一種配電網線路不停電融冰方法

楊少杰，高一波

（1.國網浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江華電器材檢測研究所，杭州 310015）

一種配電網線路不停電融冰方法

楊少杰1，高一波2

（1.國網浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江華電器材檢測研究所，杭州 310015）

提出了一種配網線路不停電融冰的方法，通過降低配電網線路覆冰段的運行電壓、增加覆冰段線路電流，以實現熱力融冰。將2臺大范圍有載調壓變壓器通過開關裝置串聯接入線路覆冰段兩端，通過這2臺融冰變壓器的協同調節降低線路覆冰段運行電壓，并保證負荷端電壓的穩定。基于PSCAD平臺搭建了配電網線路不停電融冰系統仿真模型，對不同工況下的線路融冰運行情況進行了仿真分析，并對不同無功補償方案進行對比分析，從而為線路提供電壓支撐，最后給出了該方案的適用場合。

不停電融冰；融冰變壓器；配網線路；無功補償

0 引言

冰災是電力系統常見的自然災害之一，2008年發生在湖南、廣東等南部省份的大冰災導致輸電線路大面積、長時間停運，嚴重影響了電網安全穩定運行，給社會經濟和人民生活造成巨大損失[1，2]。此次冰災事件也直接推動了融冰技術在輸電線路上的應用研究。

熱力融冰技術是基于導線的焦耳熱效應，通過提高流過導線的電流來使導線發熱，進而達到融冰的目的。作為熱力融冰手段的一種，短路融冰是目前應用最多的輸電線路融冰方法[3，4]。但短路融冰方案在融冰期間需要中斷電力傳輸，這對覆冰周期較長或存在反復覆冰情況的線路是無法接受的。

現有關于不停電融冰技術的研究大多關注的是高壓輸電線路，且基于復雜的網絡潮流控制或雙回線路環流控制。文獻[5]介紹了一種潮流控制算法，通過調整整個輸電網絡的潮流分布來調控不同線路的融冰能力，以形成整體最優的抗冰策略。但此算法對網絡結構有較強依賴性，不適用于配電網（以下簡稱配網）融冰。文獻[6]和文獻[7]針對雙回輸電線路提出了一種基于線路環流的融冰策略，通過在其中一回線路上串入一臺調相變壓器來改變該條線路的相角，通過控制兩回線路之間的相角差來控制兩回線路間的環流，以實現不停電融冰。顯然調相變壓器方法只能應用于雙回線路，而配網線路一般都是輻射狀的單回線路，故潮流控制難以實現，也無法形成雙回線路環流。

針對上述問題提出了一種配網線路不停電融冰的方法，通過降低配網線路覆冰段的運行電壓、增加覆冰段線路電流來實現熱力融冰。對于一條普通的配網線路，融冰電流往往大于其正常負載電流的2倍。為達到融冰電流，需要將線路運行電壓降低至正常運行電壓的一半以下，這遠遠超出了普通配電變壓器的調壓范圍。為了保障融冰過程中電力供應的穩定并將電壓波動控制在許可范圍內，在配網線路不停電融冰方案中采用了一組特殊的有載調壓變壓器。以下通過PSCAD仿真軟件對配網線路不停電融冰仿真系統不同工況下的運行狀態進行分析對比。

1 配網線路融冰系統

以浙江西部地區某典型10 kV配網線路為例，搭建了配網線路不停電融冰仿真系統。該線路的1/3左右長度位于山區，在冬季會出現覆冰；同時該線路是接入此區域的唯一1條饋線，不能長期停電；另外，該區域沒有精密制造業負荷，對輕微電壓波動不敏感。

仿真系統的拓撲結構如圖1所示。其中，110 kV主變壓器T1的額定變比是110 kV/10 kV，配電變壓器T2的額定變比是10 kV/400 V。融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2的額定變比均為1∶1，它們通過開關裝置接入線路，正常運行時被開關B-1和B-4短接。根據浙江地區的氣象條件，線路覆冰段多在山區，圖1中覆冰段線路標記為Lineiced。為減少正常段線路在融冰時的損耗，并降低融冰變壓器的容量，將融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2安裝在靠近線路覆冰段的位置。

圖1 配網線路不停電融冰仿真系統拓撲結構

2 配網線路融冰方案

2.1 融冰方案

在融冰模式下，開關B-2和B-5以及開關B-3和B-6合上，然后開關B-1和B-4打開，融冰變壓器Tdice-1和Tdice-2通過開關裝置的切換串聯接入線路。融冰變壓器初始運行在變比為1∶1的狀態，其接入不影響線路正常運行。

