大容量直流融冰系統在500 kV康定變的應用

吳林平，田 杰，李長偉，吳 俊，李 敏

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211100)

目前，國內外輸電線路的防冰、除冰大致有以下幾類技術手段：通過調度改變潮流，自藕變壓器加多分裂導線，交流短路融冰法，直流電流融冰法和阻性線融冰法等[1，2]，其中，直流融冰在融化線路覆冰方面效果顯著，目前已有多套直流融冰系統在四川、湖南、云南、貴州等地區投入了實際運行[3-6]。已投運的系統有12脈動晶閘管帶整流變結構、6脈動晶閘管帶整流變結構、6脈動晶閘管不帶整流變結構、6脈動二極管帶整流變等多種結構形式，有純融冰和融冰兼SVC2種系統，存在一相進一相出、一相進二相出兩種運行方式[7-12]。直流融冰系統需要根據不同站的線路型號、長度等因素具體設計，確定具體的設備參數。四川500 kV康定變是一座樞紐變電站，站內有10條500 kV線路在冬季有融冰需求。2012年12月，一套大容量的直流融冰系統在康定變成功投運。文中結合500 kV康定變電站內的直流融冰系統的研制情況，對直流融冰設計開發過程中幾個比較重要的方面作一論述，為今后類似工程的開發建設提供參考。

1 融冰方案

1.1 融冰容量

康定變交流線路參數見表1，其中最長的500 kV線路——康定－崇州（I，II回）型號為LGJ-630/45，長度約202.5 km，按環境溫度為-5℃,風速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰時間為1 h計算，最小融冰電流達5000 A，最小融冰功率117.27 MW[1]。

取康定變融冰系統的額定直流電壓為24.54 kV，直流融冰容量為122.7 MW，該參數滿足所有出線的融冰需要。

1.2 主回路結構

從康定變電站35 kV母線引入電源，直流融冰系統接在35 kV母線上，經由1臺三相三繞組整流變壓器，2組6脈動整流閥組接在變壓器的低壓側，待融冰交流線路通過S1～S4四把隔刀實現自動切換。主回路結構圖如圖1所示。

表1 康定變500 kV交流線路參數

融冰時，2組6脈動閥組在直流側串聯成12脈動閥組，閥組之間連接處接地，可以降低直流融冰系統的絕緣需求。12脈動閥組與三相三繞組整流變壓器一起運行，通過一次設備的優化設計使換流閥組可以長期大角度運行，直流電壓調節范圍很廣，滿足康定變不同長度500 kV交流線路的融冰需求。

康定變直流融冰系統額定輸出直流電流為5000 A，容量為122.7 MW，這是目前雙6脈動閥組串聯結構下，同等電流時輸出容量最大的直流融冰系統。

1.3 諧波的考慮

融冰系統在運行時，主要產生5，7，11，13次諧波，康定變直流融冰采用12脈動整流方案，5，7次諧波分量很小。選取濾波器參數見表2，采用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC進行諧波電壓計算，結果見表3。電壓諧波總畸變率（THDu）反應了電壓波形畸變的程度。康定變加裝了直流融冰系統之后，500 kV母線電壓THDu≤2%，220 kV母線電壓THDu≤2%，35 kV母線電壓THDu≤12%，從表3可見，不論是否配置交流濾波器組，母線THDu都滿足要求。

圖1 康定變直流融冰系統結構

表2 濾波器LC參數

表3 濾波仿真結果

因此康定變采用如圖1所示的不加裝濾波器組的主回路結構，能夠滿足線路融冰的需要，也不影響原站內設備安全穩定運行。

2 主電路設計

2.1 整流變壓器

一般變壓器采用有載調壓，由于變電站需要融冰的交流線路長度相差極大，變壓器調壓范圍有限，因而通過變壓器調壓難以解決換流器大角度運行的問題，部分線路融冰時，融冰系統的運行觸發角仍然較大，而且變壓器設置分接頭，將增加成本和后期維護工作量。PCS-9590直流融冰系統通過優化閥組設計，可以不需要變壓器分接調節，通過觸發的控制就能夠滿足站內所有出線的融冰需要。

