500kV 變電站固定式直流融冰裝置研究及應用

朱春良 周鵬杰

（國網江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌330096）

1 課題背景及研究的目的和意義

對于500kV 及以上電壓等級的敷冰線路，直流融冰法具有無可替代的優勢。國家電網公司《輸電線路電流融冰技術導則》規定，500kV 交流輸電線路不宜采用交流融冰方法，應優先配置固定式直流融冰裝置，不宜采用移動式直流融冰裝置，如果變電站有無功需求時，可以配置兼作無功補償功能的融冰裝置。因此,對于500kV 線路融冰，建議采取在變電站內建設大功率直流融冰裝置建設方案。

2 變電站融冰參數計算

輸電線路直流電流產生的熱量必須大于導線散熱量和融冰熱量之和導線覆冰才能融化。這就要求融冰電流需滿足熱平衡方程式

算出500kV 常用的4×LGJ400 型導線所需的融冰電流約為4kA，220kV 常用的2×LGJ300 所需的融冰電流約為1.69kA。

羅坊變是江西500kV 電網最重要的樞紐變電站之一。按500kV 線路融冰電流4000A、220kV 線路融冰電流1.69kA 對羅坊變的出線所需要的融冰容量進行了計算，羅坊變融冰裝置最大需要65MW。

3 基于全控器件可調節融冰兼無功補償裝置設計

羅坊變電站設計的融冰裝置直流融冰最大容量60MVA。新設計的融冰裝置直流融冰最大容量60MW。其中17 個模塊單元通過接觸器來控制投切模塊的數量來控制直流輸出電壓，每個模塊的容量為3.5MVA，不可調節，而基于全控器件的一個模塊中的全控器件用作斬波調壓開關管，功率在0～3.5MVA 范圍內連續可調，從而實現0～60MW/0～15kVdc 全范圍的直流融冰連續可調。

在不進行融冰時，對電網無功補償，提高裝置利用率。對無功補償容量的控制與融冰工作時容量控制方法相同，其中18個模塊單元通過復合開關來控制投切模塊的數量來控制無功補償容量的大小，每個模塊的無功容量為3.5MVar，不可調節，而基于全控器件的一個SVG 模塊在0～3.5MVar 范圍內連續可調，從而實現0～60MVar 全范圍的無功補償連續可調。

（1）主拓撲電路

為了實現快速融冰，融冰時線路將通過較大的直流電流。同時，融冰電源的電壓應當能在一定范圍內可調，以便可以滿足不同長度線路的融冰要求而不需要進行阻抗匹配。裝置采用模塊化設計，變流器部分包含不可控（二極管）整流單元和1 套四象限全控整流單元。變電站35kV 交流電源經過特殊的降壓變壓器（共有18 個低壓繞組）降壓后，進入融冰單元。融冰額定功率60MVA，無功補償容量60MVar。裝置做直流融冰時，17 組不可控整流器和1 組四象限整流器的直流母線串聯，可輸出直流電壓15kV，電流4kA；作電網無功補償用時，一組由IGBT 構成的三相四象限整流器根據指令向電網發出感性或容性無功電流，達到無功補償的目的。

直流電壓大小可通過改變串聯的整流橋數量進行改變，也可以通過調節四象限整流器直流電壓進行微調，以實現電壓全范圍調整。

（2）單元模塊結構

兼具無功補償的融冰裝置有兩種規格模塊。一種模塊是由不可控器件二極管組成的整流單元。另一種模塊是由全控器件IGBT 與不可控器件二極管組合的全范圍可調整流單元，如圖1所示。

圖1 裝置可控單元電氣原理圖

4 基于整流變及十二脈波二極管融冰裝置設計

本方案為目前電網融冰中采用的較為成熟的一種方案，裝置利用變電站35kV 電源作為輸入，通過融冰整流變壓器將35kV 通過降壓后接入二極管整流閥，通過二極管整流閥整流將交流變成直流，再經融冰方式切換刀閘將整流部件輸出的正負極施加到融冰線路的A、B、C 三相進行融冰，整流變壓器低壓側兩個繞組不同的接線方式，使兩個六脈波整流器各自輸出電壓相位相差30°，通過兩個整流器的串聯或并聯，抵消輸出直流電壓中的六脈動紋波，達到輸出十二脈波的目的，提高了輸出電壓的直流性能。同時在閥組交流側，輸入電流中6k±1 次諧波互相抵消，使得交流側僅含有12k±1 次諧波，電流諧波含量大大減少，通過整流變壓器的濾波，可以將整流變壓器網測的諧波控制在規程規定的諧波含量范圍以內。二極管整流控制系統簡單，整流可靠性高，采用風冷散熱方式，裝置造價低、體積小，且故障率低，運行可靠，故障檢測方便，融冰成功率高。

