直流融冰兼无功补偿装置结构分析

朱旭东，陈 鹤，辛业春

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，昆明 650000;2. 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

2008年1月，一场“百年难遇”的冰雪自然灾害悄然而来，罕见的冰冻给南方电网中的各类输电线路、各种电气设备都造成了十分严重的损失。输电线路覆冰严重，难以提供正常电力供应。这极大地影响了人们的日常的工作、学习和生活。

以云南地区为例，冰雪灾害造成云南省电压等级在10～500 kV的线路累积停运1091条，变电站累积停运76座。110 kV及以上输电线路倒塔(杆)120基，杆塔塔头垮塌、损坏113基，导、地线断线137条。这导致了205个乡镇面临停电，影响电量累计可达1.88亿kW·h，造成2156户工业停工，85.4万户居民家庭停电，累计涉及人口可达429.5万人，造成了极大的损失。因此，解决寒潮天气状况下的冰冻问题十分重要[1]。

为了避免冰雪灾害对电力系统的影响，各种各样的融冰技术、形形色色的融冰装置也受到人们的广泛关注。常见的融冰方式主要有：交流短路融冰法、直流融冰法、电磁脉冲融冰法、高频电压激励融冰法及机械除冰法等。这些方法有一个相似的特点就是：通过使输电线路中电流的急剧增加或其他机械方法，使导线本身产生大量的焦耳热，促使周围的冰层融化脱落，达到除冰的目的。生活中常见的除冰方法或多或少包含着缺点。对于交流短路融冰法，在电压等级为500 kV及以上等级时，需要的无功很多，难以找到满足要求的电源，融冰时间往往长达数个小时。对于高频电压激励融冰法，高频高压的条件会导致通信受到干扰，设备成本高昂，除冰距离有限。对于机械除冰法，必须要将需除冰的部分停电处理，以保证人员安全；其次，机械除冰耗时费力，也不允许电气设备的机械损坏的状况发生。对于直流融冰，必须要求融冰线路与电网断开，融冰结束后，该装置作为就地无功补偿装置，使用频率低，占地面积大，但直流融冰产生热量均匀，融冰效果好。

该文主要论述如何将直流融冰与无功补偿二者协同运行，一方面使该装置的融冰操作有效进行；另一方面使装置在融冰结束后，仍可并入电网，为电力网络实时提供无功，以达到电压实时平衡的目的。

1 直流融冰的原理及特点

1.1 直流融冰的原理

直流融冰主要是指交流电压通过换流站转化为直流电压，连接在待融冰线路两端，由于短路作用，电流数值急剧增加至正常工作电流以上，导线温度也随之上升，从而使附着在导线上的冰层融化脱落，最终达到去除的目的。

通常情况下，将装置中包含整流变压器的融冰装置称为固定式融冰；反之，不含有整流变压器的融冰装置称为移动式融冰[2-4]。在融冰的过程中，线路的连接也有两种方式：一种是1-1方式接线，是指在融冰的过程中，在三相(A相、B相、C相)导线中任取其中两相直接接在直流电压的两端，构成短路回路进行融冰，如图1所示；另一种是1-2方式接线，是指在融冰过程中，将三相导线中的其中两相并联后接到直流装置的其中一极，将导线中剩余的一相接到另外一极，形成融冰回路，如图2所示。

图1 1-1方式接线示意图

图2 1-2方式接线示意图

1.2 直流融冰的特点

1)在需要融冰的线路上，不用考虑电感的损耗，故不需要无功功率来使效率提高、电压稳定，因此系统容量不用很大。

2)线路上通入直流电流，稳定性不会随长度的变化而有明显的影响；同时，导线中电流密度分布均衡，产生的焦耳热的大小也比较均匀。

3)直流融冰的倒闸操作相对于交流融冰而言更加简单，但是往往需要特定的换流装置来进行操作。

4)移动式融冰需要将装置运到融冰现场来操作，需要进行临时接线，耗费时间。

2 SVC装置的原理及分类

2.1 SVC装置的原理

静止型动态无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC)通常包含一个电抗器和一个电容器，电抗器用来调节电感的大小，电容器用来滤出产生的高次谐波。此装置往往能够识别出电力系统中无功功率的实时波动情况，从而迅速地进行调节，使系统中的无功功率满足要求，电能质量也有所提高。

