輸電線路覆冰原理和除冰方法的討論

1 緒論

1.1 輸電線路除冰的意義

輸電線路覆冰是我國電力系統中比較嚴重的自然災害之一，經常導致輸電線和桿塔的機械性能和電氣性能被破壞，電網大面積停電的惡劣后果。覆冰事故嚴重地威脅了我國電網電力系統的運行安全，解決線路覆冰是一個迫在眉睫的問題。

1.2 輸電線路覆冰的危害

輸電線路覆冰之后，對電力系統有十分嚴重的危害，其中最常見的為以下4種。

（1） 過負載的危害

（2） 不同期脫冰或者不均勻覆冰的危害

（3） 覆冰導線舞動的危害

（4） 絕緣子冰閃的危害

1.3 現階段常用的主要融冰方法

圖1.1 線路覆冰

輸電線路覆冰的危害很大，很容易對電網產生不可逆的后果，所以國內外學者對輸電線路導線與絕緣子的覆冰特性和機理的研究從未間斷過，也有了許多的成果，目前常用的除冰方法有4類：

1.3.1 熱力除冰法

通過加大導線電流，如使覆冰導線斷路，來提高導線溫度，從而使堅冰融化的方法稱為熱力除冰法。熱力除冰法是現階段各國最常使用的除冰方法，能夠較好地融化霧凇和雨凇等不同密度的覆冰，操作簡單穩定。

1.3.2 機械除冰法

機械除冰法是利用不同的機械進行物理的除冰。如通過滑輪鏟刮來刮掉覆冰，用強力振動來使覆冰脫落。有時也使用起重機、除冰車等不同的方式進行除冰，甚至有時候也采用人工來進行除冰作業。這種除冰方式相對于熱除冰消耗能量比較小，價格也相對較低，但是這種除冰方法在實際操作上會有較多困難，所以機械除冰方法在輸電線路上使用，存在操作困難、安全性能與穩定性不完善等缺點，在我國輸電線路應用較少。

1.3.3 自然被動除冰法

自然除冰法主要是依靠存在于大自然的風能、光能、熱能，包括地球引力等的能量，加上一些輔助的器械，來使導線更不容易聚集覆冰。這種除冰方式非常廉價，而且在實際使用上也沒有任何困難，但是，這種除冰的方法非常依靠特定的時間和區域，如多風的山谷等。這一嚴格的限制使得這種方法不能全面地使用于所有的地區。

圖2.2 融冰過程中的冰層旋轉

圖3.3 三項TCR電路圖

1.4 主要工作

本文主要的目的是分析覆冰的形成，并在眾多融冰方案中，針對SVC這一種新型的融冰方法進行分析，之后仿真驗證方案的可行性。闡述幾種除冰方法及應用場合。分析覆冰形成的條件、環境影響因素、融冰過程的模型，講述SVC裝置的原理、結構及功能實現。分析整流電路這個融冰裝置的核心部分。研究相控整流電路整流原理、相控過程、波形分析等。最后基于PSCAD平臺，對一條覆冰線路進行仿真研究。

2 導線覆冰條件及融冰模型

2.1 覆冰的形成條件

架空導線發生覆冰必須是在特定條件下，基本上包括：

（1）溫度必須低于0攝氏度的結冰溫度

（2）空氣中的水蒸氣含量要較高

（3）必須有較大的風速，至少要達到1m/s。

2.2 融冰過程的物理模型與融冰機理

這種通過短路電流發熱融冰的方法是內部接觸式的融冰，當導線上流過短路電流時，導線發熱，此時與導線直接接觸的冰層首先開始融化，這種融冰過程主要分為四個階段。

（1）升溫階段

在實際的戶外導線覆冰時，周圍環境的溫度都是低于0℃的，而融冰所需的溫度明顯要高于周圍環境溫度，在安裝融冰設備后，需要一段時間讓導線的溫度升高，在導線溫度上升到0℃之前冰層是不會融化的，需要一定的時間進行升溫，這個過程稱為升溫階段。

（2）冰層的旋轉階段

導線在融冰過程中會發生冰層旋轉的現象。其原理是當冰層內表面溫度達到0°C之后，與導線接觸的那一部分冰開始融化，冰層將發生如圖2.2所示的旋轉現象。主要是因為重力作用使覆冰較厚的部分向下墜，產生旋轉。

（3）冰層旋轉之后的融冰階段

在冰層旋轉之后，冰層比較厚的地方就會處于下方，冰層較薄的地方會處于導線的上方，這樣隨著時間的推移，上部冰層和導線之間就會出現空隙。空隙將會越來越大，直到冰層從導線上脫落。這個過程即為融冰階段。

