基于不接地配电网的零序电流在线融冰技术

杨芳，唐小亮，周亚兵，宾泼，侯宇凝，李达义

(1．广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511518；2．强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074)

2008年初，受到低温降雪天气的影响，我国南方地区遭受了史无前例的冰灾。据相关统计，此次冰灾造成500 kV交直流倒塔678基，停运输电线路119条，220 kV交直流倒塔432基，停运输电线路343条[1-3]，使得电网大面积陷入瘫痪之中。自2008年后，输电线路融冰技术成为研究热点。现有融冰技术虽然已经取得了一定的成效，但是尚无可不停电融冰的工程先例，仍然以交流短路融冰和直流短路融冰为主[4]，有必要设计出一种不停电融冰装置，进一步减少融冰期间造成的停电问题，提高电网可靠性，减少经济损失。

粤北山区是2008年冰灾最严重的地区之一，其特殊的地理位置使得春冬季节时有冻雨天气出现，架空电力线路易覆冰，威胁冰区设备、电网、供电安全，而现有融冰装置主要用于线路相对较长的主网线路，完善配电网线路除冰手段是亟需解决的关键问题。目前的配电网线路融冰方法存在融冰操作复杂、长度短且需线路停电等问题，有必要开展架空线路在线融冰新技术研究，解决上述问题。

1 国内外融冰技术研究现状

20世纪中期以来，国内外对高压输电线路的覆冰监测进行了长期的观测和研究，目前，国内外除冰技术有30余种，主要划分为4类：交流短路融冰法、直流融冰法、机械破冰法以及其他新型除冰法[5]。

1.1 交流短路融冰技术

1976年以后，中国和加拿大Manitoba水电局一直采用短路电流融冰。1993年加拿大Manitoba水电局就已经开展了交流短路融冰，截至目前，已经可以实现数千公里线路融冰。交流短路融冰是将融冰短接线装在输电线路的某一点上，再利用中压配电装置对线路输送融冰电流，并依靠短路电流产生的热量融化线路上的覆冰。图1所示为交流短路融冰技术原理，其中“(3)”表示末端三相短路。

图1 交流融冰技术Fig.1 AC ice melting technology

交流短路融冰方法可以充分利用集肤效应加速融冰，并且可以直接采用系统电源作为融冰电源，操作简单，成本较低，目前是大部分地区的首选融冰方式。但是，该方法的不足之处是随着电压等级升高，电源的无功容量需求过大，一般只适用于220 kV及以下电压等级线路的融冰作业[6]。

1.2 直流短路融冰技术

直流短路融冰技术通过换流装置将交流电源转化为直流电源，并对覆冰线路加热，使得线路覆冰融化。图2所示为直流短路融冰方法原理。

图2 直流融冰技术Fig.2 DC ice melting technology

直流电流在流经输电线路时不产生无功功率[7]，并且线路电阻远小于电抗，只有换流装置需要消耗无功；因此对电压等级相同的融冰电源来说，直流电源比交流电源输出更大的融冰电流。直流融冰技术由于没有引入大量无功，不需要大容量的无功补偿装置，但是需要可靠的整流装置，操作不便。

1.3 机械除冰技术

机械除冰技术是指通过人工或者机器使导线表面覆冰脱落，以此达到除冰的目的，具体是通过使用自动机械装置产生的动力来破坏线路上的冰体，从而使得覆冰从线路上脱落。机械除冰主要包括4种方式——人工除冰、滑轮铲刮法、强力振动法和机器人除冰。图3所示为人工除冰现场照片。

图3 人工除冰技术Fig.3 Artificial de-icing technology

人工除冰需要人员现场操作并执行，且需要视冰层的厚度选择不同的工具。当需要停电融冰时，可以通过竹竿敲打法等多种手工除冰方法[8]。该方法的优点是方便易用，但是效率不高且安全性极差。

1.4 高频激励融冰技术

McCurdy J.D.等人于20世纪末提出了高频激励融冰技术。高频激励融冰虽然也属于热力融冰的范畴，但在原理上又有一定的区别。当对覆冰导线产生1个高频交变电流时，冰会成为有损的电介质，高频电场对其进行反复极化，同时流经导线的高频电流也会在导线中产生焦耳热[9-12]。图4所示为高频激励融冰技术原理。研究表明，电介质在进行高频加热时，其单位体积吸收的热功率

H=(1.33fpsE2εrtanδ)×10-13.

