交流輸電系統直流融冰裝置設計及其應用

王 森

烏海電業局輸電管理處

交流輸電系統直流融冰裝置設計及其應用

王 森

烏海電業局輸電管理處

在輸電線路融冰安全運行保障中，融冰技術包括機械除冰法、被動除冰法以及熱力融冰法，在熱力融冰法中，直流融冰技術是最為理想、最為有效的融冰技術，應用最為廣泛。對此，本文首先介紹了輸電線路覆冰的原因及危害，然后對輸電線路直流融冰技術進行了詳細探究，以期促進其在輸電線路安全運行中的應用，保障電力系統在冬季覆冰狀態下依然能夠安全可靠的運行。

交流輸電系統；直流融冰；裝置設計；應用

在電力系統中，輸電線路冬季覆冰是十分嚴重的自然災害。輸電線路在冰雪的影響下，會造成供電中斷，甚至會引發電網解列等事故。輸電線路融冰修復難度較大，而且周期比較長，因此，輸電線路融冰已經成為電力系統安全運行的難點，對輸電線路融冰技術進行深入研究具有十分重要的現實意義。

1 直流融冰裝置及過流保護存在的問題

不同電壓等級輸電線路對融冰電流的需求不同，因此適用于不同電壓等級覆冰線路的直流融冰裝置也有所不同。其中，由兩個三相橋式整流電路串聯構成的12脈動整流器在高壓及超高壓輸電線路的直流融冰中應用最為廣泛。而高壓或超高壓輸電線路融冰時所需的整流電壓較高，需配備專門供線路融冰使用的換流變壓器。因此，本文以其為研究對象，電路結構如圖1所示。由于直流融冰裝置兩個換流變的二次側分別為角接和星接，為便于說明，簡記圖1中位于上方的三相橋式整流電路及與之連接的換流變為D橋電路，位于下方的三相橋式整流電路及與之連接的換流變為Y橋電路。

圖1 12脈動直流融冰裝置結構示意圖

為了對直流融冰裝置重要一次設備形成區域性保護，實現保護功能清晰化、區域化，需要對直流融冰裝置進行保護分區。分區的原則是對重要一次設備形成區域性重點保護，以該區域一側或兩側電氣量構成保護判據。直流融冰裝置可以分成以下四個保護區：交流保護區、換流變保護區、換流器保護區、直流線路保護區。

交流保護區由換流變網側交流系統區域構成，主要包含常規交流保護。換流變保護區為圖1中紅色實線框內區域，包含變壓器縱聯差動保護等保護，主要保護換流變。換流器保護區為圖1中綠色實線框區域，包含閥短路保護、過流保護和接地過流保護等保護，主要保護換流閥元件。直流線路保護區由融冰線路區域構成，主要包含橫差保護等保護。各種保護原理相互配合構成一個完善的保護配置系統，保證直流融冰裝置安全可靠運行。融冰裝置中每個被保護元件一般同時位于幾種保護原理的保護范圍內，每種保護的動作的故障條件可能不同，但是一旦元件出現故障，各種保護原理都將按照動作邏輯有選擇性的判定故障，保護元件的安全。

2 帶電直流融冰方案的實施

2.1 融冰方案的實施步驟

該方案的實現主要包括以下步驟：1)安裝絕緣間隔棒。嚴格地說，這一步驟應該在輸電線路架設時就應該事先安裝好，它的主要作用是使融冰線路檔距內的分裂子導線相互絕緣。2)確定融冰距離。根據災情的不同，可以對重災區進行優先融冰，同時，融冰距離決定了融冰電源的功率。3)根據融冰電流的影響因素，例如風速、環境溫度和覆冰厚度等因素確定融冰電流、融冰電源的功率等參數。

按照以上步驟，用ATP軟件對該方案進行仿真分析，仿真參數如下：1)以某一電壓等級的二分裂輸電線路為原型；2)輸電線路導線的型號為LGJ-300/40，總長度取為220km，假設該線路覆冰段長度為20km；3)用RLC串聯電路模擬負載；4)分裂導線間距為400mm。

2.2 融冰電流的選取

對線路進行融冰時，應確定輸電線路的臨界融冰電流和最大允許電流[25-27]。臨界融冰電流是指通過融冰線路(單根子導線)上的電流在當時的環境下可以使覆冰融化的最小電流；最大允許電流是指在融冰過程中允許線路達到最高溫度(90℃)時所通過的電流；保線電流是指導線的溫度在冰點以上使輸電線路不覆冰的最小電流。

2.3 融冰時間與融冰電流的關系

融冰時間是融冰電流的非線性函數，即融冰時間T是電流I2的單調減函數。在環境溫度為-5℃、覆冰厚度為10mm、風速為5m/s情況下，典型導線的融冰時間與融冰電流的關系。

2.4 融冰裝置類型

直流融冰裝置一般又可以被分為兩種，即固定式直流融冰裝置以及移動式融冰裝置。其中，固定式直流融冰裝置在實際應用中所需電能是由變電站所提供的，其是由晶閘管閥、控制保護設備換流變壓器、交直流濾波器等設備所構成的。另外，移動式融冰裝置的應用原理固定式基本相同，均通過晶閘管整流器整流，從而獲得直流電壓，對覆冰線路末端進行短接，并且采用兩相或三相作為負載，為輸電線路提供熱量。

2.5 直流供電電源結構

在直流融冰裝置中，電源是十分重要的組成部分，為了保證直流融冰裝置的正常使用功能，要求電源必須具備較高的穩定性，并且易于控制。通過上文可見，在直流融冰過程中，會產生較大電流，而這一電流也會超過單整流設備所能承受的極限，因此，可以選用整流橋并聯方式以提高直流融冰裝置的安全性能。對于晶閘管整流器并聯，現如今主要有三種形式，即雙6脈沖電路、12脈沖電路以及雙12脈沖電路。通過實踐研究分析，雙6脈沖電路在實際運行過程中，能夠直接并聯觸發，因此可控性比較高，而且安全可行。

直流融冰裝置的保護原理及方案對設備安全可靠運行發揮著關鍵作用。其中，換流器過流保護的保護范圍為換流器保護區和直流線路保護區。然而，由于直流融冰裝置特殊的拓撲結構，當換流變閥側保護區發生接地故障時，非故障相會出現過電流，且能夠被電流互感器檢測到這一過流現象，從而導致換流器過流保護誤動作。通過大量的仿真試驗驗證所設計保護方案的可行性。

[1] 田中.淺談直流融冰技術在超高壓輸電線路中的相關應用分析[J].文摘版:工程技術,2015(19):121-121.

[2] 陳夫.110kV及以上輸電線路直流融冰的安全控制技術研究[J].科技研究,2014(09):36-37.

[3] 向往,譚艷軍,陸佳政,等.交直流輸電線路熱力融冰技術分析[J].電力建設,2014(08):101-107.