输电线路和电气化铁路接触网交直流融冰技术研究进展

刘 辉，漆 照，贾 然，沈 浩，刘 嵘

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

输电线路覆冰现象多发生于春冬季节的雪季，是一种受微地形、微气象和线路本身因素影响的自然现象［1］。输电线路在不同因素影响下会产生雨凇、混合凇、雾凇、积雪、白霜等覆冰类型［2］。输电线路覆冰会导致输电线路机械性能、电气性能降低，严重威胁电力系统安全运行［3］。线路严重覆冰还会导致倒塔、断线，自然环境恶劣和道路不通时抢修难度大，恢复供电时间长［1］。电铁接触网是牵引供电系统的重要组成部分［4］。电铁接触网通常暴露在室外，容易受到覆冰影响，而接触网的覆冰会破坏弓网关系，造成弓网虚接，从而引起导线烧断、设备损坏和列车停运等后果［4］。

针对输电线路和电铁接触网的覆冰问题，目前采取的主要手段为人工定期巡检［3，5-6］。电铁接触网方面还会在铁路沿线搭建观冰站作为人工监测。但人工巡检存在人力需求大、排查时间长、投资成本高和不能在线监测等问题。输电线路方面，人工巡检无法准确判断线路的覆冰厚度和受力情况［3，6］。基于以上问题，国内外提出了多种除冰和融冰方法，其中包括热融冰、激光除冰、电脉冲涂冰、机械除冰、防冰涂料、和混合除冰等［2，7-9］。交直流融冰技术是目前消除输电线路和电铁接触网覆冰最为有效的技术手段，属于热力融冰技术范畴。因此，深入研究交直流融冰技术将推动电铁接触网和输电线路融冰问题的解决。国内目前有大量工作在使用和改进交直流融冰技术。2008年南方大范围冰灾后，中国电科院、湖南公司、南瑞集团、许继集团等成功研制各种输电线路融冰装置。2020年，国网山东省电力公司配置了一套用于220 kV 及以下线路的移动式直流融冰装置，并于2021年3月在某220 kV变电站实施直流融冰作业。

重点讨论交直流融冰技术在输电线路和电铁接触网融冰中的应用。根据原理对交直流融冰技术进行分类，并结合装置配置和应用场景介绍了交直流融冰技术优缺点，详述交直流融冰技术的技术实现与配置原则，讨论交直流融冰技术在实际应用中的适用性与缺陷，为后续相关研究提供参考。

1 融冰原理

1.1 输电线路融冰

1.1.1 交流融冰

交流融冰技术包括三类：常规交流融冰技术［2，10］、带负荷交流融冰技术［11-12］和可调电容串联补偿式交流融冰技术［13-14］。

常规交流融冰技术原理如图1所示［2］，在线路的一端施加交流电源，短接线路另一端或者中间段以得到短路电流，然后使用短路电流实现融冰。但此方法存在需要进行线路停运的缺陷。

图1 常规交流融冰原理

带负荷交流融冰技术不需要线路停运。这种方法需要通过负荷调节，改变覆冰区域的线路潮流来获得融冰电流［2，10］。目前国内外实现潮流控制主要通过三种方法：一是直接调度线路潮流［11］；二是调整容性负荷来增加覆冰区域的无功电流；三是利用移相变压器［12］等设备控制潮流。但是这三种方法均会影响输电系统的稳定，实用性不高［13］。

可调电容串联补偿式交流融冰技术在线路上串联电容补偿器，电容补偿器的电容参数选取需要配合融冰电源规格和线路的特征参数［14］。这种方式对电容补偿器的要求比较高。一方面使用电容补偿器调节的融冰电流需要足够大以获得良好的融冰效果；另一方面，调节后的融冰电流不能过大，才可以保证线路安全。此外，不同融冰电源和覆冰线路需要使用不同容抗的电容补偿器，因此这种方式还要求电容补偿器有较大范围的容抗调整裕度和必要的调整精度。目前该技术应用不多。