(1)

式中：fps为高频激励电源的频率；E为电场强度；εr为电介质的相对介电常数；tanδ为电介质损耗角度的正切值。

该方法虽能耗低，但是过高的频率会对公共空间造成严重的电磁干扰，选择合适的频率十分重要，目前主要停留在理论研究阶段。此外，陆续出现了利用化学涂料防冰、智能机器人除冰、微波加热雾滴等的融冰和防冰技术，但是很多也都停留在理论阶段[13-15]。

图4 高频激励融冰示意图 Fig.4 Schematic diagram of high-frequency excitation ice melting

以上融冰技术都有独特的应用场景与优势，但始终无法解决融冰时的停电问题。为此，本文设计了接地变压器与可调电抗器相配合的在线融冰系统，在线路末端通过避雷线构成零序回路，通过调节可调电抗器的电抗大小来实现融冰电流可控，以及融冰期间线路不停电。

2 在线融冰原理

在配电网中，当发生单相接地故障时，三相之间的线电压保持不变，仅三相对地电压发生变化，可以带负载持续运行2 h[16]，而当线路达到临界融冰电流时，完成融冰仅需要1 h，基于此可以实现不停电融冰。根据电力系统各元件的零序等值电路，变压器二次侧以及负载侧均为三角形连接，无法构成零序回路，因此零序回路只能在图5所示的零序融冰回路中流通。通过智能转换刀闸，在非融冰期间，线路为非有效接地方式运行，在融冰期间，智能刀闸切换至零序电抗一体装置。本文通过接地变压器与可调电抗器相配合，并通过避雷线或大地作为零序电流的回路，融冰时对负载侧不产生影响，从而实现不停电融冰。

导线所需的融冰电流随着线径增大而上升，因此需要计算出当可调电抗器处于某一档位时的在线融冰电流数值，比较当前档位的融冰电流数值与融冰线路的临界融冰电流的大小，通过调节可调电抗器的档位来改变阻抗大小，在不超过线路在覆冰期间允许的最大融冰电流的条件下，调节至满足所需融冰电流Im，即

图5 基于零序电抗装置的不停电融冰示意图Fig.5 Schematic diagram of uninterrupted power ice melting based on zero-sequence reactor

(2)

式中：USYS为系统相电压有效值；ZL为每相线路阻抗；ZB为避雷线阻抗；ZGR为接地变压器阻抗；Za为可调电抗器的阻抗。图6所示为线路融冰电流随导线型号变化曲线。

图6 线路融冰电流变化曲线Fig.6 Ice melting current curves

2.1 融冰电流计算

在实际融冰工程中，融冰电流并不是任意数值均可，需要在一定的范围内进行调节。因此，需要通过确定可调电抗器的阻抗来确定融冰电流[17]，且融冰电流必须大于临界融冰电流；同时，在保证融冰速度的条件下，不得超过线路允许的最大容许电流。导线脱冰前的最大容许电流

(3)

式中：R90为导线在90 ℃时的电阻；tout为外界温度；v为风速，单位为m/s；D为冰层直径，单位为cm；Σd为辐射系数，冰取0.64，霜取0.32，铜取0.6，铝取0.11，铁取0.25。

临界融冰电流也叫最小融冰电流，是指保持导线温度在0 ℃以上，刚好不使导线处于覆冰状态时的最小电流。此时，导线产生的焦耳热与辐射散热、对流消耗等消耗的热量相互平衡，计算公式如下：

(4)

式中：Ic为导线电流；R0为0 ℃时单位长度导线电阻；t1为导线不结冰的温度，一般取t1=2 ℃。

在实际工程中，无法精确测量出导线的各项数据，在导线周围环境因素变化不大的条件下，最大容许融冰电流和最小融冰电流也基本不变。因此，在融冰工程中，各导线型号的融冰电流可以见表1[18]。

表1 几种导线的最大和最小融冰电流Tab.1 The maximum and minimum ice melting currents of several wires

由表1可以看出：最小融冰电流与最大融冰电流之间相差几百安，实际工程中只需要调节可调电抗器使得融冰电流在该区间内即可。由于融冰作业对精度要求不高，在实际工程中对照表1选取融冰电流即可，可根据实际所需的融冰时间来调节融冰电流，电流数值越大，融冰时间越短。

2.2 导线覆冰动态模型

针对覆冰从导线上的脱落条件，Valgas和Bejan对1个冰套筒在水平加热圆柱体上的接触融冰问题进行了理论和实验研究，表明若覆冰形状为圆形截面，此时融冰时间与环境参数的关系为[19]

(5)

式中：t为融冰时间，单位为s；ρi为冰的密度，单位为kg/m3；Lf为冰的融化热，单位为J/(kg·K)；cpi为冰的比热容；tice为冰面温度；Vmelt为融冰体积，单位为m3；Rc为单位长度导线电阻；Psol、Pc、Ps分别为日光、对流和辐射传热功率，单位为W。