圖2 整流變+十二脈波二極管整流原理圖

裝置由直流融冰部件、感應電壓抑制部件、融冰刀閘、串并聯切換刀閘、輸出融冰方式切換刀閘、內部連接導體等構成。二極管直流融冰部件由融冰整流變壓器、整流器組成，通過對輸入35kV 電源的降壓、整流，能夠實現交流向直流的轉換，同時可以調節輸出電壓和電流，還具有諧波治理、控制保護、測量監控功能。

由于變電站主變低壓側為35kV，因此整流變壓器交流輸入電壓為35kV，同時變壓器設計多種檔位以滿足不同線路的融冰需求。

5 220kV 線路融冰試驗

220kV 羅渝Ⅰ線線路全長18.864km，共55 基桿塔，全線與220kV 羅渝Ⅱ線共塔，導線使用2*LGJ-300/25。

整流變采用第7 檔位（2305V），整流器采用兩橋并聯，融冰方式為兩相串聯，融冰電流約1594A，融冰順序先A 相串聯B相，再B 相串聯C 相，整流裝置輸出直流電壓通常為1.1 倍～1.4倍交流輸入電壓有效值，根據實際運行經驗可取1.25 倍經核實均滿足融冰電流要求。

5.1 保護整定原則

融冰前，需核對低壓側母線過流保護及主變低壓側保護定值單，交流過流速動和交流過流延時需優先考慮上級主變保護和35kV 母線保護，不得越限。

融冰前需將羅渝Ⅰ線退出母線母差保護范圍，避免母差保護動作。同時退出羅渝Ⅰ線相關其他保護。

5.1.1 交流速動段電流整定

按躲過勵磁涌流整定，可取融冰裝置額定交流輸入電流的4-6 倍進行整定，動作時間可取0-0.3s，以6 倍額定電流計算為例：

Isd≥6×Ie/NCT

采用56.36MVA 整流變壓器時，額定交流輸入電流為929.6A，則速動段保護定值為Isd =6×929.6A/（2000/1）=2.789A，取Isd=2.789A，時間t=0s；

5.1.2 交流限時段電流整定

時間按躲過勵磁涌流衰減時間整定（要求不能越限主變35kV 后備三側保護），可取0.6s-1.2s。

按躲過融冰時整流變高壓側最大負荷電流，并校核低壓側故障動作靈敏度，取融冰裝置額定交流輸入電流的1.2 倍進行整定。計算公式如下：

采用56.36MVA 整流變壓器時，額定交流輸入電流為929.6A，則限時段保護定值為Ixs=1.2×929.6A/（2000/1）=0.557A，取Ixs=0.557 A，時間t=1.2s；

5.1.3 直流電流保護整定

按躲過融冰裝置所能允許的最大直流電流的1.2 倍整定。羅坊變融冰裝置額定直流輸出電流為4000A，直流保護定值：

融冰裝置總電流Izs=4000×1.2=4800A

融冰裝置A 橋電流Izs1=2000×1.2=2400A

融冰裝置B 橋電流Izs2=2000×1.2=2400A

5.2 融冰流程與效果

觀察直流融冰裝置各部位運行情況及溫度，監測裝置直流輸出電壓、輸出電流，羅渝Ⅰ線A、B 相直流融冰工作已開始，監視站內融冰回路設備、直流融冰裝置運行狀況，線路沿線觀測點與站內觀測點，監視線路A、C 相溫升與脫冰情況，現場監測點觀冰人員觀測到線路覆冰基本脫落后，申請羅渝Ⅰ線直流融冰工作結束并恢復設備運行狀態。