1.1.2 直流融冰

直流融冰技术主要包括不增加设备的直流融冰技术和增加额外设备的直流融冰技术［15-16］。

不增加设备的直流融冰技术主要改变系统自身的性能与运行状况，提高线路电流以实现融冰。这种融冰方式将直接受到系统的结构与周边环境的制约。

增加额外设备的融冰技术则使用设备来改良直流线路性能。可以通过调节设备对融冰电流进行控制，同时也能进一步提高线路融冰电流的容量。

直流融冰装置的接线方式主要有两种，其中包括：两相串联，即“一去一回”方式［17］，其融冰原理如图2 所示；两相并联后与第三相串联，即“一去两回”方式［17］，其融冰原理如图3所示。

图2 两相串联直流融冰原理

图3 两并一串直流融冰原理

在部分特定场合下，直流融冰技术还会结合特制的导线和应用场景进行调整，李仁杰等［18］使用直流融冰技术对特制的导线进行了仿真与实验，验证了整个系统的融冰效果。

1.2 电铁接触网融冰

1.2.1 交流融冰

接触网交流融冰回路如图4 所示［19］。交流融冰技术的融冰电源一般使用牵引变电所的变压器，电铁接触网上行接触线连接牵引变电所馈线，下行接触线连接变电所地线以形成融冰回路［19-20］。同样的，融冰电流应该足够大以实现融冰，同时也应该调整线路参数来约束融冰电流，避免电流过大损毁线路与设备［19-20］。

图4 接触网交流融冰回路

1.2.2 直流融冰

接触网直流融冰技术原理图如图5 所示［2，8］，直流融冰技术在交流融冰上需要额外整流。使用牵引变电所的牵引变压器提供融冰电力，使用配套的整流装置将电铁接触网与融冰线路连接。整流装置可以采用基于绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的设备等进行配置。

图5 接触网直流融冰技术原理

1.2.3 在线融冰

西南交通大学提出了一种应用于交流铁路接触网的融冰方式。其特点为不需要线路停运，可以实现在线融冰［21］。接触网在线融冰原理如图6 所示［21］，在接触网的两端安装静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVG），由终端控制器判断机车通过状态并控制首末端SVG 的无功调节行为，保证铁路网的功率因数，由此控制接触网中的无功融冰电流。

图6 接触网在线融冰系统原理

2 技术比较

2.1 输电线路融冰

长线路交流融冰的三种方法都存在一些不足：

1）常规交流融冰的融冰线路有线路短接操作，需要线路停运。

2）带负荷融冰需要调整线路潮流，负荷的参数选择也需要进行参数匹配，系统安全性不高。

3）可调电容式串联补偿式交流融冰技术需要电网提供非常大的容量，融冰前需要转供的负荷较多，对电网的运行方式影响较大。

4）融冰电流的功率需求不断扩大，但受限于线路额度与系统安全性，难以达到很高的融冰电流［13］。

5）在遇到类似2008 年的南方电网覆冰问题时，由于短路融冰排队线路多，难以完成全部的融冰任务［13］，同时大面积的融冰任务对融冰技术与相关设备的调度、调节能力要求高，现阶段的技术与设备难以满足。

相对的，直流融冰的优点有：适用范围较广，融冰时没有线路短接操作；不需要考虑线路的无功潮流；需要提供的容量小，只有交流融冰的1/6左右［2］。

但另一方面，交流融冰技术与现有交流电网兼容性强。直流融冰装置容易带来线路绝缘和老化问题［22］，因此需要开发新的实用新型交直流融冰技术。

开发新型交直流融冰技术，一方面应该加强融冰装置的可移动性和适配性，保证融冰装置和融冰技术既能满足大部分工程要求的融冰能力，又能实现必要的可调度、可控制性能；另一方面，融冰装置还应该加强其对输电线路、系统的稳定性，实现在线融冰的同时保证线路潮流的稳定。例如在直流融冰过程中，可以使用合适的整流电路结构，实现对线路潮流控制的同时提供无功支撑，稳定线路电压，提高融冰线路电网的安全稳定性［23］。

2.2 接触网融冰

接触网交流融冰装置需要直接与牵引变电所相连组成回路，因此大多受到牵引变电所地理区域限制，使用的地理范围受限，并且相关设备与系统的维护工作量大。

接触网的直流融冰不直接与牵引变电所地线相接，因此对牵引变电所的抗电磁干扰能力强，同时相对交流融冰方法机动性更强，应用的地理范围更大；装置容量比交流融冰方式小；可以使用整流设备进行融冰电流的控制，其对不同线路与融冰电源的适应性更高，融冰电流的调节能力与稳定性更好。

