500 kV变电站的直流融冰技术研究

王朗珠，杨绍远，郑连清

(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053;2.南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545006;3.重庆大学 电气工程学院，重庆 400044)

0 引言

我国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一。严重覆冰会导致输电线路机械和电气性能急剧下降，从而导致严重的断线、杆塔倒塌、大面积停电、限电等事故，给国民生产带来了严重的影响。2008年初，北方冷气流和南方暖气流在中国南部地区交锋，致使湖南、湖北、贵州、云南、广东、广西等12个省 (区)连续20多天维持－5～0℃的低温雨雪天气[1]。冰灾灾害天气使输电线路覆冰严重，覆冰的平均厚度达30 mm以上，最大厚度超过100 mm，远远超过了架空线路设计的10 mm的覆冰厚度[2]。

为消除输电线路覆冰给电力系统带来的巨大危害，国内外专家对输电线路融冰进行了大量的研究。基于电力电子整流技术的直流融冰方案，具有非常广泛的应用空间，该方法将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。因为直流融冰没有线路感抗的影响，因而更适合于电压等级高、跨距长的架空线路融冰。

本文在结合国内外直流融冰的基础上，针对某500 kV变电站的实际情况，阐述了直流融冰技术，研究了直流融冰方案设计原则、思路，并以某500 kV变电站的500 kV输电线路为例，介绍了直流融冰方案的设计过程。

1 直流融冰技术

1.1 直流融冰原理

直流融冰就是通过直流融冰装置将从系统获得的交流电能转化为直流电能，将直流电能输入到待融冰线路导线中，在直流电流的作用下令导线发热、覆冰融化[3]。

1.2 直流融冰装置

直流融冰技术研究的关键在于融冰成套装置的研制开发。目前我国研制的直流融冰装置主要采用可控整流方式。直流融冰装置按其结构分类，可分为带整流变式和不带整流变式的直流融冰装置[4]。

带整流变直流融冰装置是一般是从变压器35 kV侧取电源电压，采用整流变压器带12脉动融冰整流装置。此类直流融冰装置容量可以做得较大，输出电流相应也很大，可以满足500 kV线路及大截面导线的融冰要求。它能针对不同类型和长度的线路，提供需要的融冰电流和电压，利于整流器工作点的选择，适应性较好;并且整流变压器提供交流/直流的隔离，满足故障情况下限制可控硅阀短路电流的要求。

不带整流变直流融冰装置一般是从变压器10 kV侧取电源，不需经过整流变，通过6脉动整流接线为220 kV或110 kV交流线路提供直流融冰电源。此类直流融冰装置的容量相对小，体积也小，一般不超过25 MVA。在需要时可以在变电站之间移动，实现了融冰的灵活性，可完成架空线路中任意段的融冰。

1.3 直流融冰方式

直流融冰时，把线路三相导线分别接入三根直流融冰母线上，由装置自动切换实现不同相导线的融冰工作。可采用如下两种融冰工作方式进行:

(1)融冰方式1。分3次完成A，B，C三相导线融冰，参见图1，即 L-1融冰方式。在对站将A，B，C三相导线短接，通过三相线路的自动切换装置，分3次完成A，B，C三相导线融冰，融冰回路电阻为2R(R为单相直流电阻)，融冰时间T/2。

图1 L-1接线方式示意图Fig．1 Schematic diagram of L-1 connection mode

(2)融冰方式2。分3次完成三相导线融冰，参见图2，即 L-2融冰方式。在对站将 A，B，C三相导线短接。将两相导线并接后接入直流融冰电源的一个输出端，再将剩余相接入直流融冰电源的另一个输出端，通过三相线路的自动切换装置，分3次完成三相导线融冰，因为有两相并联后再与一相串联，融冰回路电阻仅为1.5R，融冰时间3/2T。

2种方式相比各有利弊，第1种方式相比第2种融冰方式，融冰时所需电源容量可以升高25%，但时间降低25%。

图2 L-2接线方式示意图Fig．2 Schematic diagram of L-2 connection mode

2 500 kV变电站直流融冰技术方案

2.1 直流融冰方案设计原则

(1)优先选择能有效融冰，且对系统安全运行影响小，投资节省、操作简便的融冰方案。

(2)在系统融冰容量足够且电压满足条件的情况下，与直流融冰装置相连的线路，直流融冰是可行的。

2.2 直流融冰方案设计思路

在充分调研国内外融冰技术的基础上，根据500 kV变电站直流融冰技术要求，为多条线路设计了直流融冰方案，并在此基础上，总结出如图3所示的直流融冰方案制定流程[5]。

图3 直流融冰方案制定流程图Fig．3 Flowchart of project establishment of DC de-ice

2.3 直流融冰装置关键参数计算

直流融冰最小电流、保线电流、导线最大允许电流等是决定直流融冰装置的关键参数。

(1)输电线路覆冰热平衡模型。输电线路不覆冰的临界负荷电流[6]:

