兴安直流兴侧接地极引线融冰情况分析及可行性建议

杨明权，杨跃辉，雷鸣东

(中国南方电网超高压输电公司 天生桥局，贵州 兴义 562400)

在高寒地区高压直流输电系统的接地极引线会因覆冰而断线，导致了直流输电系统单级或双极停运，给电网运行带来了不小的影响［1］。因此，本文结合兴安直流兴侧接地极引线近几年的融冰情况，将理论融冰计算结果和现场试验数据进行对比分析，提出了实际工程中广泛使用的接地极融冰方案及可行性建议。

1 兴安直流兴侧接地极线路设计参数及融冰的必要性

1．1 兴安直流兴侧接地极线路设计参数

兴安直流接地极位于贵州省安顺市关岭布依族苗族自治县永宁镇西北周家寨，从兴仁换流站到永宁接地极采用二分裂2×2×LGJ－630/55型钢芯铝绞线架空线路，线路全长76．745 km，线路设计覆冰厚度10 mm，共196座铁塔，其中耐张塔44座。由于线路穿过高海拔低温区域，冬季95号至196号塔均有覆冰情况存在，最大覆冰厚度为9 mm。按照南方电网《超高压输电公司融冰工作管理规定》设计覆冰厚度10 mm线路，超过设计覆冰厚度40%的进入三级警戒，即可申请融冰作业。

1．2 兴安直流兴侧接地极线路融冰的必要性

接地线路覆冰可以引起导线舞动、杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络。对于兴安直流线路来说，因直流运行方式的不同及接地线路断线、倒塔，运行方式将会出现3种不同情况。

1．2．1 直流线路运行于双极方式(BP)

当直流线路运行于双极方式(BP)时，若兴侧接地极引线出现断线或倒塔的情况，则兴安直流线路此时运行方式将会变为双极一端中性点接地的方式运行，当一极线路发生故障退出工作时，必须停运整个双极系统，没有单极运行的可能性;一极换流器发生故障时，也不会自动转为单级大地回线方式运行，只能在双极停运后配置为单级金属回线方式后才可恢复运行，这样降低了直流线路运行的可靠性，对系统稳定也有较严重的危害。

1．2．2 直流线路运行于单级大地回线方式(GR)

在直流线路运行于单级大地回线方式(GR)时，若兴侧接地极引线出现断线或倒塔的情况，则直流系统将失去大地回路，造成直流系统闭锁。

1．2．3 直流线路运行于单级金属回线方式(MR)

在直流线路运行于单级金属回线方式(MR)时，若兴侧接地极引线出现断线或倒塔的情况，则直流系统运行将不会受到影响，但直流系统只能保持此种方式运行，不能进行其余运行方式的转换，影响直流运行的灵活性。

综上所述，在兴安直流线路运行时，兴侧接地极引线因覆冰出现断线或倒塔，对兴安直流安全稳定运行危害极大。所以，在兴侧接地极引线出现覆冰时，对其进行融冰是必要的。

2 兴安直流兴侧接地极线路融冰情况

从2010年1月至2013年3月，对兴安直流兴侧接地极线路用不同方式开展了5次融冰工作，融冰记录如表1所示。

2．1 2013年1月7日1时32分至3时30分融冰情况

2013年1月6日至7日，兴仁地区和关岭地区均为冻雨天气，最低温度为－2℃，东北风1级(0．3～1．5 m/s)。巡线人员对兴安直流兴侧接地极引线进行抗冰保电特巡，发现172号塔处有线路覆冰现象，线路覆冰厚度为4 mm。兴仁换流站按规定向南方电网电力调度通信中心(以下简称总调)报送接地极引线融冰抢修申请(申请要求:兴安直流接地极流过电流不小于 1100 A，持续时间不小于1 h)。融冰作业于7日1时25分开始，双极功率为1760 MW，兴安直流－500 kV极2由定功率模式运行改为定电流模式，电流参考值为1210 A，变化率为100 A/min。5 min 30 s以后，－500 kV极2电流调整至1210 A，此时兴安直流接地极线路电流由0 A上升至1100 A，通知现场人员对线路进行观察。在融冰进行1 h后，即2时30分，现场线路人员报告，线路覆冰无明显融化现象。2时37分，总调下令－500 kV极2电流参考值调整为1010 A，变化率为100 A/min。2时40分，－500 kV极2电流开始调整2 min后电流下降至1010 A，接地极通过电流为1500 A。融冰持续至3时30分，直流恢复双极运行，线路覆冰情况未见明显变化。