在实际应用中，SVC装置对于解决不同类型的负载所产生的无功功率的变化效果十分明显。该装置的应用使系统的功率因数得到明显的提升，电压的波动得到了抑制，电压和电流的三相不平衡度也有所降低，是一种拥有高水平技术、明显的经济效益的节能装置。

2.2 SVC装置的分类

2.2.1 晶闸管控制电抗器型(TCR型)

采用反向并联两支晶闸管，再与电抗器串联，如图3所示。通过改变触发角的大小来对此装置进行改变，本质上来说，此操作改变了等值电纳，因此装置的无功输出也发生了改变。该装置响应速度快，调节过程平滑连续，自动实现补偿。

图3 TCR型无功补偿装置

2.2.2 晶闸管投切电容器型(TSC型)

利用反并联晶闸管作为无功补偿装置，它利用晶闸管具有单向导通性的特点，迅速并平稳地对电容器进行投切，如图4所示。投切具体时间可以精准把控，能立刻将电容器并入电网，大大降低了投切时的电压冲击，减少了谐波的产生。

图4 TSC型无功补偿装置

2.2.3 带滤波器的晶闸管控制电抗器型(TCR+FC型)

一种组合补偿形式，通过控制装置中反并联的二极管的触发角，来实现将TCR的补偿范围从感性扩展到容性区域，既可以供给感性无功，又可以供给容性无功。这种组合是对TCR型装置功能的完善。内部的电容器起到滤波作用，减少了谐波的产生，是当前SVC的一种较为常见的方式，如图5所示。

图5 TCR+FC型无功补偿装置

3 直流融冰兼SVC装置

传统的直流融冰方式中融冰装置每年工作的时长有限，其余时间内，该装置大多处于闲置状态，可利用率很低。将直流融冰装置与SVC装置进行一体化设计，在需要融冰时当作融冰装置；在融冰结束后，直接并入电网中，对电网进行实时的无功功率补偿，提高了设备的利用率以及整体的经济性。常见的直流融冰兼SVC装置类型有TCR型和可控整流器型两种。

3.1 TCR型直流融冰兼无功补偿装置

该装置的原理是通过改变6个晶闸管的连接方式，从而使整个装置可以在直流融冰和无功补偿两种状态进行切换。当装置处于融冰状态时，ABC三相均连接了反并联晶闸管的其中一端，另一端3个共阴极组相连作为融冰线路的正极，3个共阳极组相连作为融冰线路负极。当装置处于无功补偿状态时，任意两相之间加入反并联的2支晶闸管。不同状态时的电路原理图如图6、图7所示[5]。

图6 直流融冰状态原理图

图7 无功补偿状态原理图

3.2 可控整流器型直流融冰兼无功补偿装置

该装置的主要原理是通过改变末端开关的关断与闭合，将待融冰部分与电路相连和断开，实现融冰和无功补偿的切换[6]，如图8所示。其中S1、S2为隔离开关，当S1断开，S2闭合时，待融冰线路上通以直流电流，装置运行在直流融冰模式。当S2断开，S1闭合时，整流装置的直流侧经电抗器直接短接，由于电抗器的电感值极大，此时，整流装置上消耗的无功功率远大于有功功率，该装置等效为感性无功补偿装置，并可通过改变整流装置触发角的大小实现消耗无功功率大小的调节。

图8 可控整流器型直流融冰兼无功补偿装置原理图

3.3 二者优缺点分析

TCR型直流融冰兼无功补偿装置的优点是在工作的过程中，产生的谐波较小，无功补偿及时，电能质量好，有利于系统的稳定；缺点是由于此种形式的装置主要是通过改变晶闸管连接方式调节的，切换过程操作复杂，工作量较大，影响系统的稳定性。

可控整流器型直流融冰兼无功补偿装置的优点是整个过程中，并未改变晶闸管的连接方式，仅靠更改外部开关通断，切换过程操作简单，增加了系统的可靠性；缺点是无功补偿时会产生相对比较明显的谐波，补偿速度也会相对较慢。

4 结 语

阐述了直流融冰以及无功补偿装置原理，并分析了两种常见的直流融冰兼SVC装置。通过原理分析以及优缺点的对比可发现，该装置可以良好地解决寒潮时期的冰冻问题，增加了装置的利用率，提高了经济性，使该技术的优点得以显现。但是，操作方便与谐波含量少二者之间仍难以兼顾。随着直流融冰的普及与发展，可想办法将二者优点结合，优化操作过程，或者选取稳定性更高的半导体元件。这样，直流融冰方法得到更好应用。