交流輸電系統直流融冰裝置簡介及其應用

胡琴

【摘 要】本文首先闡述了融冰裝置方案，從融冰裝置的兩種電源來源，即發電機與變電站進行分析，然后對直流融冰的應用推廣加以簡要敘述，最后對融冰裝置線路接入方式及其故障控制策略進行分析研究。

【關鍵詞】直流融冰；推廣應用；接入方式

冰凍災害常常考驗著電力系統，電網技術如果裕度不夠，常常會發生冰閃甚至倒塔斷線、電網癱瘓的情形。融冰技術通過將電能轉化為熱能，增大導線電流提升溫度實現融冰目的，融冰技術具有多方面的突出優勢，時間短、易操作等，因此這項技術具有很好的運用推廣價值，值得重點研究。

一、融冰裝置方案

直流融冰法的優勢主要體現于融冰方式，通過大容量設備將交流電源轉化為直流，發電機或者交流電網均可以作為其電源，將導線一端與直流融冰裝置直接相連，導線另一端短路，將直流電流注入導線來實現加熱目的，進而完成融冰目的。這種融冰方式僅需消耗小部分無功，因此適用范圍較為廣泛。覆冰融化的前提是上述過程所產生的熱量大于導線散發及其融冰熱量之和。

在運用直流融冰過程中，須注意以下幾個技術核心問題： 1）線路所需最小電流；2）裝置容量、融冰裝置能夠提供的最大融冰電流、融冰裝置能夠提供的最大輸出直流電壓；3）輸入電源的來源；4）無功和諧波對交流電網產生的影響；5）變電站的接入方式。

（一）電源由發電機（發電車）提供

直流融冰電源由發電機提供的電路圖1所示。這里的發電機可以是大功率柴油發電機組，也可以是電網發電機。在這種電源模式下，通過改造主接線，將其通過旁路與整流器聯通，獲得直流電源，最終達到融冰目的。

（二）電源由變電站提供

直流融冰電源由變電站提供的示意圖如圖2，系統電源通過換流變壓器、整流裝置，最終實現帶線路融冰。

假如220kV及其110kV變電站中，10kV恰好能夠滿足此種整流器電源輸入需求，直流融冰為一種特殊工況，220kV主變或110kV主變可以滿足其換相電抗需求，融冰過程中將其直接與220kV主變或110kV 主變10kV側直接連通。

上述模式沒有整流變壓器，可以實現在各變電站之間整流器直接移動，但這模式只能選擇六脈動整流，在整流過程中不可忽視的因素是其間生成的無功和諧波，而且需要評估在這個過程中產生的220kV或者110 kV的換相電抗對主變產生的影響。

二、直流融冰裝置的應用

2008年冰凍災害受災最嚴重的地區變電站之一為貴州福泉變電站。福泉500kV變電站電壓具有五個等級：500kV、220kV、110kV、35kV、10kV；有非常理想的直流融冰技術應用環境，所以選擇此地進行實地試驗，裝置試驗選擇500kV。參考國內一系列較為成熟的裝置技術及其調試經驗對直流融冰系統現場試驗及其測試項目進行了研究、確定，并對無功和諧波進行了分析計算。為避免融冰試驗試驗對于導線的損傷，計算了220kV及其500kV輸電線路所需最大電流與溫度。為保障試驗的安全性，測量并對比分析了直流電阻。于2008年8月在銅仁市完成了220kV 直流融冰裝置樣機全部試驗項目，同年9月于貴州福泉完成25MW直流融冰裝置全部試驗項目。此次試驗取得了良好的效果，取得了較為理想的示范效應。

現場試驗取得成功之后，直流融冰裝置相繼在黔、粵、滇等南方冰凍重災區得到了推廣應用。試驗成功之后的次年年初在南方大范圍的數日持續低溫期間，融冰裝置于黔、粵、滇三省電網陸續啟用，進行實戰，在短時期之內，實現了使導線上的覆冰全部脫落的既定目標。試驗與實戰的成功意味著直流融冰裝置核心與關鍵技術的研發與應用方面獲得了成功。