2．2 2013年1月7日17时32分至19时30分融冰情况

2013年1月7日，兴仁地区和关岭地区保持冻雨天气，局部温度低于－3℃，东南风2级(1.6～3.3 m/s)。巡线人员对兴安直流兴侧接地极进行抗冰保电特巡。因为7日凌晨对接地极线路的融冰效果不明显，巡线人员继续对接地极引线172号塔前后线路加强监视。在天气继续恶化的情况下，日间覆冰厚度继续增加，接近达到4．5 mm。兴仁换流站向总调报送接地极引线融冰抢修申请(申请要求:兴安直流接地极流过电流不小于1960 A，持续时间不小于1 h)。融冰作业于7日18时30分开始，双极直流功率为2400 MW，将+500 kV极1由定功率模式设为定电流模式，并将电流参考值设为3000 A，变化率为100 A/min。当+500 kV极1电流升高到3000 A后，兴安直流接地极线路电流为1200 A，保持2 h。19时30分结束融冰作业，线路覆冰情况未见明显变化。

表1 2010年1月至2013年3月兴安直流兴侧接地极融冰记录Tab．1 2010 January to 2013 March Xingan DC system Xing side grounding electrode melting ice records

2．3 2013年1月9日0时40分至2时40分融冰情况

2013年1月8日，兴仁地区和关岭地区连续出现2日冻雨天气，局部温度低于－3℃，东北风3级(3．4～5．4 m/s)。巡线人员对兴安直流兴侧接地极进行抗冰保电特巡。因为连续数天出现冻雨天气，安直流兴侧接地极线路覆冰最大值达到7 mm。根据《南方电网超高压输电公司融冰工作管理规定》，进入防冰二级警戒，申请融冰(申请要求:兴安直流接地极流过电流不小于2400 A，持续时间不小于1 h)。融冰作业从9日0时38分开始，双极直流功率为 1200 MW，兴安直流闭锁 +500 kV极1，－500 kV极2转为单极大地回线方式运行，此时接地极线路上流过的电流为2400 A。1时30分，接地极线路有少量覆冰融化，为了加大融冰电流，2时0分将－500 kV极2功率调整为1350 MW，此时接地极线路上电流为2700 A，持续30 min。2时30分解锁+500 kV极1，恢复兴安直流双极运行，接地极线路覆冰情况有较明显变化，部分覆冰已脱落。

3 接地极线路融冰可以选择的方法

直流输电系统运行特性决定接地极引线融冰方案可有多种选择。在直流接线方式的选择上有双极不平衡运行方式和单极大地回线方式，在融冰电流极性的选择上有正电流入地和负电流入地，融冰的时间和融冰电流的大小也可灵活选择。

3．1 直流接线方式的选择

对直流接地极线路融冰时，可以选择的直流运行方式有两种，一种是双极不平衡运行方式，另一种是单级大地回线方式。兴仁站接地极线路融冰时对两种直流接线方式都使用过，各有优缺点。

3．1．1 使用双极不平衡电流融冰优缺点

直流系统在使用双极不平衡电流融冰时，接线方式如图1所示。

使用双极不平衡电流融冰优点:1)可靠性相对单级大地回线方式较高，在不平衡运行时出现接地极断线的情况时，保护会请求双极平衡运行，恢复双极平衡运行;2)不限制直流的可用功率;3)可以不改变直流线路的接线方式，操作上较方便，恢复双极正常运行时需要时间较短。

