电力高压长线路短路法融冰方案

陈 洋 李 鑫 冯艳萍

（中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550000）

引言

2008年初我国南方冰雪灾害中，导线覆冰引起的倒杆、断线及导线舞动等是导致电网破坏的主要原因。为防止今后发生类似破坏，首先是要根据线路情况和历年经验，提高设计标准。但由于冰雪灾害地域广、时间上不确定，大面积按几十年一遇的标准进行新建线路设计和原有线路改造，耗资太大。因此，为防止严重气象条件下线路导线结冰超过一定厚度时发生倒杆、断线而引起电网长时间瘫痪，有必要从技术上探讨高压长线路融冰的可能性。

本文将从导线容许的最高温度出发，先假定沿线环境温度，推导出融冰电流、导线温升和融冰时间，进而由典型线路的参数求出需要的融冰电源的电压和容量，然后论述实现这一电源的可能性。

1 融冰参数的选择和计算

1.1 融冰电流

用短路法融冰首先要选择融冰电流，融冰电流根据导线温升来选择。理论上只要导线温度高于0℃即可融冰，但有一个融冰时间问题。融冰电流越大，导线温升越高，融冰时间越短，但受到导线安全电流的限制。所谓安全电流是指在此电流下长期运行所引起的温度对导线不会产生可见的机械强度老化和接头氧化。设计时钢芯铝绞线温度控制在70℃-90℃。融冰属偶尔短期运行，应允许较高温度。本文取融冰时期的导线最高温度不超过100℃，应该是安全的。线路沿途可能有不同环境温度，设沿线环境温度为-10℃~+10℃，考虑环境温度为+10℃的地段，则导线在无冰条件下容许最高温升为90K，由此可计算导线容许的最大电流，以此作为融冰电流，以便缩短融冰时间。

2 融冰电源电压和容量要求和实现

2.1 融冰电源的电压和容量要求

选定融冰电流后，由线路参数可算出需要的融冰电源的电压和容量见表。融冰电源分交流和直流2种。交流电源融冰按三相加压，直流电源融冰将线路2并1串加压，因此后者要分3次进行。交流融冰只需交流电源，但因高压交流线路的电抗远大于电阻，故交流电源融冰需要的电源容量(主要是无功功率)远远大于直流电源融冰的容量。直流电源融冰的优点一方面是所需电源容量比交流小得多，另一方面是电压低得多，从而降低了融冰时覆冰绝缘子闪络的可能性。因为导线大小和线路长度各种各样，要求的电压和容量各不相同，对高压长线路，无论用交流还是直流电源融冰，都应有容量大又能调压的电源，才能确保安全、快速地融冰。

2.2 实现直流电源融冰的可能性

对于500kV(典型截面300mm2×4)的长线路进行交流融冰是完全不可能的。只存在用直流融冰的可能性。一个电流不小于4kA、电压不低于50kV(即功率不小于200MW)的直流电源才能满长300km、4×300mm2导线的500kV线路融冰的需要。这个可调节的大容量直流电源相当于中小型高压直流系统HVDC的一个换流站。但因为电流大而电压低，它不可能属于直流输电系统，理由是：电流达到4kA的系统，其线路导线截面将达到4×800mm2至6×700mm2的规模，必然是特大容量的超高压或特高压直流输电系统。而高压直流系统即使降压运行其电压也不能低于额定电压的70%或50%，因而无法利用其作为融冰电源。如果只从电流、电压来看，所需要的直流融冰电源有可能利用一个直流背靠背系统来解决。但是，直流背靠背系统一般建在电网边缘与另一个电网交界处，而直流融冰电源应设在电网中心。有报道称国外建设了基于现代HVDC和晶闸管技术的静止补偿装置兼作融冰电源，电流可达7.2kA(高压直流融冰HVDCice)。这样一举两得，创造性地解决了这一难题。国内也提出了同样的方案。如果在电网中心有一个这样的HVDCice设备，则所有能连接到的交流500kV及以下线路的融冰电源都可解决。而在电网冰害严重地区建设一个容量合适的直流融冰电源也是可行的。如国内已建成功率为60MW的直流融冰电源，可解决当地电网220~500kV线路融冰需要，便是一个成功的范例。

