配网交流融冰仿真分析及工程应用研究

朱远， 周秀冬， 李波， 谭艳军， 朱思国

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410129；2.国家电网公司输变电设备防冰减灾技术实验室，湖南长沙410129)

配网交流融冰仿真分析及工程应用研究

朱远1，2， 周秀冬1，2， 李波1，2， 谭艳军1，2， 朱思国1，2

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410129；2.国家电网公司输变电设备防冰减灾技术实验室，湖南长沙410129)

配网线路分布广、支线多、线型复杂，且多经过易覆冰的微地形微气候区域，是冰灾防治工作的难点，本文比较交直流融冰特点，提出一种适用于配网的固定式交流融冰装置，对融冰过程中配电变压器分流进行仿真分析，并通过试点工程应用，证实这种方法的实用性。

配网；交流融冰装置；融冰电流；配电变压器

2008年年初，我国南方地区遭受了严重的雨雪冰冻灾害袭击，此次灾害影响范围广，持续时间长，电网系统遭受了严重的破坏，而其中对于配网系统的破坏更是史无前例。以国家电网公司为例，灾害共造成110 kV变电站全停234座，35 kV变电站全停592座，110 kV线路故障停电 385条，35 kV线路故障停电 981条，10 kV线路故障停电13 506条，低压线路受损 57 029 km，低压线路倒(断)杆262 373基。本次冰灾造成国网公司农电系统损失约51.8亿元，545个县 (区)、4 470个乡镇累计停电台区208 944个，涉及人口达7 000万人〔1〕。湖南电网在历年的冰灾中损失尤为严重，2008年35 kV线路倒塔1 064基，变形1 005基，导线断线或受损1 369处，10 kV线路累计倒断杆63 036基，断线47 898处、15 304 km，而且在之后每年的冬季覆冰期均会遭受不同程度的破坏。

目前的抗冰技术中，以电流融冰技术最为经济有效，但主要针对主网线路，配电网线路点多面广，线型复杂，支线众多，所处地形和气候条件恶劣，现有的电流融冰技术很难直接应用于配网抗冰，目前配网抗冰以人工除冰为主，效率低、安全隐患大〔2，3〕。

针对上述问题，文中通过比较交直流融冰的特点，提出了一种用于配网融冰的固定式交流融冰装置，对交流融冰装置实际融冰中的电流进行了仿真分析，重点考虑了融冰过程中支线对融冰电流的影响以及融冰中是否需要拉开沿线配电变压器，并通过试点工程应用。

1 配网线路交直流融冰比较分析

配网线路的构成一般比较复杂，存在很多不同线型拼接的现象，其导线截面不等。统计湖南电网部分地区配网线路，线型主要有 LGJ－35，LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95，LGJ－120，LGJ－150，LGJ－185和LGJ－240，其中以LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95和LGJ－120为主，尤其以LGJ－50，LGJ－70线型应用最为广泛〔4〕。图1所示为湖南某地区配网线路长度统计情况:

图1 湖南部分地区配网线路长度统计分析

35 kV线路长度主要集中在10～20 km和5～10 km的范围之内，10 kV线路主要统计主干线，长度主要集中在2～5 km和5～10 km。

针对这些线路特点，目前的配网融冰技术可分为交流融冰和直流融冰两种方式，其原理如图2所示。

图2 配网交直流融冰原理比较

交流融冰一般取变电站内10 kV电源，通过调压变压器进行降压，在线路末端进行三相短接，直接对三相导线同时融冰；直流融冰一般自带发电机，通过调压器调压，整流部件整流，输出的直流对三相导线进行融冰，三相融冰不能同时进行。

对几种主要线型，进行5 km长度的交直流融冰计算，融冰电流取对应导线融冰电流范围中间值，直流计算采用两条线路并联后与另一条线路串联的接线，阻抗系数为 1.5，计算结果如表 1所示:

表1 配网线路5 km交直流融冰计算结果

直流融冰的优势主要体现为融冰功率小，由表1可知，随着线径的减小，阻抗中电抗分量变小，交直流融冰的功率差别逐渐减小，应用最为广泛的LGJ－50，LGJ－70线路尤为明显，同时直流融冰需增加整流器等设备，建设费用更高，配网线路可优先考虑交流融冰。

2 一种配网固定式交流融冰装置

2.1 配网固定式交流融冰装置结构

冬季覆冰期，易覆冰的配网线路一般位于高寒山区，交通极为不便，人工除冰难度极大。针对这一问题，研制了一种农配网固定式直流融冰装置，融冰时在线路末端进行短接，在站内进行操作，可以极大地提高除冰效率，其结构如图3所示:

图3 固定式交流融冰装置结构

配网固定式交流融冰装置安装于变电站内，可同时对10 kV线路和35 kV线路进行融冰，融冰时电源取自变电站10 kV侧，通过融冰变压器进行降压，融冰变压器设置为多个档位，根据实际线路长度、线型以及融冰电流大小，选择相应的档位。线路停电后，在融冰线路末端进行三相短接，合上固定式融冰装置断路器及刀闸，即可实施交流融冰。

