交流输电系统直流融冰装置简介及其应用

胡琴

【摘 要】本文首先阐述了融冰装置方案，从融冰装置的两种电源来源，即发电机与变电站进行分析，然后对直流融冰的应用推广加以简要叙述，最后对融冰装置线路接入方式及其故障控制策略进行分析研究。

【关键词】直流融冰；推广应用；接入方式

冰冻灾害常常考验着电力系统，电网技术如果裕度不够，常常会发生冰闪甚至倒塔断线、电网瘫痪的情形。融冰技术通过将电能转化为热能，增大导线电流提升温度实现融冰目的，融冰技术具有多方面的突出优势，时间短、易操作等，因此这项技术具有很好的运用推广价值，值得重点研究。

一、融冰装置方案

直流融冰法的优势主要体现于融冰方式，通过大容量设备将交流电源转化为直流，发电机或者交流电网均可以作为其电源，将导线一端与直流融冰装置直接相连，导线另一端短路，将直流电流注入导线来实现加热目的，进而完成融冰目的。这种融冰方式仅需消耗小部分无功，因此适用范围较为广泛。覆冰融化的前提是上述过程所产生的热量大于导线散发及其融冰热量之和。

在运用直流融冰过程中，须注意以下几个技术核心问题： 1）線路所需最小电流；2）装置容量、融冰装置能够提供的最大融冰电流、融冰装置能够提供的最大输出直流电压；3）输入电源的来源；4）无功和谐波对交流电网产生的影响；5）变电站的接入方式。

（一）电源由发电机（发电车）提供

直流融冰电源由发电机提供的电路图1所示。这里的发电机可以是大功率柴油发电机组，也可以是电网发电机。在这种电源模式下，通过改造主接线，将其通过旁路与整流器联通，获得直流电源，最终达到融冰目的。

（二）电源由变电站提供

直流融冰电源由变电站提供的示意图如图2，系统电源通过换流变压器、整流装置，最终实现带线路融冰。

假如220kV及其110kV变电站中，10kV恰好能够满足此种整流器电源输入需求，直流融冰为一种特殊工况，220kV主变或110kV主变可以满足其换相电抗需求，融冰过程中将其直接与220kV主变或110kV 主变10kV侧直接连通。

上述模式没有整流变压器，可以实现在各变电站之间整流器直接移动，但这模式只能选择六脉动整流，在整流过程中不可忽视的因素是其间生成的无功和谐波，而且需要评估在这个过程中产生的220kV或者110 kV的换相电抗对主变产生的影响。

二、直流融冰装置的应用

2008年冰冻灾害受灾最严重的地区变电站之一为贵州福泉变电站。福泉500kV变电站电压具有五个等级：500kV、220kV、110kV、35kV、10kV；有非常理想的直流融冰技术应用环境，所以选择此地进行实地试验，装置试验选择500kV。参考国内一系列较为成熟的装置技术及其调试经验对直流融冰系统现场试验及其测试项目进行了研究、确定，并对无功和谐波进行了分析计算。为避免融冰试验试验对于导线的损伤，计算了220kV及其500kV输电线路所需最大电流与温度。为保障试验的安全性，测量并对比分析了直流电阻。于2008年8月在铜仁市完成了220kV 直流融冰装置样机全部试验项目，同年9月于贵州福泉完成25MW直流融冰装置全部试验项目。此次试验取得了良好的效果，取得了较为理想的示范效应。

现场试验取得成功之后，直流融冰装置相继在黔、粤、滇等南方冰冻重灾区得到了推广应用。试验成功之后的次年年初在南方大范围的数日持续低温期间，融冰装置于黔、粤、滇三省电网陆续启用，进行实战，在短时期之内，实现了使导线上的覆冰全部脱落的既定目标。试验与实战的成功意味着直流融冰装置核心与关键技术的研发与应用方面获得了成功。