3 在线融冰实验装置的参数设计

3.1 基于Maxwell 3D的融冰电流仿真

为了更为准确地验证实际系统中在线融冰装置的作用，采用ANSYS软件，基于实际接地变压器模型建模。为了验证本装置在极端工况下的工作情况，对10 kV配电网架空线路进行仿真分析，选取线路参数为：导线型号LGJ-95，长度1.5 km；主变压器8 000 kVA；前端负载4 000 kVA；末端负载20 kVA。线路正常工作时，末端线路电流仅为1 A左右，而导线LGJ-95的线路融冰电流则需要达到300 A以上，因此，此次仿真验证在极端工况下的融冰效果。图7所示为依据实际尺寸所搭建的接地变压器模型，图8所示为接地变压器激励电压和电流曲线，图9所示为Z型接地变压器接线图。

图7 接地变压器1/4模型Fig.7 Ground transformer model

图8 接地变压器激励电压、电流Fig.8 Excitation voltage and current of ground transformer

图9 Z型接地变压器接线图Fig.9 Z-typed ground transformer wiring diagram

在工程设计中，往往根据变压器的尺寸以及绕组的匝数半径等参数估算系统的零序阻抗X0[20]，

(7)

式中：fs为电力系统频率；Wh1为被计算的漏磁绕组的高压线圈匝数；Hd为横向漏磁等效高度，单位为cm；r1为高压线圈平均半径，单位为cm；p1为横向漏磁洛氏系数；K为高压线圈漏磁组数；a1为高压线圈电抗宽度。

根据Z型接地变压器的接线图，分析其磁路联系，得到如图10的向量图[21]。其中：a1、a2表示高压侧A相上下绕组，b1、b2表示高压侧B相上下绕组，c1、c2表示高压侧C相上下绕组。

图10 Z型接地变压器向量图Fig.10 Vector diagram of Z-typed ground transformer

接地变压器每柱的2个线圈(高压内外线圈)正序电流有120°的相角差，零序电流为180°相角差，常规变压器每柱的2个线圈(高低压线圈)正序电流为180°相角差；因此接地变压器因同柱上两绕组流过相等的零序电流而呈现低阻抗。图11和图12所示分别为接地变压器磁感强度分布及空载电流。

图11 接地变压器磁感应强度分布Fig.11 Magnetic induction intensity distribution of ground transformer

图11 接地变压器空载电流Fig.12 No-load current of ground transformer

可调电抗器压降为4.621 4 kV，A相融冰电流为364.7 A，由此可以计算出可调电抗器的阻抗为12.67 Ω，电感约为40.4 mH。图13所示为接地变压器三相电流。

图13 接地变压器三相电流Fig.13 Three-phase current of ground transformer

图14所示为在线融冰时三相线路的电流情况，从仿真结果可以看出：当A相末端与零序电抗一体装置连接之后，A相线路电流为364.7 A，B、C两相电流为1.1 A，与正常运行时线路电流相同。该极端工况下的仿真验证了所设计的在线融冰装置可实现在线融冰作业。

图14 在线融冰时三相线路的电流Fig.14 Current curves of three-phase line during online ice melting

3.2 其他负载条件下的融冰工况

为了更进一步说明在线融冰思路在多种工况下的可行性，分别对不同负载容量进行仿真，验证各种工况下的融冰效果，不同融冰工况见表2，多种负载条件在融冰期间对负载侧的电压、电流不产生影响，因此，在融冰期间可对用户正常供电，实现不停电融冰。

表2 多种负载条件的融冰工况Tab.2 Ice melting conditions under various load conditions

3.3 接地变压器的加工与测试

根据仿真参数设计出容量为2 500 kVA、零序阻抗为1.25 Ω的接地变压器，零序阻抗与设计值误差很小，可认为设计成功，装置已运至融冰实验线路，将在冬季开展实验验证。

由于首次设计该类型在线融冰装置，为了保证安全性，需充分考虑各种可能的意外情况才可进一步开展挂网实验。图15所示为测试实物图，表3为2组实验测试结果，实验位置均为三相中性点处。

图15 接地变压器单相阻抗测试Fig.15 Ground transformer single-phase impedance test

表3 接地变压器测试结果Tab.3 Ground transformer test results

在实际融冰工作中，接地变压器不需要二次侧绕组，做成接地电抗器的形式，经济性更高。

4 结论

针对本文所研制的基于接地变压器和可调电抗器的不停电融冰装置，通过理论分析与仿真验证，得出以下结论：

a)通过零序电抗一体装置与避雷线构成零序融冰回路，在融冰期间负载侧的电压、电流几乎没有变化，可实现不停电融冰，从而有效解决现有融冰时的停电问题，大大提高电网运行的可靠性，减少因停电造成的经济损失。

b)可调电抗器可以实现融冰档位的调节，避免线路覆冰和融冰不当造成的输电设施损伤问题，有效保障输电线路的安全，大大提高电网供电的可靠性。