為降低覆冰段線路運行電壓以獲得融冰電流，逐步調節覆冰段始端融冰變壓器Tdice-1的分接頭位置，使其變比增大。與此同時，為了控制線路末端電壓穩定，同步調節覆冰段末端融冰變壓器Tdice-2的分接頭位置，使其變比減小，直至線路電流達到要求的融冰電流值。由于負荷對于小范圍的電壓波動并不敏感，2臺融冰變壓器的分接頭檔位調節沒有嚴格的同步性要求，能節省部分通信系統的投資。文獻[8]以220 kV輸電網絡為研究對象，通過系統潮流計算對變比的優化取值進行了分析，該算法簡化之后也可應用于配網線路。

2.2 融冰電流

最小融冰電流取決于多種環境因素的共同作用，比如環境溫度、風速、導線直徑、覆冰厚度等[9-12]。關于架空導線覆冰過程以及熱力融冰過程已有大量研究，提出了描述導線覆冰過程的多種物理模型，以及線路最小融冰電流的計算方法。文獻[11]根據導線覆冰的物理過程對期間的熱平衡進行了分析，推導了濕增長覆冰向干增長轉變的臨界條件，并對其影響因素進行了討論。文獻[12]在架空導線覆冰模型的基礎上，對3種熱力融冰模型進行了數學描述，并推導了不同模型下的融冰臨界電流值。由于融冰電流的具體數值選取對配網線路不停電融冰方案本身沒有實質性影響，故直接引用表1所示的架空線路1 h融冰電流數值。

表1 架空線路1 h融冰電流[13]

表1所列的是在環境溫度為-5℃，風速為5 m/s，導線覆冰層厚度為10 mm條件下計算得到的架空線路1 h融冰電流值。

3 仿真分析

配網線路不停電融冰仿真模型中采用的線路參數如表2所示。仿真系統按圖1的拓撲結構搭建，融冰過程中整個系統運行于穩態，采用基于貝瑞隆的線路仿真模型。

表2 線路參數

3.1 未設置無功補償的仿真結果

如圖1所示，仿真系統測量線路各處的電壓，U1和U2分別是整條線路首、末端電壓，U3和U4分別是線路覆冰段首、末端電壓。I1是正常段線路電流，I2是覆冰段線路電流。在未設置無功補償的情況下，正常運行模式及融冰模式下的線路電壓、電流如表3所示。

表3 未設置無功補償時的仿真結果

根據表3所列仿真結果，未設置無功補償時，融冰模式下線路末端電壓低于9.5 kV，不符合供電質量要求。可見，由于融冰模式下線路電流成倍增加，在沒有無功補償的情況下僅靠調節融冰變壓器的分接頭檔位已無法有效控制線路末端電壓。

3.2 設置無功補償的仿真結果

為有效調節線路末端電壓，需要設置無功補償。通過仿真對比分析了在線路首、末端以及覆冰段首、末端4個位置設置容量均為1 Mvar的無功補償方案，仿真結果如表4所示。

由仿真結果可知，在線路首端設置無功補償并不能有效改善線路末端電壓。在線路末端設置無功補償則會過度抬高線路末端電壓，使400 V低壓母線電壓超標，而且該補償位置下的線路電流和融冰電流顯著大于其他方案。

表4 設置無功補償后的仿真結果

由仿真結果可知，在覆冰段線路的首端或者末端設置無功補償既能有效調節線路末端電壓，又能將非覆冰段線路電流控制在較低水平。而且便于在安裝融冰變壓器的同時配套安裝相應的無功補償裝置，減少線路改造的工作量。

在線路覆冰段末端設置無功補償后，融冰過程中線路首、末端的電壓如圖2所示。隨著融冰段線路電流的上升，線路首端電壓U1逐步下降，但降幅未超過2.5%，而線路末端電壓U2下降明顯。之后隨著融冰變壓器的檔位調節，線路末端電壓U2逐步回升至9.5 kV以上。由圖2可見，線路末端電壓U2低于9.5 kV的持續時間少于0.4 s。由于負荷對短時間的電壓跌落并不敏感，故認為這是可以接受的。

圖2 線路首末端電壓波形

線路A相電流波形見圖3。可見，線路融冰段電流I2顯著上升，超過1 h融冰電流值；而線路非融冰段電流I1上升則少于50%正常運行時的線路電流。相比于會提高全線電流的傳統不停電融冰方法，文中提出的配網線路不停電融冰方法不會顯著提高非覆冰段線路的電流，降低了線路損耗和電壓降，能減少無功補償裝置的容量。