康定變直流融冰所用整流變的參數。額定容量150 MV·A；接線方式 D/d0/y11；額定電壓 35±2×2.5%/10.5/10.5 kV；短路阻抗21%；調壓方式不調壓。

2.2 避雷器配置與設備絕緣水平設計

根據系統過電壓和設備絕緣配合的結果來配置避雷器。避雷器保護水平的確定需考慮2個因素，其一為正常情況下的最高持續運行電壓，其二為故障情況下的過電壓水平。正常運行情況下，直流融冰系統換流變閥側、直流側電壓包含大量的諧波、紋波分量；同時，還需要考慮交流系統電壓的波動。因此，這兩處避雷器的參考電壓需高于其最大電壓，并采用合適的荷電率計算得到避雷器的參考電壓。

過電壓水平需考慮操作過電壓和雷擊過電壓。使用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，結果表明：在短路故障情況下，系統的操作過電壓并不嚴重。如直流融冰系統發生35 kV母線單相短路、融冰變閥側單相接地故障、直流單極接地故障時，未出現操作過電壓。然而，在融冰線路斷線故障下，整流變壓器網側、閥側，換流器直流側出口上都產生較為嚴重的過電壓，因此需要配置避雷器，以保護變壓器、晶閘管等設備。

康定變避雷器配置如圖2所示，避雷器參數見表4。康定變配置了3處避雷器：換流變網側，配置相對地避雷器A，保護換流變網側繞組；換流變閥側，配置相對地避雷器AF，保護換流變閥側繞組；直流出口側，配置D避雷器，防止雷擊過電壓傳入閥廳，保護閥廳設備和穿墻套管，同時，在故障情況下，降低晶閘管兩端、變壓器閥側過電壓。

考慮到設備絕緣老化、避雷器自身的老化、環境污染等諸多因素，在確定設備的絕緣水平時，對操作波考慮15%的絕緣裕度，對雷電波考慮20%的絕緣裕度，以保證受到過電壓應力時設備的安全性。

圖2 直流融冰系統避雷器配置

表4 避雷器參數 kV

3 控制保護系統

3.1 系統架構

康定變融冰控制保護系統由監控柜（PCP）、閥控柜（VC）和變壓器保護柜等組成，其結構如圖3所示。

圖3 控制保護系統

3.2 控制保護策略

康定變直流融冰系統在融冰模式下采用定直流電流控制，控制保護系統中集成了閥短路保護、橋差動保護、直流過流保護、直流過壓保護、直流諧波保護以及交流過電壓保護等。另外，對于整流變壓器單獨配置了變壓器保護。

4 零功率試驗

直流融冰系統只在冬季線路覆冰的時候使用，其余時間都處于停用狀態，為了檢測整套系統的可用性，在每年冬季來臨之前，需要做相應的定檢試驗。為此PCS-9590直流融冰系統提供了零功率試驗功能，這是在不接入融冰線路（即交流線路不停電）的情況下，全面檢驗直流融冰系統的直流電流控制功能，檢驗換流閥、直流側刀閘和融冰母線的電流耐受能力，保證直流融冰系統在需要融冰時能夠可靠地投入運行，其控制策略與正常融冰一致。PCS-9590直流融冰系統提供2種拓撲實現此項功能。

方案一：利用相控電抗器L作為負載，其結構如圖4所示。PCS-9590直流融冰系統在不融冰時可以兼做靜止無功補償器（SVC）使用，進行快速無功補償、改善電能質量，圖4所示結構可以通過對Q11～Q17 7次模式轉換隔離開關的分、合操作來實現一次系統結構的切換，方便地在融冰、零功率試驗和SVC 3種模式靈活轉換。以與換流變壓器Y繞組連接的6脈動閥組為例，在融冰、零功率試驗和SVC 3種運行模式下，各組隔離開關的分合位置分別如表5所示。

表5 融冰、零功率試驗和SVC3種模式下切換隔刀的位置

方案二：在直流輸出側加裝隔離刀閘和電抗器構成回路，如圖5所示。仍然以電抗器L為負載，分開S2、S3、S5～S7 （不接入交流線路）， 合上 S1、S4、S8、S9，就可以進行零功率試驗了。這種結構不支持SVC運行模式。

