输电线路覆冰原理和除冰方法的讨论

1 绪论

1.1 输电线路除冰的意义

输电线路覆冰是我国电力系统中比较严重的自然灾害之一，经常导致输电线和杆塔的机械性能和电气性能被破坏，电网大面积停电的恶劣后果。覆冰事故严重地威胁了我国电网电力系统的运行安全，解决线路覆冰是一个迫在眉睫的问题。

1.2 输电线路覆冰的危害

输电线路覆冰之后，对电力系统有十分严重的危害，其中最常见的为以下4种。

（1） 过负载的危害

（2） 不同期脱冰或者不均匀覆冰的危害

（3） 覆冰导线舞动的危害

（4） 绝缘子冰闪的危害

1.3 现阶段常用的主要融冰方法

图1.1 线路覆冰

输电线路覆冰的危害很大，很容易对电网产生不可逆的后果，所以国内外学者对输电线路导线与绝缘子的覆冰特性和机理的研究从未间断过，也有了许多的成果，目前常用的除冰方法有4类：

1.3.1 热力除冰法

通过加大导线电流，如使覆冰导线断路，来提高导线温度，从而使坚冰融化的方法称为热力除冰法。热力除冰法是现阶段各国最常使用的除冰方法，能够较好地融化雾凇和雨凇等不同密度的覆冰，操作简单稳定。

1.3.2 机械除冰法

机械除冰法是利用不同的机械进行物理的除冰。如通过滑轮铲刮来刮掉覆冰，用强力振动来使覆冰脱落。有时也使用起重机、除冰车等不同的方式进行除冰，甚至有时候也采用人工来进行除冰作业。这种除冰方式相对于热除冰消耗能量比较小，价格也相对较低，但是这种除冰方法在实际操作上会有较多困难，所以机械除冰方法在输电线路上使用，存在操作困难、安全性能与稳定性不完善等缺点，在我国输电线路应用较少。

1.3.3 自然被动除冰法

自然除冰法主要是依靠存在于大自然的风能、光能、热能，包括地球引力等的能量，加上一些辅助的器械，来使导线更不容易聚集覆冰。这种除冰方式非常廉价，而且在实际使用上也没有任何困难，但是，这种除冰的方法非常依靠特定的时间和区域，如多风的山谷等。这一严格的限制使得这种方法不能全面地使用于所有的地区。

图2.2 融冰过程中的冰层旋转

图3.3 三项TCR电路图

1.4 主要工作

本文主要的目的是分析覆冰的形成，并在众多融冰方案中，针对SVC这一种新型的融冰方法进行分析，之后仿真验证方案的可行性。阐述几种除冰方法及应用场合。分析覆冰形成的条件、环境影响因素、融冰过程的模型，讲述SVC装置的原理、结构及功能实现。分析整流电路这个融冰装置的核心部分。研究相控整流电路整流原理、相控过程、波形分析等。最后基于PSCAD平台，对一条覆冰线路进行仿真研究。

2 导线覆冰条件及融冰模型

2.1 覆冰的形成条件

架空导线发生覆冰必须是在特定条件下，基本上包括：

（1）温度必须低于0摄氏度的结冰温度

（2）空气中的水蒸气含量要较高

（3）必须有较大的风速，至少要达到1m/s。

2.2 融冰过程的物理模型与融冰机理

这种通过短路电流发热融冰的方法是内部接触式的融冰，当导线上流过短路电流时，导线发热，此时与导线直接接触的冰层首先开始融化，这种融冰过程主要分为四个阶段。

（1）升温阶段

在实际的户外导线覆冰时，周围环境的温度都是低于0℃的，而融冰所需的温度明显要高于周围环境温度，在安装融冰设备后，需要一段时间让导线的温度升高，在导线温度上升到0℃之前冰层是不会融化的，需要一定的时间进行升温，这个过程称为升温阶段。

（2）冰层的旋转阶段

导线在融冰过程中会发生冰层旋转的现象。其原理是当冰层内表面温度达到0°C之后，与导线接触的那一部分冰开始融化，冰层将发生如图2.2所示的旋转现象。主要是因为重力作用使覆冰较厚的部分向下坠，产生旋转。

（3）冰层旋转之后的融冰阶段

在冰层旋转之后，冰层比较厚的地方就会处于下方，冰层较薄的地方会处于导线的上方，这样随着时间的推移，上部冰层和导线之间就会出现空隙。空隙将会越来越大，直到冰层从导线上脱落。这个过程即为融冰阶段。