3.3 融冰變壓器非同步投入的影響

針對實際使用中可能出現的2臺融冰變壓器非同步投入的情況進行了仿真分析，結果如圖4所示。圖4（a）所示是2臺融冰變壓器同步投入運行時的負荷側電壓波形，融冰變壓器的投入對負荷側造成100 V左右的電壓降。圖4（b）和（c）分別是融冰變壓器Tdice-2延遲0.1 s投運和融冰變壓器Tdice-1延遲0.1 s投運情況下的負荷側電壓波形，兩者波形相似，均表現為負荷側電壓分2次跌落100 V。可見，2臺融冰變壓器非同步投入對負荷側電壓沒有額外的影響。

圖3 線路A相電流波形

圖4 開關B-1和B-4非同步操作對負荷側電壓的影響

4 結論

通過軟件仿真驗證了配網線路不停電融冰方法的有效性，得出以下結論：

（1）融冰過程中線路覆冰段的電流顯著升高，超過該線路1 h融冰電流，在設置了無功補償后線路末端穩態電壓控制在9.5 kV以上。

（2）在線路覆冰段的首端或末端設置無功補償能對線路電壓提供有效支撐，建議在安裝融冰變壓器的同時配套安裝相應的無功補償裝置，以減少線路改造的工作量。

由于高電壓等級的大范圍有載調壓變壓器制造成本過高，文中提出的融冰方案適用于35 kV以下、覆冰周期較長的山區線路，但不適用于有分支線路的配網線路。

[1]HUANG Q，CHEN Y，ZHANG C H.Design of an adaptive on-load de-icing scheme for overhead power transmission line[C].Power&Energy Society General Meeting，PES'09. 2009.

[2]HUANG X B，XU W.A new on-line monitoring technology of transmission line conductor icing[C].2012 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis（CMD），2012.

[3]Li S S，WANG Y H，Li X Y，et al.Review of de-icing methods for transmission lines[C].2010 International Confer ence on Intelligent System Design and Engineering Application（ISDEA），2010.

[4]趙國帥，李興源，傅闖，等．線路交直流融冰技術綜述[J]．電力系統保護與控制，2011，14（39）∶148-154．

[5]HUNEAULT M，LANGHEIT C，ST-ARNAUD R，et al.A dynamic programming methodology to develop de-icing strategies during ice storms by channeling load currents in transmission networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2005（20）∶1604-1610.

[6]CLOUTIER R，BERGERON A，BROCHU J.On-load network de-icer specification for a large transmission network [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007（22）∶1947-1955.

[7]BROCHU J，CLOUTIER R，BERGERON A.On-load net work de-icer for HV transmission lines[C].Int.Workshop on Atmospheric Icing of Structures，2005.

[8]李曉明，周冬旭，江建飛，等．輸電線覆冰自動防御系統建模及其對電網的影響分析[J]．高電壓技術，2013，39（3）∶698-704．

[9]舒立春，羅保松，蔣興良，等．智能循環電流融冰方法及其臨界融冰電流研究[J]．電工技術學報，2012，27（10）∶26-34．

[10]蔣興良，范松海，胡建林，等．輸電線路直流短路融冰的臨界電流分析[J]．中國電機工程學報，2010，30（1）∶111-116．

[11]HUNEAULT M，LANGHEIT C，CARON J.Combined models for glaze ice accretion and de-icing of current-carrying electrical conductors[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2005（20）∶1611-1616.

[12]孫才新，蔣興良，熊啟新，等．導線覆冰及其干濕增長臨界條件分析[J]．中國電機工程學報，2003，23（3）∶141-145．

[13]趙立進，馬曉紅，許逵，等．貴州電網融冰方法的研究和應用[J]．南方電網技術，2011，5（6）∶118-122．

（本文編輯：方明霞）

A Non-outage De-icing Method of Distribution Lines

YANG Shaojie1，GAO Yibo2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China；2.Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

A non-outage de-icing method of distribution lines is proposed.By lowering operating voltage of the iced distribution lines and increasing the current of the iced lines，the ice is melted by heat.A pair of widerange on-load tap changer transformers are connected in series with both terminals of the iced lines through switches.By adjustment of the two transformers，the operating voltage of the iced lines is lowered to ensure voltage stability at the load terminal.A simulation model of non-outage deicing system of distribution lines is established based on PSCAD platform to simulate and analyze line deicing under different operating conditions；besides，the various reactive power compensation schemes are compared to provide voltage support for lines.In the end，the application scenario of the scheme is expounded.

non-outage deicing；deicing transformer；distribution line；reactive power compensation

TM752+.5

B

1007-1881（2016）11-0014-04

2016-08-30

楊少杰（1978），男，工程師，主要從事電網運行與控制等方面的研究工作。