使用双极不平衡电流融冰缺点:1)在双极功率相差过大时，如果出现接地极断线，由于换流变不能快速调整档位和极控系统对功率调整速度的限制，直流系统不能快速地恢复双极平衡运行，则保护动作造成双极直流闭锁;2)最大融冰电流小于单级大地回线方式下的融冰电流，融冰电流在正常运行(一级为1500 MW、另一级为150 MW)时接地极最大电流为2700 A，单级大地回线方式下的电流为3000 A;3)出现双极闭锁时，丢失的功率较多，对系统的冲击较大。

3．1．2 使用单级大地回线方式(GR)融冰的优缺点

直流系统在使用单级大地回线方式(GR)融冰时，接线方式如图2所示。

使用单级大地回线方式(GR)融冰的优点:

1)可以提供最大的接地极引线融冰电流，1．2倍过负荷时最大值为3600 A;2)融冰过程中传输的容量较小，如出现单级闭锁，对系统的冲击较小。

使用单级大地回线方式(GR)融冰的缺点:

1)可靠性相对双极不平衡运行方式较低，出现接地极线路断线时，直流系统会立即闭锁;2)直流输送功率受限，正常最大值为1500 MW;3)对直流的运行方式需要作出改变，若备用极状态需要转到闭锁以下，需要改变一次设备状态，操作较复杂;4)入地电流过大会引起沿线地下管道腐蚀及接地变压器直流偏磁加大［2］。

图2 直流系统单级大地回线方式接线图Fig．2 Single level ground return mode of DC system wiring diagram

3．2 融冰电流极性的选择

在对直流接地极进行融冰时，可以选择正极或负极对接地极引线进行融冰。因为正负入地电流对线路沿线的干扰和线路的安全可靠率的影响不同，所以必须做出合理选择。

正极导线的电晕电磁干扰和可听噪声均比负极导线的大，雷电大多数为负极性，正极导线的雷电闪络的概率比负极导线的高，所以，在使用单级大地回线运行时，多数选用负极性接线方式［1］。

3．3 融冰电流大小的选择

融冰电流大小与环境温度、风速、覆冰厚度、覆冰类型、融冰时间等因素相关，各项因素对融冰电流的选择影响很大，特别是线路覆冰类型对融冰电流的影响更为突出。

3．3．1 线路热效应对融冰的影响

理论研究表明，从信息经济的发展过程来看，基础层、传输层、融合层、新生层及福利层的信息经济遵循时间上的不断递进、空间上的不断扩散及程度上的不断深化的关系，下层是上层的基础，而上层又反过来促进下层的进一步发展。本文测算了基于西部各省区信息经济发展层次指数的相关系数矩阵，结果表明，信息经济各层次之间存在显著的正相关关系。

直流融冰的热平衡包含两个过程:1)导线和冰交界面的热平衡;2)冰和空气交界面的热平衡。直流融冰达到稳定状态后，导线产生热与融冰吸收的热及冰表面因辐射散热、对流传热损失的热相等［3］。融冰电流的计算较为复杂，下面只介绍保险电流和融冰电流基本经验计算公式。保险电流为保持导线温度在冰点以上，使导线不覆冰所需最小电流，保险电流通过导线产生的热量与对流、辐射散热消耗热量平衡，其计算公式为［4］

式中:Ib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 －5℃;∑d为辐射系数(冰0．64，霜 0．32 ，铜 0．6，铝 0．11，铁 0．25);D为导体的外径，cm;V为风速，m/s。

融冰电流为导线上覆冰融化的电流，在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点，另一部分使冰柱融化;一部分损失从导线表面到冰柱表面的传递途中，另一部分通过冰柱表面散失。线路融冰电流经验计算公式为［5］

对于雨淞:

对于雾淞:

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，K;g0为冰的比重(一般按雨淞取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，K·cm/W;d为导线直径，cm;λ为导热系数，W/cm·K，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，K·cm/W。