3 输电线路融冰装置的配置原则

对于新建输电线路，应遵循以“抗为主、融为辅”或“融、抗结合”的原则，可结合电压等级和线路类型考虑配置融冰装置。相关的配置原则可以参考标准Q/GDW 716—2012《国家电网公司输电线路电流融冰技术导则》［24-25］。在实际应用场景中，应该根据实际情况进行融冰装置的配置与选择。

某运维单位根据线路覆冰区域的冰层厚度，结合现场风速等气象因素和线路类型，使用了系统电源供电的可控硅直流整流融冰技术［23］。

3.1 特高压交流输电线路

对于新建特高压交流输电线路，遵循“抗（冰）为主、融（冰）为辅”，尽量满足100 年重现期设计冰厚要求，难以达到时，应配置融冰装置。对于已建特高压交流输电线路，按规定设计重现期核算的标准覆冰厚度超过设计冰厚时，应配置融冰装置［24］。特高压交流输电线路距离长，融冰所需容量大，应优先使用固定式直流融冰装置。

3.2 新建500 kV（750 kV、330 kV）交流输电线路

对于已建500 kV（750 kV、330 kV）交流输电线路，按规定设计重现期核算的标准覆冰厚度超过设计冰厚时，应配置融冰装置。500 kV（750 kV、330 kV）交流输电线路不宜采用交流融冰方法，应优先配置固定式的直流融冰装置。变电站需要无功补偿时，融冰装置可配置无功补偿功能，也可根据建设经济性，分别配置融冰装置和无功补偿装置。

3.3 220 kV和110（66）kV交流输电线路

对于新建220 kV交流输电线路，以“融、抗结合”为原则，可适当降低输电线路设计覆冰厚度，同时配置融冰装置。

对于已建220 kV 交流输电线路，按规定设计重现期核算的标准覆冰厚度超过设计冰厚时，应配置融冰装置［24-25］。220 kV 和110（66）kV 交流输电线路可采用中低压交流融冰方法、高压交流融冰方法或直流融冰方法，优先采用中低压交流融冰，其次采用直流融冰，最后采用高压交流融冰。

变电站有无功补偿需求时，可配置兼作无功补偿功能的融冰装置，也可根据建设经济性，分别配置融冰装置和无功补偿装置。进出变电站输电线路中有5 回及以上覆冰严重的输电线路或有重要输电线路且覆冰较为严重时，宜配置固定式融冰装置；其他情况可配置移动式直流融冰装置。

3.4 直流输电线路

对于新建直流输电线路，遵循“以抗为主、融为辅”原则，尽量满足规定的重现期设计冰厚要求，难以达到要求时，应设计利用本线路直流系统进行融冰。直流输电线路距离长、融冰所需容量大，不宜采用交流融冰方法。对于已建直流输电线路，按规定重现期核算的覆冰厚度超过设计覆冰厚度时，利用本线路直流系统融冰或配置独立的融冰装置。

4 输电线路直流融冰装置

4.1 输电线路融冰装置构成

输电线路直流融冰装置结构包括融冰电源、整流变压器等整流器件、电容调节器与滤波器等［15］。融冰电源一般直接使用线路附近的交流电力系统，使用整流相关装置产生直流融冰电流，同时配合相关的调节期间控制直流融冰电流的大小与稳定性，经过滤波装置改善直流融冰电流的波形，消除谐波［15］。

4.2 装置分类

直流融冰装置根据机动性分为固定式和移动式两种［26］，固定式建于变电站内，主要用于500（330）kV及以上电压等级线路和长距离线路的直流融冰，如图7所示。

图7 500 kV固定式直流融冰装置（最大融冰长度230 km）

移动式可根据需要灵活移动部署，主要应用于不超过220 kV 线路，因此也更多地应用于配网线路［26］，如图8所示。

图8 220 kV移动式直流融冰装置（最大融冰长度150 km）

农配网直流融冰装置采用移动式和便携式。移动式解决5 km 及以下长度农配网线路的融冰问题，如图9 所示。便携式采用汽油发电机供电，配备大电流快速接线夹，如图10所示。

