直流融冰兼無功補償裝置結構分析

朱旭東，陳 鶴，辛業春

(1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000;2. 東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

2008年1月，一場“百年難遇”的冰雪自然災害悄然而來，罕見的冰凍給南方電網中的各類輸電線路、各種電氣設備都造成了十分嚴重的損失。輸電線路覆冰嚴重，難以提供正常電力供應。這極大地影響了人們的日常的工作、學習和生活。

以云南地區為例，冰雪災害造成云南省電壓等級在10～500 kV的線路累積停運1091條，變電站累積停運76座。110 kV及以上輸電線路倒塔(桿)120基，桿塔塔頭垮塌、損壞113基，導、地線斷線137條。這導致了205個鄉鎮面臨停電，影響電量累計可達1.88億kW·h，造成2156戶工業停工，85.4萬戶居民家庭停電，累計涉及人口可達429.5萬人，造成了極大的損失。因此，解決寒潮天氣狀況下的冰凍問題十分重要[1]。

為了避免冰雪災害對電力系統的影響，各種各樣的融冰技術、形形色色的融冰裝置也受到人們的廣泛關注。常見的融冰方式主要有：交流短路融冰法、直流融冰法、電磁脈沖融冰法、高頻電壓激勵融冰法及機械除冰法等。這些方法有一個相似的特點就是：通過使輸電線路中電流的急劇增加或其他機械方法，使導線本身產生大量的焦耳熱，促使周圍的冰層融化脫落，達到除冰的目的。生活中常見的除冰方法或多或少包含著缺點。對于交流短路融冰法，在電壓等級為500 kV及以上等級時，需要的無功很多，難以找到滿足要求的電源，融冰時間往往長達數個小時。對于高頻電壓激勵融冰法，高頻高壓的條件會導致通信受到干擾，設備成本高昂，除冰距離有限。對于機械除冰法，必須要將需除冰的部分停電處理，以保證人員安全；其次，機械除冰耗時費力，也不允許電氣設備的機械損壞的狀況發生。對于直流融冰，必須要求融冰線路與電網斷開，融冰結束后，該裝置作為就地無功補償裝置，使用頻率低，占地面積大，但直流融冰產生熱量均勻，融冰效果好。

該文主要論述如何將直流融冰與無功補償二者協同運行，一方面使該裝置的融冰操作有效進行；另一方面使裝置在融冰結束后，仍可并入電網，為電力網絡實時提供無功，以達到電壓實時平衡的目的。

1 直流融冰的原理及特點

1.1 直流融冰的原理

直流融冰主要是指交流電壓通過換流站轉化為直流電壓，連接在待融冰線路兩端，由于短路作用，電流數值急劇增加至正常工作電流以上，導線溫度也隨之上升，從而使附著在導線上的冰層融化脫落，最終達到去除的目的。

通常情況下，將裝置中包含整流變壓器的融冰裝置稱為固定式融冰；反之，不含有整流變壓器的融冰裝置稱為移動式融冰[2-4]。在融冰的過程中，線路的連接也有兩種方式：一種是1-1方式接線，是指在融冰的過程中，在三相(A相、B相、C相)導線中任取其中兩相直接接在直流電壓的兩端，構成短路回路進行融冰，如圖1所示；另一種是1-2方式接線，是指在融冰過程中，將三相導線中的其中兩相并聯后接到直流裝置的其中一極，將導線中剩余的一相接到另外一極，形成融冰回路，如圖2所示。

圖1 1-1方式接線示意圖

圖2 1-2方式接線示意圖

1.2 直流融冰的特點

1)在需要融冰的線路上，不用考慮電感的損耗，故不需要無功功率來使效率提高、電壓穩定，因此系統容量不用很大。

2)線路上通入直流電流，穩定性不會隨長度的變化而有明顯的影響；同時，導線中電流密度分布均衡，產生的焦耳熱的大小也比較均勻。

3)直流融冰的倒閘操作相對于交流融冰而言更加簡單，但是往往需要特定的換流裝置來進行操作。

4)移動式融冰需要將裝置運到融冰現場來操作，需要進行臨時接線，耗費時間。

2 SVC裝置的原理及分類

2.1 SVC裝置的原理

靜止型動態無功補償裝置(Static Var Compensator，SVC)通常包含一個電抗器和一個電容器，電抗器用來調節電感的大小，電容器用來濾出產生的高次諧波。此裝置往往能夠識別出電力系統中無功功率的實時波動情況，從而迅速地進行調節，使系統中的無功功率滿足要求，電能質量也有所提高。