根据式(1)、式(2)算出一个兴安直流接地极线路在雨凇情况下的最小融冰电流和保险电流，如表2所示。

由表2中的计算结果可知，兴安直流在1．2倍长期过负荷能力下，接地极电流为3600 A时，只能进行－5℃、5 m/s风速和－3℃、3 m/s风速下的保险作业。

表2 兴安直流接地极线路雨凇情况下1 h融冰保线电流Tab．2 Xingan DC grounding line glaze case 1 h ice melting and line current

3．3．2 现场覆冰情况对融冰的影响

根据《南方电网融冰技术规程编写导则》对融冰电流的灵敏度分析的叙述，可结合现场情况及1h融冰保线电流数据，得出所需融冰电流实际大小。覆冰厚度每增加5 mm，则融冰电流需要增加80～110 A;环境温度每下降2℃，则线路融冰电流需要增加90～100 A;风速，有风速(2 m/s)与无风条件下融冰电流差别很大，基本上要相差100 A左右，但风速大于4 m/s，对融冰电流的影响趋缓，风速每增大2 m/s则融冰电流增大20～40 A;以2 h融冰时间对应的融冰电流为基准，融冰时间缩短到1．5 h的融冰电流需要增加30～50 A，融冰时间缩短到1h的融冰电流需要增加90～150 A，融冰时间缩短到0．5 h的融冰电流需要增加300～400 A。

从兴安直流兴侧接地极引线现场情况看，覆冰在混合凇和雨凇之间，风速小于3 m/s，融冰在线路覆冰达到设计覆冰厚度40%(4 mm)时，应进行2 h的融冰作业。根据上述现场融冰电流判断方法和3．3．1介绍的经验公式，得出覆冰(雨凇)厚度为5 mm、融冰2 h时几种天气情况下的实际融冰电流，如表3所示。

表3 兴安直流接地极线路雨凇情况下2 h融冰电流(覆冰厚度5 mm)Tab．3 Xingan DC grounding line glaze case 2 h ice melting current(ice thickness 5 mm)

从表3可以看出，兴安直流在长期1．2倍过负荷(1800 MW)、接地极电流3600 A条件下，满足风速3 m/s、气温－3℃和风速3 m/s、气温－5℃时兴侧接地极引线雨凇融冰条件。

4 结论

1)兴安直流兴侧接地极引线具备在温度－5℃以上、风速为3 m/s以下、雨凇条件下的融冰保线能力。根据兴侧接地极线路经过地区的长期冬季天气情况，在非极端天气条件下兴安直流兴侧接地极可以保证安全运行。

2)在直流系统接地极引线融冰作业时，极性选择方面建议使用负极性电流入地;在接线方式选择上，建议小电流保线作业时使用双极不平衡运行方式;在需要大电流进行融冰作业时，使用单级大地回线方式;在融冰电流大小和融冰时间的选择上，若线路覆冰发展速度较快，建议在覆冰4 mm时立即申请融冰作业，融冰时间建议为2 h以上。

［1］浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电［M］．北京:电力工业出版社，1982．HVDC＆FACTS group of Zhejiang University power generating department．DC transmission［M］．Beijing:Electric Power Industry Press，1982．

［2］程明，张平．鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析［J］．天然气与石油，2010，28(5):22-26．CHENG Ming，ZHANG Ping．Analysis of the influence of earthfault current of grounding electrode in Yulongling on buried steel pipeline of second west-east gas transmission line［J］．Natural Gas and Oil，2010，28(5):22-26．

［3］吴端华，何东．输电线路直流融冰的临界电流和融冰时间分析［J］．电力系统及其自动化学报，2010，22(5):2，86．WU Duanhua，HE Dong．Analysis on critical current and ice-melting time by DC on transmission line［J］．Proceedings of the CSUEPSA，2010，22(5):2，86．

［4］饶宏，李立浧，黎小林，等．南方电网融直流融冰技术研究［J］．南方电网技术，2008，2(2):7-12．RAO Hong，LI Licheng，LI Xiaolin，et al．Study of DC based deicing technology in China southern power grid［J］．Southern Power System Technology，2008，2(2):7-12．