康定變直流融冰系統可以擴展零功率試驗功能。

5 運行情況

圖5 零功率試驗方案二

康定變直流融冰系統的設計容量是，額定功率122.7 MW，額定直流電壓DC±12.27 kV，額定直流電流5000 A，額定觸發角15°。該裝置于2012年12月27日對500 kV康甘線（康崇線一段）成功進行了大電流融冰試驗，直流電流從500 A平穩上升至額定電流5000 A，裝置累計持續運行將近2 h。通過直接在站內出線上加探頭測量導線溫度，在環境溫度12℃、風速3 m/s的情況下，導線最高溫度24℃，溫升達到12℃。

圖6所示為康甘線按“一去一回”方式融冰，直流電流達到額定電流5000 A時進線側35 kV母線電壓、直流電壓、直流電流、觸發角的現場錄波波形，其35 kV母線電壓的頻譜分析如圖7所示。可見，直流融冰裝置輸出的直流電壓、直流電流等與理論計算結果基本吻合，符合設計預期，研制的直流融冰系統滿足站內線路融冰需求。12脈動整流融冰系統工作時交流電源中主要含有 11、13、23、25 等（12k±1）次諧波電壓；經計算，35 kV母線電壓THDu為9.49≤12%，與PSCAD仿真結果相符。

圖6 康甘線融冰電流達5000 A時35 kV母線錄波波形

圖7 康甘線融冰電流達5000 A時35 kV母線電壓頻譜分析

6 結束語

康定變直流融冰系統設計了簡潔的主回路結構，采用1臺三相三繞組變壓器直接從變電站高壓母線受電，中低壓側分別接入6脈動閥組，可以兼顧不同線徑和長度的輸電線路融冰；通過4把選相隔離開關可以完成多種融冰方式的自動轉換，實現對交流線路的均衡融冰；具有零功率試驗功能，可以方便地實現對整套設備的定檢。該系統基于5000 A的輸出電流和122.7 MW的融冰容量而設計，可以為直流融冰設備的研制和工程應用提供一定的參考。

[1]杜蘊瑩，邢 軍，王 澄，等.南方覆冰災害造成輸電線路倒塔原因及策略的研究[J].江蘇電機工程，2008，27（6）：14-17.

[2]吳元華.輸電線路覆冰的潛在危害及對策研究[J].江蘇電機工程，2008，27（6）：18-21.

[3]張 翔，丁 勇，朱炳坤，等.大容量直流融冰兼靜止無功補償裝置的研制與應用[J].電力系統自動化，2012，36（20）：104-108.

[4]張慶武，呂鵬飛，王德林.特高壓直流輸電線路融冰方案[J].電力系統自動化，2009，33（7）：38-42.

[5]傅 闖，饒 宏，黎小林，等.直流融冰裝置的研制與應用[J].電力系統自動化，2009，33(11)：53-56，107.

[6]謝 彬，洪文國，熊志榮，等.500 kV復興變電站固定式直流融冰兼 SVC 試點工 程的 設計[J].電網技術 ，2009，33（18）：182-185.

[7]范瑞祥，孫 旻，賀之淵，等.江西電網移動式直流融冰裝置設計及其系統試驗[J].電力系統自動化，2009，33（15）：67-70.

[8]申屠剛，程極盛，江道灼，等.500 kV直流融冰兼動態無功補償系統研發與工程試點[J].電力系統自動化，2009，33（23）：75-80.

[9]許樹楷，黎小林，饒 宏，等.南方電網500 kW直流融冰裝置樣機的研制和試驗[J].南方電網技術，2008，2(4)：32-36.

[10]孫 栩，王明新.交直流輸電線路大容量固定式直流融冰裝置的設計方案[J].電力自動化設備，2010，30（12）：102-105.

[11]陸佳政，李 波，張紅先，等.新型交直流融冰裝置在湖南電網的應用[J].南方電網技術，2009，3(4)：77-79.

[12]馬曉紅，趙立進，李 巍，等.直流融冰技術在貴州電網的應用[J].南方電網技術，2009，3(5)：107-110.