在實際應用中，SVC裝置對于解決不同類型的負載所產生的無功功率的變化效果十分明顯。該裝置的應用使系統的功率因數得到明顯的提升，電壓的波動得到了抑制，電壓和電流的三相不平衡度也有所降低，是一種擁有高水平技術、明顯的經濟效益的節能裝置。

2.2 SVC裝置的分類

2.2.1 晶閘管控制電抗器型(TCR型)

采用反向并聯兩支晶閘管，再與電抗器串聯，如圖3所示。通過改變觸發角的大小來對此裝置進行改變，本質上來說，此操作改變了等值電納，因此裝置的無功輸出也發生了改變。該裝置響應速度快，調節過程平滑連續，自動實現補償。

圖3 TCR型無功補償裝置

2.2.2 晶閘管投切電容器型(TSC型)

利用反并聯晶閘管作為無功補償裝置，它利用晶閘管具有單向導通性的特點，迅速并平穩地對電容器進行投切，如圖4所示。投切具體時間可以精準把控，能立刻將電容器并入電網，大大降低了投切時的電壓沖擊，減少了諧波的產生。

圖4 TSC型無功補償裝置

2.2.3 帶濾波器的晶閘管控制電抗器型(TCR+FC型)

一種組合補償形式，通過控制裝置中反并聯的二極管的觸發角，來實現將TCR的補償范圍從感性擴展到容性區域，既可以供給感性無功，又可以供給容性無功。這種組合是對TCR型裝置功能的完善。內部的電容器起到濾波作用，減少了諧波的產生，是當前SVC的一種較為常見的方式，如圖5所示。

圖5 TCR+FC型無功補償裝置

3 直流融冰兼SVC裝置

傳統的直流融冰方式中融冰裝置每年工作的時長有限，其余時間內，該裝置大多處于閑置狀態，可利用率很低。將直流融冰裝置與SVC裝置進行一體化設計，在需要融冰時當作融冰裝置；在融冰結束后，直接并入電網中，對電網進行實時的無功功率補償，提高了設備的利用率以及整體的經濟性。常見的直流融冰兼SVC裝置類型有TCR型和可控整流器型兩種。

3.1 TCR型直流融冰兼無功補償裝置

該裝置的原理是通過改變6個晶閘管的連接方式，從而使整個裝置可以在直流融冰和無功補償兩種狀態進行切換。當裝置處于融冰狀態時，ABC三相均連接了反并聯晶閘管的其中一端，另一端3個共陰極組相連作為融冰線路的正極，3個共陽極組相連作為融冰線路負極。當裝置處于無功補償狀態時，任意兩相之間加入反并聯的2支晶閘管。不同狀態時的電路原理圖如圖6、圖7所示[5]。

圖6 直流融冰狀態原理圖

圖7 無功補償狀態原理圖

3.2 可控整流器型直流融冰兼無功補償裝置

該裝置的主要原理是通過改變末端開關的關斷與閉合，將待融冰部分與電路相連和斷開，實現融冰和無功補償的切換[6]，如圖8所示。其中S1、S2為隔離開關，當S1斷開，S2閉合時，待融冰線路上通以直流電流，裝置運行在直流融冰模式。當S2斷開，S1閉合時，整流裝置的直流側經電抗器直接短接，由于電抗器的電感值極大，此時，整流裝置上消耗的無功功率遠大于有功功率，該裝置等效為感性無功補償裝置，并可通過改變整流裝置觸發角的大小實現消耗無功功率大小的調節。

圖8 可控整流器型直流融冰兼無功補償裝置原理圖

3.3 二者優缺點分析

TCR型直流融冰兼無功補償裝置的優點是在工作的過程中，產生的諧波較小，無功補償及時，電能質量好，有利于系統的穩定；缺點是由于此種形式的裝置主要是通過改變晶閘管連接方式調節的，切換過程操作復雜，工作量較大，影響系統的穩定性。

可控整流器型直流融冰兼無功補償裝置的優點是整個過程中，并未改變晶閘管的連接方式，僅靠更改外部開關通斷，切換過程操作簡單，增加了系統的可靠性；缺點是無功補償時會產生相對比較明顯的諧波，補償速度也會相對較慢。

4 結 語

闡述了直流融冰以及無功補償裝置原理，并分析了兩種常見的直流融冰兼SVC裝置。通過原理分析以及優缺點的對比可發現，該裝置可以良好地解決寒潮時期的冰凍問題，增加了裝置的利用率，提高了經濟性，使該技術的優點得以顯現。但是，操作方便與諧波含量少二者之間仍難以兼顧。隨著直流融冰的普及與發展，可想辦法將二者優點結合，優化操作過程，或者選取穩定性更高的半導體元件。這樣，直流融冰方法得到更好應用。