2.2 配网固定式交流融冰装置参数计算

固定式直流融冰装置中融冰变压器设置为多个档位，变压器原边输入电压为10 kV，输出电压可根据线路长度和线型确定，下面以农网线路中最广泛的LGJ－50和LGJ－70线型进行计算，线路长度分别取5 km(LGJ－50)和8 km(LGJ－70)，计算电压档位如下:

式中 I为融冰电流 (A)；r0为单位长度线路阻抗(Ω)；L为线路长度，计算结果见表2。

表2 配网线路5 km交直流融冰计算结果

根据电压结果，可选取电压档位如下:针对于5 km LGJ－50线路，选择1 800 V电压，对应融冰电流为297 A；针对于8 km LGJ－70线路，选择2 800 V电压，对应融冰电流为355 A。因此针对这2条线路的融冰，融冰变压器可选择参数如下:输入电压10 kV；输出电压1 800 V，2 800 V。当一个变电站内有多回线路需要融冰时，综合各条线路的融冰电压范围，选取合适的电压档位，尽量让电压档位均匀分布，且档数不要太多，部分线路由于线路较长，线路阻抗较大，可以不经过融冰变压器，直接采用10 kV电压进行交流融冰。

3 支线对融冰电流分流影响仿真

10 kV线路支线多，配电变压器直接连接于线路之上，交流融冰时，配电变压器会对融冰电流分流，最终线路末端的融冰电流会变小，若拉开全线的支线以及配变，将产生特别大的工作量。针对这一问题，采取线路阻抗分段的方法进行了带配电变压器融冰时的 MATLAB仿真，仿真模型如图4所示:

图4 支线分流仿真模型

选取仿真电压使得电流在对应线型融冰电流范围之内，为简化计算配电变压器参数以S9－100型标准参数为准，即容量为100 kVA，输入电压为10 kV，输出电压为400 V，短路阻抗为参考文献〔5〕中对应参数，仿真分别针对拉开线路支线和不拉开线路支线进行，其中线路支线包括实际支线以及连接于主线之上的配变。采用上述模型，针对3条典型线路进行仿真，仿真结果见表3。

表3 3条典型10 kV线路拉开支线前后融冰电流仿真结果

由表3可知:

1)融冰电压档位较低进行融冰时，其支线拉开与不拉开情况下的电流偏差小于3%，融冰电压档位较高 (如10 kV)的情况下，其支线拉开与不拉开时相比可能达5%。

2)支线不拉开进行融冰时，融冰线路输入端侧线路的融冰电流较大，靠近融冰短接点处的融冰电流较小，两者差别小于10%。支线不拉开情况下进行融冰时，靠近融冰变侧的配电变压器有可能接近额定工作状态，故其支线电流较大；靠近短接点处的配电变压器由于输入电压很低，故其支线电流很小，基本可以忽略。

3)寒松线与寒巴线相比，寒松线全线变压器为19台，寒巴线为7台，因此支线拉开前后电流偏差变大，首末端电流偏差也变大。

4)小麻线采用10 kV电压融冰，同时支线上配变特别多，靠近融冰电源点侧主线上的部分配电变压器基本工作于额定状况，因此首末端电流偏差较大，拉开支线前后电流偏差也较大。

5)从配电变压器分流的角度考虑，对于配变比较少的线路，可选择不拉开配变进行融冰，对于配变较多的线路，则建议拉开线路首端一部分配变；但另一方面，融冰电压一般比线路实际运行电压要低很多，线路首端的配电变压器处于低压运行状态，会影响用户侧的低压旋转电机安全运行，所以建议拉开首端配电变压器，综合两部分因素，采取固定式融冰装置进行交流融冰时，建议拉开线路从首端开始一半以上的配电变压器，具体拉开数量可根据融冰电流大小及现场实际情况确定。

4 固定式交流融冰装置现场应用

固定式交流融冰装置首次应用于邵阳110 kV小沙江变电站10 kV小兰线，线型为LGJ－95，线路长7.46 km，融冰电压3 000 V，融冰电流350 A，融冰开始1.5 h后三相导线覆冰全部脱落。如图5所示为融冰装置现场和覆冰掉落瞬间。

Simulation analysis and engineering application of AC ice-melting in distribution network

ZHU Yuan1，2，ZHOU Xiudong1，2，LI Bo1，2，TAN Yanjun1，2，ZHU Siguo1，2
(1.State Grid Hunan Electric Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410129，China；2.Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing and Reducing-disaster Technology Laboratory of State Grid，Changsha 410129，China)

Distribution line is widely spread and the branch number is large and the type is complex.Many distribution lines are located in micro-topography and micro－climate area which is easy to freeze.This paper compares the characteristics of melting ice in AC/DC，puts forward a kind of suitable stationary for distribution network melting ice，then carries on a simulation analysis about the current divide of distribution transformer in the process of melting ice.And through the pilot project application，the method practicability is proved.

distribution network；AC melting device；melting current；distribution transformer

TM726

B

1008-0198(2015)06-0032-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.008

2015-04-13