．1 興安直流興側接地極線路設計參數

興安直流接地極位于貴州省安順市關嶺布依族苗族自治縣永寧鎮西北周家寨，從興仁換流站到永寧接地極采用二分裂2×2×LGJ－630/55型鋼芯鋁絞線架空線路，線路全長76．745 km，線路設計覆冰厚度10 mm，共196座鐵塔，其中耐張塔44座。由于線路穿過高海拔低溫區域，冬季95號至196號塔均有覆冰情況存在，最大覆冰厚度為9 mm。按照南方電網《超高壓輸電公司融冰工作管理規定》設計覆冰厚度10 mm線路，超過設計覆冰厚度40%的進入三級警戒，即可申請融冰作業。

1．2 興安直流興側接地極線路融冰的必要性

接地線路覆冰可以引起導線舞動、桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡。對于興安直流線路來說，因直流運行方式的不同及接地線路斷線、倒塔，運行方式將會出現3種不同情況。

1．2．1 直流線路運行于雙極方式(BP)

當直流線路運行于雙極方式(BP)時，若興側接地極引線出現斷線或倒塔的情況，則興安直流線路此時運行方式將會變為雙極一端中性點接地的方式運行，當一極線路發生故障退出工作時，必須停運整個雙極系統，沒有單極運行的可能性;一極換流器發生故障時，也不會自動轉為單級大地回線方式運行，只能在雙極停運后配置為單級金屬回線方式后才可恢復運行，這樣降低了直流線路運行的可靠性，對系統穩定也有較嚴重的危害。

1．2．2 直流線路運行于單級大地回線方式(GR)

在直流線路運行于單級大地回線方式(GR)時，若興側接地極引線出現斷線或倒塔的情況，則直流系統將失去大地回路，造成直流系統閉鎖。

1．2．3 直流線路運行于單級金屬回線方式(MR)

在直流線路運行于單級金屬回線方式(MR)時，若興側接地極引線出現斷線或倒塔的情況，則直流系統運行將不會受到影響，但直流系統只能保持此種方式運行，不能進行其余運行方式的轉換，影響直流運行的靈活性。

綜上所述，在興安直流線路運行時，興側接地極引線因覆冰出現斷線或倒塔，對興安直流安全穩定運行危害極大。所以，在興側接地極引線出現覆冰時，對其進行融冰是必要的。

2 興安直流興側接地極線路融冰情況

從2010年1月至2013年3月，對興安直流興側接地極線路用不同方式開展了5次融冰工作，融冰記錄如表1所示。

2．1 2013年1月7日1時32分至3時30分融冰情況

2013年1月6日至7日，興仁地區和關嶺地區均為凍雨天氣，最低溫度為－2℃，東北風1級(0．3～1．5 m/s)。巡線人員對興安直流興側接地極引線進行抗冰保電特巡，發現172號塔處有線路覆冰現象，線路覆冰厚度為4 mm。興仁換流站按規定向南方電網電力調度通信中心(以下簡稱總調)報送接地極引線融冰搶修申請(申請要求:興安直流接地極流過電流不小于 1100 A，持續時間不小于1 h)。融冰作業于7日1時25分開始，雙極功率為1760 MW，興安直流－500 kV極2由定功率模式運行改為定電流模式，電流參考值為1210 A，變化率為100 A/min。5 min 30 s以后，－500 kV極2電流調整至1210 A，此時興安直流接地極線路電流由0 A上升至1100 A，通知現場人員對線路進行觀察。在融冰進行1 h后，即2時30分，現場線路人員報告，線路覆冰無明顯融化現象。2時37分，總調下令－500 kV極2電流參考值調整為1010 A，變化率為100 A/min。2時40分，－500 kV極2電流開始調整2 min后電流下降至1010 A，接地極通過電流為1500 A。融冰持續至3時30分，直流恢復雙極運行，線路覆冰情況未見明顯變化。

2．2 2013年1月7日17時32分至19時30分融冰情況

2013年1月7日，興仁地區和關嶺地區保持凍雨天氣，局部溫度低于－3℃，東南風2級(1.6～3.3 m/s)。巡線人員對興安直流興側接地極進行抗冰保電特巡。因為7日凌晨對接地極線路的融冰效果不明顯，巡線人員繼續對接地極引線172號塔前后線路加強監視。在天氣繼續惡化的情況下，日間覆冰厚度繼續增加，接近達到4．5 mm。興仁換流站向總調報送接地極引線融冰搶修申請(申請要求:興安直流接地極流過電流不小于1960 A，持續時間不小于1 h)。融冰作業于7日18時30分開始，雙極直流功率為2400 MW，將+500 kV極1由定功率模式設為定電流模式，并將電流參考值設為3000 A，變化率為100 A/min。當+500 kV極1電流升高到3000 A后，興安直流接地極線路電流為1200 A，保持2 h。19時30分結束融冰作業，線路覆冰情況未見明顯變化。

表1 2010年1月至2013年3月興安直流興側接地極融冰記錄Tab．1 2010 January to 2013 March Xingan DC system Xing side grounding electrode melting ice records

