500kV 变电站固定式直流融冰装置研究及应用

朱春良 周鹏杰

（国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌330096）

1 课题背景及研究的目的和意义

对于500kV 及以上电压等级的敷冰线路，直流融冰法具有无可替代的优势。国家电网公司《输电线路电流融冰技术导则》规定，500kV 交流输电线路不宜采用交流融冰方法，应优先配置固定式直流融冰装置，不宜采用移动式直流融冰装置，如果变电站有无功需求时，可以配置兼作无功补偿功能的融冰装置。因此,对于500kV 线路融冰，建议采取在变电站内建设大功率直流融冰装置建设方案。

2 变电站融冰参数计算

输电线路直流电流产生的热量必须大于导线散热量和融冰热量之和导线覆冰才能融化。这就要求融冰电流需满足热平衡方程式

算出500kV 常用的4×LGJ400 型导线所需的融冰电流约为4kA，220kV 常用的2×LGJ300 所需的融冰电流约为1.69kA。

罗坊变是江西500kV 电网最重要的枢纽变电站之一。按500kV 线路融冰电流4000A、220kV 线路融冰电流1.69kA 对罗坊变的出线所需要的融冰容量进行了计算，罗坊变融冰装置最大需要65MW。

3 基于全控器件可调节融冰兼无功补偿装置设计

罗坊变电站设计的融冰装置直流融冰最大容量60MVA。新设计的融冰装置直流融冰最大容量60MW。其中17 个模块单元通过接触器来控制投切模块的数量来控制直流输出电压，每个模块的容量为3.5MVA，不可调节，而基于全控器件的一个模块中的全控器件用作斩波调压开关管，功率在0～3.5MVA 范围内连续可调，从而实现0～60MW/0～15kVdc 全范围的直流融冰连续可调。

在不进行融冰时，对电网无功补偿，提高装置利用率。对无功补偿容量的控制与融冰工作时容量控制方法相同，其中18个模块单元通过复合开关来控制投切模块的数量来控制无功补偿容量的大小，每个模块的无功容量为3.5MVar，不可调节，而基于全控器件的一个SVG 模块在0～3.5MVar 范围内连续可调，从而实现0～60MVar 全范围的无功补偿连续可调。

（1）主拓扑电路

为了实现快速融冰，融冰时线路将通过较大的直流电流。同时，融冰电源的电压应当能在一定范围内可调，以便可以满足不同长度线路的融冰要求而不需要进行阻抗匹配。装置采用模块化设计，变流器部分包含不可控（二极管）整流单元和1 套四象限全控整流单元。变电站35kV 交流电源经过特殊的降压变压器（共有18 个低压绕组）降压后，进入融冰单元。融冰额定功率60MVA，无功补偿容量60MVar。装置做直流融冰时，17 组不可控整流器和1 组四象限整流器的直流母线串联，可输出直流电压15kV，电流4kA；作电网无功补偿用时，一组由IGBT 构成的三相四象限整流器根据指令向电网发出感性或容性无功电流，达到无功补偿的目的。

直流电压大小可通过改变串联的整流桥数量进行改变，也可以通过调节四象限整流器直流电压进行微调，以实现电压全范围调整。

（2）单元模块结构

兼具无功补偿的融冰装置有两种规格模块。一种模块是由不可控器件二极管组成的整流单元。另一种模块是由全控器件IGBT 与不可控器件二极管组合的全范围可调整流单元，如图1所示。