2.3 实现交流电源融冰的可能性

对于110~220kV线路覆冰问题最为突出的地区电网，用系统中的发电机组作为电源实现交流融冰是可行的。220kV线路长度一般不超过200km，由表，导线截面300mm2、长200km的线路交流融冰需要的电源容量为218MVA，电压约136kV。这是110~220kV线路交流融冰电源要求的上限。现今系统中300MW发电机组很普遍，一般发电机在功率因数很低时允许的无功负荷受到限制，以QFSN-300-2型汽轮发电机为例，额定功率300MW，额定功率因数cosφ=0.85，当 cosφ≈0 时允许无功负荷270MVA，只有额定有功功率的90%。尽管如此，这一容量已能够满足长200km的220kV线路融冰的需要。

虽然发电机可以调压，但发电机电压不够高。如300MW发电机额定电压为18kV或20kV，更小容量发电机的额定电压更低。所以还需要一台容量和电压(配合发电机调压)能满足融冰需要的变压器。一般较大容量机组为单元接线，通过220kV或500kV升压变压器接至母线。如果母线上有上述变压器 (例如，按GB/T6451标准设计的220/110kV降压变压器，电压比为 220±10%/121kV，容量可达 240MVA，可满足长200km的220kV线路交流融冰需要)，或邻近变电站有上述变压器，通过至邻近变电站的线路转接，即可加以利用。如果需要融冰的线路太长、电压太高或容量太大，找不到合适的变压器，则可在线路上适当的地方设短路点以改变线路长度，从而降低融冰需要的电压和容量。此外，新建变压器也可以兼顾融冰需要，例如可以增加容量或用增设分头等方法改变电压。

在实际装置方面，从发电机、升压变经母线到作为直接融冰的降压变压器，或经线路转接到邻近变电站作为直接融冰的变压器，必须自成独立系统而与运行中的系统分离，因为该系统要调节融冰的电流和电压。一般发电厂和变电站的主接线都可以实现这一要求。

2.4 移动式柴油发电机电源

作为移动式外施电源，柴油发电机具有优越性。数百kW至3MW的柴油发电机组有现成的产品，能满足大跨越、交叉档和小截面短线路的融冰要求。此外，小型柴油发电机组配合强力热风机可以给线路绝缘子和变电设备除冰。后一举措不可忽视，因为绝缘子和变电设备除冰也是保证供电乃至保证线路融冰的必要条件。笔者认为用绝缘操作杆、软管和喷嘴，带电近距离强力热风除冰，轻便有效，值得研究。

2.5 关于架空地线融冰

要实现架空地线短路法融冰，架空地线必须与杆塔绝缘。为了降低线路损耗，有的超高压线路采用绝缘架空地线，此项措施为短路法融冰提供了可能。应该通过抗冰灾经验的总结，来审视架空地线融冰的必要性。如果是十分必要的，则接地架空地线实现短路法融冰唯一的办法是将其改造为绝缘架空地线。

3 几点结论

3.1 实现高压长线路短路法融冰的关键是获得大容量的融冰电源。长度达300km的500kV线路只能用大容量的直流电源融冰。建设可兼作融冰电源的高压直流或静补装置(HVDCice)是一个理想的方案。

3.2 利用系统中300MW或以下容量的发电机组和降压变压器，对长度为200km或以下的110~220kV线路进行交流融冰在技术上也是可行的。

3.3 只有绝缘架空地线才能实现短路法融冰。

3.4 移动式柴油发电机能满足大跨越、交叉档和小截面短线以及绝缘子融冰对电源的要求。

3.5 LGJ-70~300mm2导线在5~3A/mm2电流密度、环境温度为+10℃、冰厚20mm条件下融冰所需时间估计约1h；环温为+10℃下导线温度不超过100℃。最后要强调的是，无论采用何种融冰方法，都要根据系统中需要融冰的线路长度、位置分布和局部气象条件等实际情况，研究合适的技术方案，做好电源器材准备和实施预案，并进行一定的试验和演练，实际应用时才能实现安全、有效地融冰。

[1]文闿成.高压长线路短路法融冰可行性探讨[J].电网技术，2009-01-20.