三、融冰装置接入方式故障控制策略

（一）接入方式

直流融冰装置目前采用的接入方式主要是短路法，通过短接形成回路，最终实现线路融冰。接入方式在目前运用普遍的“一进两回”模式的前提下，还有一种行之有效的自动融冰与切换方法，在对融冰电流输出进行调节的同时，在融冰电源不间断的情况下，按照装置线路实际负载对开关k1～k5进行控制、切换，实现接入线路的自动变换，图3中A、B、C依次代表负载线路的三相接入点，其接入方式如图所示：

模式一：A相进，B、C相回：k1、k3、k5闭合，k2、k4分断。

模式二：B相进，A、C相回：k2、k3、k4闭合，k1、k5分断。

模式三：C相进，A、B相回：k1、k2、k3闭合，k4、k5分断。

在这种接入模式中，k1和k4之间互锁，k2和k5之间互锁，避免出现由于开关误操作导致的短路故障。在融冰接入方式按照上述模式进行自动切换时，为了确保融冰控制按照合理方式进行，需要对其顺序和逻辑加以科学控制。在线路切换工程中，融冰电源的工作没有必要间断，只需控制电流及其接入开关的分合便可完成切换工作及其自动融冰任务。

在上述自动切换模式的前提下，提出了一种新型三相循环自动融冰控制策略，在这种控制策略下进行融冰接入线路切换过程中，不需要停止整个融冰电源，通过对斩波器的控制，不需要停止整个融冰电源，就能够实现3种线路接入工作模式的切换，完成三相循环自动融冰。

要按照融冰时间及其线路温度对融冰正常完成与否加以判断。融冰开关切换、封锁融冰斩波脉冲的同时，对系统开关状态及其线路电流要加以检测（确保线路电流为0）。以“A相进，B、C相 回”接入工作模式举例，在这种模式中融冰相电流为IA，可得IA=IB+IC，通过焦耳热及其流经线路电流的平方成正比的关系来看，A相吸收的热量为B相及其C相的4倍，在A相融冰试验过程中，A相温度先升高，在这个时候对正常融冰完成加以判断的条件是：融冰相温度大于融冰规定临界值；融冰时间大于2t。在系统满足上述任何一项条件的情况下，可切换至下一相的融冰或者停机结束。融冰相温度由实验时的各观测点红外测温成像仪进行测量之后传回。融冰时间t计算公式为：

（二）故障及其控制策略

在具体操作过程中，对线路短路进行保护的方法是通过中间接地电容来对半电压状态进行检测，对可能存在于装置直流一侧的短路或者接地等故障进行检测与排查，下图中R1、R2两个电阻完全一致。

在进线接地短路故障与回线接地短路故障中存在如下3种可能性：

（1）进线接地，在这种故障中负载电流会出现突然急剧上升情形，此时变流器装置通常会启动相应保护动作，在这种情况下UR1<2UR2且UR2<2U0 /3成立。

（2）回线接地，在这种故障中负载电流仍会出现突然急剧上升情形，此时变流器装置通常会启动相应保护动作，在这种情况下UR1>2UR2且UR1>2U0 /3成立。

（3）进线与回线短接故障：当UR1=2UR2依然成立，但是系统负载会在短时间内出现突然变小的情形，电流发生突变，短接位置决定幅度值大小，若突变达到系统保护设定的门槛值时分级保护动作，门槛值设置为1.2倍额定电流。直流融冰系统直流侧短路及其接地等故障，可以按照负载电流变化、电阻R1及其R2端电压的比较分析来确定故障类型，并且采取相应保护动作。

直流融冰技术通过实验，装置已经投入实际使用中，直流融冰装置作为一种针对冰冻灾害极端气候的一种应急方式优势明显，调节领域与范围广阔。直流融冰装置运用自动切换技术保障了融冰的均衡性，安全系数、可靠系数、可操控性及其结构非常理想。一系列实验证明了直流融冰技术的可行性、故障解决策略的有效性，关于这项技术的一系列科研成果已经得到了转化，在很大范围内起到了示范带头作用，在相关技术与实践领域开拓了一片新天地。

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