图1 装置可控单元电气原理图

4 基于整流变及十二脉波二极管融冰装置设计

本方案为目前电网融冰中采用的较为成熟的一种方案，装置利用变电站35kV 电源作为输入，通过融冰整流变压器将35kV 通过降压后接入二极管整流阀，通过二极管整流阀整流将交流变成直流，再经融冰方式切换刀闸将整流部件输出的正负极施加到融冰线路的A、B、C 三相进行融冰，整流变压器低压侧两个绕组不同的接线方式，使两个六脉波整流器各自输出电压相位相差30°，通过两个整流器的串联或并联，抵消输出直流电压中的六脉动纹波，达到输出十二脉波的目的，提高了输出电压的直流性能。同时在阀组交流侧，输入电流中6k±1 次谐波互相抵消，使得交流侧仅含有12k±1 次谐波，电流谐波含量大大减少，通过整流变压器的滤波，可以将整流变压器网测的谐波控制在规程规定的谐波含量范围以内。二极管整流控制系统简单，整流可靠性高，采用风冷散热方式，装置造价低、体积小，且故障率低，运行可靠，故障检测方便，融冰成功率高。

图2 整流变+十二脉波二极管整流原理图

装置由直流融冰部件、感应电压抑制部件、融冰刀闸、串并联切换刀闸、输出融冰方式切换刀闸、内部连接导体等构成。二极管直流融冰部件由融冰整流变压器、整流器组成，通过对输入35kV 电源的降压、整流，能够实现交流向直流的转换，同时可以调节输出电压和电流，还具有谐波治理、控制保护、测量监控功能。

由于变电站主变低压侧为35kV，因此整流变压器交流输入电压为35kV，同时变压器设计多种档位以满足不同线路的融冰需求。

5 220kV 线路融冰试验

220kV 罗渝Ⅰ线线路全长18.864km，共55 基杆塔，全线与220kV 罗渝Ⅱ线共塔，导线使用2*LGJ-300/25。

整流变采用第7 档位（2305V），整流器采用两桥并联，融冰方式为两相串联，融冰电流约1594A，融冰顺序先A 相串联B相，再B 相串联C 相，整流装置输出直流电压通常为1.1 倍～1.4倍交流输入电压有效值，根据实际运行经验可取1.25 倍经核实均满足融冰电流要求。

5.1 保护整定原则

融冰前，需核对低压侧母线过流保护及主变低压侧保护定值单，交流过流速动和交流过流延时需优先考虑上级主变保护和35kV 母线保护，不得越限。

融冰前需将罗渝Ⅰ线退出母线母差保护范围，避免母差保护动作。同时退出罗渝Ⅰ线相关其他保护。

5.1.1 交流速动段电流整定

按躲过励磁涌流整定，可取融冰装置额定交流输入电流的4-6 倍进行整定，动作时间可取0-0.3s，以6 倍额定电流计算为例：

Isd≥6×Ie/NCT

采用56.36MVA 整流变压器时，额定交流输入电流为929.6A，则速动段保护定值为Isd =6×929.6A/（2000/1）=2.789A，取Isd=2.789A，时间t=0s；

5.1.2 交流限时段电流整定

时间按躲过励磁涌流衰减时间整定（要求不能越限主变35kV 后备三侧保护），可取0.6s-1.2s。

按躲过融冰时整流变高压侧最大负荷电流，并校核低压侧故障动作灵敏度，取融冰装置额定交流输入电流的1.2 倍进行整定。计算公式如下：

采用56.36MVA 整流变压器时，额定交流输入电流为929.6A，则限时段保护定值为Ixs=1.2×929.6A/（2000/1）=0.557A，取Ixs=0.557 A，时间t=1.2s；

5.1.3 直流电流保护整定

按躲过融冰装置所能允许的最大直流电流的1.2 倍整定。罗坊变融冰装置额定直流输出电流为4000A，直流保护定值：

融冰装置总电流Izs=4000×1.2=4800A

融冰装置A 桥电流Izs1=2000×1.2=2400A

融冰装置B 桥电流Izs2=2000×1.2=2400A

5.2 融冰流程与效果

观察直流融冰装置各部位运行情况及温度，监测装置直流输出电压、输出电流，罗渝Ⅰ线A、B 相直流融冰工作已开始，监视站内融冰回路设备、直流融冰装置运行状况，线路沿线观测点与站内观测点，监视线路A、C 相温升与脱冰情况，现场监测点观冰人员观测到线路覆冰基本脱落后，申请罗渝Ⅰ线直流融冰工作结束并恢复设备运行状态。