（4）冰层脱落阶段

随着融冰的继续，上表面的冰层会越来越薄，当上表面冰层厚度到达0时，冰层就会从表面脱落。

3 融冰装置原理

3.1 融冰装置简介

本文所选取的12脉动整流兼svc无功补偿系统装置对覆冰导线进行短路融冰。这种融冰方式与其他的方式相比的优点有：

（1）融冰效率高

（2）由于整流成直流融冰，免去的感性负载所产生的感性无功

（3）谐波更弱，更有利于实际应用

（4）在平时非线路覆冰阶段可以使用svc装置进行线路的无功补偿，在需要进行融冰时，可以通过对系统电路的切换与重构。

3.2 12脉动整流装置的基本原理

12脉动整流电路是由两个6脉动的换流器，在直流侧通过串联的方式连接而成。交流侧则用换流变压器，分别有三角形连接盒星形连接而成，两者的相位相差了30°。

每个相邻的晶闸管导通间隔为30°，而每个独立的桥内的循环和六脉动完全一致，皆为60°间隔导通。

整流器在工作状态中的两个6脉动桥的分别电压波形是与他们各自工作的时候波形是完全相同的。

对12脉动整流电路电流进行傅里叶展开式可以知道，交流系统中含有的谐波为12k±1次，就是说含有11、13……次的谐波，12脉动整流电路的谐波数量远远小于单桥6脉动整流电路的谐波含量。所以在使用直流融冰的时候，应该选取12脉动整流电路，可以高效低损耗地进行融冰作业。

3.3 svc装置的基本工作原理

3.3.1 晶闸管控制电抗器（TCR）式svc的简介

晶闸管控制电抗器，俗称TCR，是一种能力连续调节无功，对系统进行无功补偿的。这种方法可以令补偿点的电压接近保持不变。TCR最重要的特点就是可以保持在一些冲击变化中端电压不发生变化。所以在一些很大型的冲击上的无功补偿是非常有效的。

3.3.2 TCR装置的基本原理

三相的TCR线路接法如图3.3。

三相的TCR是由三个单项的TCR通过三角形连接接入到三相电网中的。三角形连接可以令3的倍数次谐波互相抵消，不会流入电网，从而使得谐波数量减少。TCR的优势十分明显，它可以连续地进行感性的无功的调节，使用TCR进行无功补偿是十分好用的装置。

3.4 融冰过程与svc过程的切换模式简介

本装置的优势在于可以在非融冰时期进通过TCR式SVC进行无功的补偿，在融冰时期通过对拓扑结构的切换，将线路功能转变为12脉动的整流融冰电流，能够进行对覆冰线路的融冰功能。下面通过对其中一个TCR的变换来讲解其拓扑结构的改变。

如图3.4.1三相桥式整流电路图所示，以一个基本的6脉动桥式整流线路为例子，对其中一组晶闸管的拓扑结构修改如图3.4.2切换过程示意图。

将VT1的阴极与VT4的阳极短路，此时，图3.4.2中红标部分电路可以等效成如图3.4.3TCR示意图电路。

通过上图可以明显看出，通过这个改动，置整流电路的一个部分变成了TCR无功补偿的线路，同理，12脉动整流融冰电路在经过类似一系列的变换之后，可以与SVC无功补偿线路进行自由的切换。

4 12脉动电路仿真

4.1 仿真电路图

图3.4.1 三相桥式整流电路图

图3.4.2 切换过程示意图

图3.4.3 TCR示意图

图4.2 仿真结果波形

本文使用PSCAD软件进行仿真工作，仿真过程的电路图由12脉动整流电路的主电路图、锁相装置图、延迟部分装置图、触发脉冲部分装置图和输出装置图等几个部分组成。由12个晶闸管组成的整流电路是整个仿真电路的重点，可以通过输出装置来看到起整流的波形，从而可以说明12脉动整流波形的融冰的可行性。

4.2 仿真实验的结果

仿真实验的波形如图4.2。

图中即为仿真结果，可以看出，在相间电压Eab的一个周期中，输出电压Es总共经历了12个周期，即仿真电路产生了12脉动的电压波形。

5 总 结

线路覆冰对电网有着十分巨大的危害，它可以造成杆塔倒塔，线路短路、损毁，闪络短路等严重后果，甚至可以导致恶劣的电网大面积停电事故，严重地影响了我国电力系统的稳定性与安全性。

本文中具体使用的电流融冰装置是具有12脉动整流功能的svc装置。12脉动整流装置产生直流融冰电流，通过短路导线产生热量来进行融冰。本文所使用的融冰装置是基于svc无功补偿的结构，通过一系列的逻辑开关切换，得到整流电路融冰。这种方式的好处是在非融冰期间可以通过TCR式SVC对电网进行无功补偿，而需要融冰只需要几个简单的切换就可以使线路具有融冰功能，不会浪费线路功用，经济性好。

本文还就12脉动整流电路通过PSCAD软件进行了仿真，以证实整流电路可以产生足够融冰的直流电流，在需要时进行融冰。

基于SVC的12脉动整流电路有着其他整流方法无法相比的优势与发展前景，本文只是对其基本原理进行了探究，抛砖引玉，让更多的人来对这一融冰方法进行研究与改进，保护我国的电网安全。

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