式中:ic为临界负荷电流;R为导线半径;v为风速;Ta为环境温度;w为空气中液态水含量;ca为水滴在导线上的碰撞系数。对于一定的气象条件，Ta，v和w为已知。

由式 (1)可见，影响输电线路不覆冰的临界负荷电流的因素很多，其大小随着环境的变化而变化，特别是随着风速的增加而增大。

(2) 融冰电流及时间。导线融冰电流[7，8]是指在某一特定的气象条件 (温度、湿度、风速、降雨量、降雨类型等)下能够融化导线上覆冰的电流。融冰电流是使导线发热，产生的热量分成4个作用部分:a.使冰层的温度上升至融点;b.使冰层融化;c.损失在从导线表面到冰层表面的传递途中;d.通过冰层表面散失。布格道尔经验公式如式 (2):

式中:Ir为融冰电流，A;R0为0℃ 时的导线电阻，Ω/m;Tr为融冰时间，h;Δt为导体温度与外界气温之差，℃;g0为冰的比重，一般取0.9;b为冰层厚度，即覆冰每边冰厚，cm;D为导体覆冰后的外径，cm;RT0为等效冰层传导热阻，℃·cm/W，RT0=(lnD/d)/273λ;V为风速，m/s;d为导线直径，cm;λ 为导热系数，W/cm·℃，雨淞:λ =2.27 ×10－2，雾淞:λ=0.12×10－2;RT为对流及辐射等效热阻，℃·cm/W。

某500 kV变电站的500 kV出线共6回，分别从变电站A至B地、C地和D地各两回。根据上述经验公式，按环境温度－5℃，风速5 m/s，最小融冰电流是按覆冰厚度10 mm，融冰时间1 h计算其最小融冰电流见表1。

表1 某变电站500 kV交流线路的最小融冰电流Tab．1 The minimum ice-melting current of 500 kV AC line in a Substation Units A

(3) 保线电流。保线电流[7，8]是指保持导线温度在冰点以上使导线不覆冰所需要的最小电流。保线电流经过导线产生的热量通过对流、辐射散热消耗。从而达到热量平衡，其经验公式如式 (3):

式中:Ip为保线电流，A;R0为气温在0℃ 时单位长度导线的电阻，Ω/m;T1为导线温度(保证导线不结冰的温度，一般取T1=2℃;T2为结冰时外界温度，一般取T2=－3℃ 或T2=－5℃;f为辐射系数。

按环境温度 －5℃，风速5 m/s，最小融冰电流是按覆冰厚度10 mm，融冰时间1 h计算其保线电流见表2。

表2 变电站500 kV交流线路的保线电流Tab．2 The line-protect current of 500 kV AC line in a Substation A

(4)导线最大允许电流。导线最大允许电流[7，8]是指在融冰的短时间内 (最长几 h) 允许导线达到最高温度 (90℃)所通过的电流。其经验公式如式 (4)。

a.当风速 ＞2 m/s时:

b.当风速≤2 m/s时:

式中:R90为导线温度在90℃ 时的电阻，Ω;Imax为导线最大允许电流，A;T为外界温度，℃。

按环境温度 －5℃，风速5 m/s，最小融冰电流是按覆冰厚度10 mm，融冰时间1 h计算其最大允许电流见表3。

表3 变电站500 kV交流线路的最大允许电流Tab．3 The maximum allowable current of 500 kV AC line in a Substation A

2.4 直流融冰装置所需容量计算

(1)A—BⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

b.融冰方式2:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

(2)A—CⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

b.融冰方式2:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

(3)A—DⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

b.融冰方式2:

直流融冰装置所需无功容量约为有功容量的60%，所需容量约为

综上所述，根据以上分析、计算，并考虑一定的裕度，可得出满足500 kV及以下输电线路融冰要求的直流融冰装置的容量、融冰电压和融冰电流分别为225 MW/25 kV/4.5 kA。

2.5 直流融冰装置的SVC模式

直流融冰装置一般只有在天气恶劣的寒冬、导线浮冰较为严重时才运行于直流融冰模式，其他时间均工作在SVC模式。在35 kV电压等级接入，则根据有关公式计算:

整流电压:VDC=1.35×35=47 kV

直流工作电压:25 kV

功率因素:cosφ=25/47=0.532

融冰有功功率:P=25×4.5=112.5 MW

整流时产生无功功率:Q=P×tanφ=179.06 MVA

经过180 MVA的无功补偿之后，实际无功功率为Q'=179.06－180=－0.94 MVA，因此经过补偿之后的功率因数为

从上式可见，直流融冰装置的SVC模式，大大提高了系统的功率因数。

3 结论

输电线路覆冰一直是电力系统亟待解决的难点问题。采用直流融冰法进行融冰，具有不受线路感抗的影响，更适合于电压等级高、跨距长的架空线路等优点。针对某500 kV变电站实际融冰要求，重点介绍了直流融冰技术原理以及直流融冰方案设计思路和流程，对直流融冰装置的参数和SVC模式下的功率因数进行分析和计算。近年，极端天气频发，这种整流变式的直流融冰装置已经在500 kV桂林变电站投入使用，其融冰效果良好。

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