2．3 2013年1月9日0時40分至2時40分融冰情況

2013年1月8日，興仁地區和關嶺地區連續出現2日凍雨天氣，局部溫度低于－3℃，東北風3級(3．4～5．4 m/s)。巡線人員對興安直流興側接地極進行抗冰保電特巡。因為連續數天出現凍雨天氣，安直流興側接地極線路覆冰最大值達到7 mm。根據《南方電網超高壓輸電公司融冰工作管理規定》，進入防冰二級警戒，申請融冰(申請要求:興安直流接地極流過電流不小于2400 A，持續時間不小于1 h)。融冰作業從9日0時38分開始，雙極直流功率為 1200 MW，興安直流閉鎖 +500 kV極1，－500 kV極2轉為單極大地回線方式運行，此時接地極線路上流過的電流為2400 A。1時30分，接地極線路有少量覆冰融化，為了加大融冰電流，2時0分將－500 kV極2功率調整為1350 MW，此時接地極線路上電流為2700 A，持續30 min。2時30分解鎖+500 kV極1，恢復興安直流雙極運行，接地極線路覆冰情況有較明顯變化，部分覆冰已脫落。

3 接地極線路融冰可以選擇的方法

直流輸電系統運行特性決定接地極引線融冰方案可有多種選擇。在直流接線方式的選擇上有雙極不平衡運行方式和單極大地回線方式，在融冰電流極性的選擇上有正電流入地和負電流入地，融冰的時間和融冰電流的大小也可靈活選擇。

3．1 直流接線方式的選擇

對直流接地極線路融冰時，可以選擇的直流運行方式有兩種，一種是雙極不平衡運行方式，另一種是單級大地回線方式。興仁站接地極線路融冰時對兩種直流接線方式都使用過，各有優缺點。

3．1．1 使用雙極不平衡電流融冰優缺點

直流系統在使用雙極不平衡電流融冰時，接線方式如圖1所示。

使用雙極不平衡電流融冰優點:1)可靠性相對單級大地回線方式較高，在不平衡運行時出現接地極斷線的情況時，保護會請求雙極平衡運行，恢復雙極平衡運行;2)不限制直流的可用功率;3)可以不改變直流線路的接線方式，操作上較方便，恢復雙極正常運行時需要時間較短。

使用雙極不平衡電流融冰缺點:1)在雙極功率相差過大時，如果出現接地極斷線，由于換流變不能快速調整檔位和極控系統對功率調整速度的限制，直流系統不能快速地恢復雙極平衡運行，則保護動作造成雙極直流閉鎖;2)最大融冰電流小于單級大地回線方式下的融冰電流，融冰電流在正常運行(一級為1500 MW、另一級為150 MW)時接地極最大電流為2700 A，單級大地回線方式下的電流為3000 A;3)出現雙極閉鎖時，丟失的功率較多，對系統的沖擊較大。

3．1．2 使用單級大地回線方式(GR)融冰的優缺點

直流系統在使用單級大地回線方式(GR)融冰時，接線方式如圖2所示。

使用單級大地回線方式(GR)融冰的優點:

1)可以提供最大的接地極引線融冰電流，1．2倍過負荷時最大值為3600 A;2)融冰過程中傳輸的容量較小，如出現單級閉鎖，對系統的沖擊較小。

使用單級大地回線方式(GR)融冰的缺點:

1)可靠性相對雙極不平衡運行方式較低，出現接地極線路斷線時，直流系統會立即閉鎖;2)直流輸送功率受限，正常最大值為1500 MW;3)對直流的運行方式需要作出改變，若備用極狀態需要轉到閉鎖以下，需要改變一次設備狀態，操作較復雜;4)入地電流過大會引起沿線地下管道腐蝕及接地變壓器直流偏磁加大［2］。

圖2 直流系統單級大地回線方式接線圖Fig．2 Single level ground return mode of DC system wiring diagram

3．2 融冰電流極性的選擇

在對直流接地極進行融冰時，可以選擇正極或負極對接地極引線進行融冰。因為正負入地電流對線路沿線的干擾和線路的安全可靠率的影響不同，所以必須做出合理選擇。

正極導線的電暈電磁干擾和可聽噪聲均比負極導線的大，雷電大多數為負極性，正極導線的雷電閃絡的概率比負極導線的高，所以，在使用單級大地回線運行時，多數選用負極性接線方式［1］。

3．3 融冰電流大小的選擇

融冰電流大小與環境溫度、風速、覆冰厚度、覆冰類型、融冰時間等因素相關，各項因素對融冰電流的選擇影響很大，特別是線路覆冰類型對融冰電流的影響更為突出。

3．3．1 線路熱效應對融冰的影響

理論研究表明，從信息經濟的發展過程來看，基礎層、傳輸層、融合層、新生層及福利層的信息經濟遵循時間上的不斷遞進、空間上的不斷擴散及程度上的不斷深化的關系，下層是上層的基礎，而上層又反過來促進下層的進一步發展。本文測算了基于西部各省區信息經濟發展層次指數的相關系數矩陣，結果表明，信息經濟各層次之間存在顯著的正相關關系。