三、融冰裝置接入方式故障控制策略

（一）接入方式

直流融冰裝置目前采用的接入方式主要是短路法，通過短接形成回路，最終實現線路融冰。接入方式在目前運用普遍的“一進兩回”模式的前提下，還有一種行之有效的自動融冰與切換方法，在對融冰電流輸出進行調節的同時，在融冰電源不間斷的情況下，按照裝置線路實際負載對開關k1～k5進行控制、切換，實現接入線路的自動變換，圖3中A、B、C依次代表負載線路的三相接入點，其接入方式如圖所示：

模式一：A相進，B、C相回：k1、k3、k5閉合，k2、k4分斷。

模式二：B相進，A、C相回：k2、k3、k4閉合，k1、k5分斷。

模式三：C相進，A、B相回：k1、k2、k3閉合，k4、k5分斷。

在這種接入模式中，k1和k4之間互鎖，k2和k5之間互鎖，避免出現由于開關誤操作導致的短路故障。在融冰接入方式按照上述模式進行自動切換時，為了確保融冰控制按照合理方式進行，需要對其順序和邏輯加以科學控制。在線路切換工程中，融冰電源的工作沒有必要間斷，只需控制電流及其接入開關的分合便可完成切換工作及其自動融冰任務。

在上述自動切換模式的前提下，提出了一種新型三相循環自動融冰控制策略，在這種控制策略下進行融冰接入線路切換過程中，不需要停止整個融冰電源，通過對斬波器的控制，不需要停止整個融冰電源，就能夠實現3種線路接入工作模式的切換，完成三相循環自動融冰。

要按照融冰時間及其線路溫度對融冰正常完成與否加以判斷。融冰開關切換、封鎖融冰斬波脈沖的同時，對系統開關狀態及其線路電流要加以檢測（確保線路電流為0）。以“A相進，B、C相 回”接入工作模式舉例，在這種模式中融冰相電流為IA，可得IA=IB+IC，通過焦耳熱及其流經線路電流的平方成正比的關系來看，A相吸收的熱量為B相及其C相的4倍，在A相融冰試驗過程中，A相溫度先升高，在這個時候對正常融冰完成加以判斷的條件是：融冰相溫度大于融冰規定臨界值；融冰時間大于2t。在系統滿足上述任何一項條件的情況下，可切換至下一相的融冰或者停機結束。融冰相溫度由實驗時的各觀測點紅外測溫成像儀進行測量之后傳回。融冰時間t計算公式為：

（二）故障及其控制策略

在具體操作過程中，對線路短路進行保護的方法是通過中間接地電容來對半電壓狀態進行檢測，對可能存在于裝置直流一側的短路或者接地等故障進行檢測與排查，下圖中R1、R2兩個電阻完全一致。

在進線接地短路故障與回線接地短路故障中存在如下3種可能性：

（1）進線接地，在這種故障中負載電流會出現突然急劇上升情形，此時變流器裝置通常會啟動相應保護動作，在這種情況下UR1<2UR2且UR2<2U0 /3成立。

（2）回線接地，在這種故障中負載電流仍會出現突然急劇上升情形，此時變流器裝置通常會啟動相應保護動作，在這種情況下UR1>2UR2且UR1>2U0 /3成立。

（3）進線與回線短接故障：當UR1=2UR2依然成立，但是系統負載會在短時間內出現突然變小的情形，電流發生突變，短接位置決定幅度值大小，若突變達到系統保護設定的門檻值時分級保護動作，門檻值設置為1.2倍額定電流。直流融冰系統直流側短路及其接地等故障，可以按照負載電流變化、電阻R1及其R2端電壓的比較分析來確定故障類型，并且采取相應保護動作。

直流融冰技術通過實驗，裝置已經投入實際使用中，直流融冰裝置作為一種針對冰凍災害極端氣候的一種應急方式優勢明顯，調節領域與范圍廣闊。直流融冰裝置運用自動切換技術保障了融冰的均衡性，安全系數、可靠系數、可操控性及其結構非常理想。一系列實驗證明了直流融冰技術的可行性、故障解決策略的有效性，關于這項技術的一系列科研成果已經得到了轉化，在很大范圍內起到了示范帶頭作用，在相關技術與實踐領域開拓了一片新天地。

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