（4）冰層脫落階段

隨著融冰的繼續，上表面的冰層會越來越薄，當上表面冰層厚度到達0時，冰層就會從表面脫落。

3 融冰裝置原理

3.1 融冰裝置簡介

本文所選取的12脈動整流兼svc無功補償系統裝置對覆冰導線進行短路融冰。這種融冰方式與其他的方式相比的優點有：

（1）融冰效率高

（2）由于整流成直流融冰，免去的感性負載所產生的感性無功

（3）諧波更弱，更有利于實際應用

（4）在平時非線路覆冰階段可以使用svc裝置進行線路的無功補償，在需要進行融冰時，可以通過對系統電路的切換與重構。

3.2 12脈動整流裝置的基本原理

12脈動整流電路是由兩個6脈動的換流器，在直流側通過串聯的方式連接而成。交流側則用換流變壓器，分別有三角形連接盒星形連接而成，兩者的相位相差了30°。

每個相鄰的晶閘管導通間隔為30°，而每個獨立的橋內的循環和六脈動完全一致，皆為60°間隔導通。

整流器在工作狀態中的兩個6脈動橋的分別電壓波形是與他們各自工作的時候波形是完全相同的。

對12脈動整流電路電流進行傅里葉展開式可以知道，交流系統中含有的諧波為12k±1次，就是說含有11、13……次的諧波，12脈動整流電路的諧波數量遠遠小于單橋6脈動整流電路的諧波含量。所以在使用直流融冰的時候，應該選取12脈動整流電路，可以高效低損耗地進行融冰作業。

3.3 svc裝置的基本工作原理

3.3.1 晶閘管控制電抗器（TCR）式svc的簡介

晶閘管控制電抗器，俗稱TCR，是一種能力連續調節無功，對系統進行無功補償的。這種方法可以令補償點的電壓接近保持不變。TCR最重要的特點就是可以保持在一些沖擊變化中端電壓不發生變化。所以在一些很大型的沖擊上的無功補償是非常有效的。

3.3.2 TCR裝置的基本原理

三相的TCR線路接法如圖3.3。

三相的TCR是由三個單項的TCR通過三角形連接接入到三相電網中的。三角形連接可以令3的倍數次諧波互相抵消，不會流入電網，從而使得諧波數量減少。TCR的優勢十分明顯，它可以連續地進行感性的無功的調節，使用TCR進行無功補償是十分好用的裝置。

3.4 融冰過程與svc過程的切換模式簡介

本裝置的優勢在于可以在非融冰時期進通過TCR式SVC進行無功的補償，在融冰時期通過對拓撲結構的切換，將線路功能轉變為12脈動的整流融冰電流，能夠進行對覆冰線路的融冰功能。下面通過對其中一個TCR的變換來講解其拓撲結構的改變。

如圖3.4.1三相橋式整流電路圖所示，以一個基本的6脈動橋式整流線路為例子，對其中一組晶閘管的拓撲結構修改如圖3.4.2切換過程示意圖。

將VT1的陰極與VT4的陽極短路，此時，圖3.4.2中紅標部分電路可以等效成如圖3.4.3TCR示意圖電路。

通過上圖可以明顯看出，通過這個改動，置整流電路的一個部分變成了TCR無功補償的線路，同理，12脈動整流融冰電路在經過類似一系列的變換之后，可以與SVC無功補償線路進行自由的切換。

4 12脈動電路仿真

4.1 仿真電路圖

圖3.4.1 三相橋式整流電路圖

圖3.4.2 切換過程示意圖

圖3.4.3 TCR示意圖

圖4.2 仿真結果波形

本文使用PSCAD軟件進行仿真工作，仿真過程的電路圖由12脈動整流電路的主電路圖、鎖相裝置圖、延遲部分裝置圖、觸發脈沖部分裝置圖和輸出裝置圖等幾個部分組成。由12個晶閘管組成的整流電路是整個仿真電路的重點，可以通過輸出裝置來看到起整流的波形，從而可以說明12脈動整流波形的融冰的可行性。

4.2 仿真實驗的結果

仿真實驗的波形如圖4.2。

圖中即為仿真結果，可以看出，在相間電壓Eab的一個周期中，輸出電壓Es總共經歷了12個周期，即仿真電路產生了12脈動的電壓波形。

5 總 結

線路覆冰對電網有著十分巨大的危害，它可以造成桿塔倒塔，線路短路、損毀，閃絡短路等嚴重后果，甚至可以導致惡劣的電網大面積停電事故，嚴重地影響了我國電力系統的穩定性與安全性。

本文中具體使用的電流融冰裝置是具有12脈動整流功能的svc裝置。12脈動整流裝置產生直流融冰電流，通過短路導線產生熱量來進行融冰。本文所使用的融冰裝置是基于svc無功補償的結構，通過一系列的邏輯開關切換，得到整流電路融冰。這種方式的好處是在非融冰期間可以通過TCR式SVC對電網進行無功補償，而需要融冰只需要幾個簡單的切換就可以使線路具有融冰功能，不會浪費線路功用，經濟性好。

本文還就12脈動整流電路通過PSCAD軟件進行了仿真，以證實整流電路可以產生足夠融冰的直流電流，在需要時進行融冰。

基于SVC的12脈動整流電路有著其他整流方法無法相比的優勢與發展前景，本文只是對其基本原理進行了探究，拋磚引玉，讓更多的人來對這一融冰方法進行研究與改進，保護我國的電網安全。

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