直流融冰的熱平衡包含兩個過程:1)導線和冰交界面的熱平衡;2)冰和空氣交界面的熱平衡。直流融冰達到穩定狀態后，導線產生熱與融冰吸收的熱及冰表面因輻射散熱、對流傳熱損失的熱相等［3］。融冰電流的計算較為復雜，下面只介紹保險電流和融冰電流基本經驗計算公式。保險電流為保持導線溫度在冰點以上，使導線不覆冰所需最小電流，保險電流通過導線產生的熱量與對流、輻射散熱消耗熱量平衡，其計算公式為［4］

式中:Ib為保線電流，A;R0為氣溫在0℃時單位長度導線的電阻，Ω/m;t1為導線溫度(保證導線不結冰的溫度，一般取t1=2℃);t2為結冰時外界溫度，一般取t2=－3℃或 －5℃;∑d為輻射系數(冰0．64，霜 0．32 ，銅 0．6，鋁 0．11，鐵 0．25);D為導體的外徑，cm;V為風速，m/s。

融冰電流為導線上覆冰融化的電流，在導線電阻中產生的熱量一部分使冰柱的溫度上升至融點，另一部分使冰柱融化;一部分損失從導線表面到冰柱表面的傳遞途中，另一部分通過冰柱表面散失。線路融冰電流經驗計算公式為［5］

對于雨淞:

對于霧淞:

式中:Ir為融冰電流，A;R0為0℃時的導線電阻，Ω/m;Tr為融冰時間，h;Δt為導體溫度與外界氣溫之差，K;g0為冰的比重(一般按雨淞取0．9);b為冰層厚度，即覆冰每邊冰厚，cm;D為導體覆冰后的外徑，cm;RT0為等效冰層傳導熱阻，K·cm/W;d為導線直徑，cm;λ為導熱系數，W/cm·K，雨淞 λ=2.27×10－2，霧淞λ =0．12×10－2;RT為對流及輻射等效熱阻，K·cm/W。

根據式(1)、式(2)算出一個興安直流接地極線路在雨凇情況下的最小融冰電流和保險電流，如表2所示。

由表2中的計算結果可知，興安直流在1．2倍長期過負荷能力下，接地極電流為3600 A時，只能進行－5℃、5 m/s風速和－3℃、3 m/s風速下的保險作業。

表2 興安直流接地極線路雨凇情況下1 h融冰保線電流Tab．2 Xingan DC grounding line glaze case 1 h ice melting and line current

3．3．2 現場覆冰情況對融冰的影響

根據《南方電網融冰技術規程編寫導則》對融冰電流的靈敏度分析的敘述，可結合現場情況及1h融冰保線電流數據，得出所需融冰電流實際大小。覆冰厚度每增加5 mm，則融冰電流需要增加80～110 A;環境溫度每下降2℃，則線路融冰電流需要增加90～100 A;風速，有風速(2 m/s)與無風條件下融冰電流差別很大，基本上要相差100 A左右，但風速大于4 m/s，對融冰電流的影響趨緩，風速每增大2 m/s則融冰電流增大20～40 A;以2 h融冰時間對應的融冰電流為基準，融冰時間縮短到1．5 h的融冰電流需要增加30～50 A，融冰時間縮短到1h的融冰電流需要增加90～150 A，融冰時間縮短到0．5 h的融冰電流需要增加300～400 A。

從興安直流興側接地極引線現場情況看，覆冰在混合凇和雨凇之間，風速小于3 m/s，融冰在線路覆冰達到設計覆冰厚度40%(4 mm)時，應進行2 h的融冰作業。根據上述現場融冰電流判斷方法和3．3．1介紹的經驗公式，得出覆冰(雨凇)厚度為5 mm、融冰2 h時幾種天氣情況下的實際融冰電流，如表3所示。

表3 興安直流接地極線路雨凇情況下2 h融冰電流(覆冰厚度5 mm)Tab．3 Xingan DC grounding line glaze case 2 h ice melting current(ice thickness 5 mm)

從表3可以看出，興安直流在長期1．2倍過負荷(1800 MW)、接地極電流3600 A條件下，滿足風速3 m/s、氣溫－3℃和風速3 m/s、氣溫－5℃時興側接地極引線雨凇融冰條件。

4 結論

1)興安直流興側接地極引線具備在溫度－5℃以上、風速為3 m/s以下、雨凇條件下的融冰保線能力。根據興側接地極線路經過地區的長期冬季天氣情況，在非極端天氣條件下興安直流興側接地極可以保證安全運行。

2)在直流系統接地極引線融冰作業時，極性選擇方面建議使用負極性電流入地;在接線方式選擇上，建議小電流保線作業時使用雙極不平衡運行方式;在需要大電流進行融冰作業時，使用單級大地回線方式;在融冰電流大小和融冰時間的選擇上，若線路覆冰發展速度較快，建議在覆冰4 mm時立即申請融冰作業，融冰時間建議為2 h以上。

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