图9 农配网移动式直流融冰装置（最大融冰长度5 km）

图10 农配网便携式直流融冰装置

移动式装置在使用中有部分缺点，一方面移动式装置难以应用于结构复杂的情况，且在使用的时候需要进行设备安装，工作量大，时间长；另一方面移动式装置一般都是现场作业，在环境差时，人工作业的风险非常大［26］。

4.3 HZR-Y12型直流融冰装置应用实例

目前国网山东省电力公司部署了一套移动式直流融冰装置，型号为HZR-Y12，可满足220 kV 及以下输电线路融冰工作需要，如图11所示。

图11 HZR-Y12型移动式直流融冰装置

4.3.1 装置主要参数

HZR-Y12 型直流融冰装置的额定容量为14.2 MW；额定输入交流电压为35 kV；额定输出直流电压为10 000/5 000 V（两桥串联/两桥并联）；额定输出直流电流为2 000 A；冷却方式采用强迫风冷，融冰线路长度为4.1～119 km。针对HZR-Y12 型直流融冰装置，列举不同型号和长度的输电线路融冰距离如表1所示。

表1 HZR-Y12型直流融冰装置融冰距离 单位：km

4.3.2 融冰的启动与终止条件

融冰过程需要消耗线路能量，并且会带来线路发热等问题，通常在线路覆冰厚度达到一定要求时才会启动融冰装置，HZR-Y12 型直流融冰装置的输电线路导线覆冰厚度启动条件如表2所示。

表2 HZR-Y12设备启动的覆冰厚度规定值 单位：mm

当输电线路导线覆冰达到表2 的厚度，且气象预报后续一段时间内覆冰会继续增长，应开展融冰工作。当多回输电线路需要同时融冰时，应根据输电线路重要程度等级决定融冰实施顺序。融冰启动前，应校核融冰电源容量和融冰回路是否满足融冰需求。

当出现下列情况之一，应终止融冰：融冰过程中输电线路覆冰已脱落；导线某处升温异常；融冰回路中某个或多个设备温度超过允许范围；融冰装置发生过热、燃烧、放电等异常现象或出现报警。

4.3.3 装置的实际应用

2021-02-28T23：57：00至2021-03-01T06：10：00，雨雪冰冻灾害天气导致山东某地区4 条220 kV 线路跳闸10 次，均为覆冰舞动。3 月1 日，运维单位在某220 kV 变电站试用该套装置，用于某220 kV覆冰线路的融冰作业，该直流融冰装置场地布置如图12所示。

图12 HZR-Y12型直流融冰装置场地布置

5 输电线路交流融冰装置

5.1 输电线路融冰装置构成与分类

输电线路交流融冰也可用固定式融冰装置和移动式。国内的输电线路以交流形式为主，其覆盖面积广，线路长，使用交流融冰技术可以就地取材，因此对于主网和固定覆冰严重区域可以使用固定式的交流融冰装置。

固定式交流融冰方式融冰容量大，效果显著，国网湖南省电力有限公司开发的农村配电网交流融冰配电变压器自动分合闸装置线路如图13 所示［27］。其通过各开关的动作完成整个装置的工作状态转换，并在工作时提供足够的融冰电流。通常固定式的装置往往受到环境限制，并且需要周边电力的长期供应。

图13 用于农村配电网交流融冰的配电变压器自动分合闸装置

移动式的交流融冰装置则更为方便快捷，经济效益高。移动式交流融冰装置主要由装置收纳柜、可调电抗器、细丝软铜线及线圈、电力保护装置、组装器件与运载车组成［28］。移动式交流融冰装置特点为：

1）装置使用机动性强，操作简单，融冰电流可以根据可调电抗器进行调节，必要地可以配合变压器等，其适用性更强。

2）使用时需要现场接线，曹琪等［28］采取插接式快速组装线路支架，配合相关的组装器件可以简化融冰装置的组装，操作方便。

3）装置的制作成本低，除冰效率高，除冰用时短，覆冰线路能快速重新运行，经济效益高。

某66 kV 的交流融冰装置如图14 所示［28］。该装置使用66 kV变电站提供融冰电源，根据线路相关参数改变可调电抗器与保护装置配置，从而提供需要的融冰电流实现融冰。

图14 66 kV交流融冰装置

5.2 某地区部署的交流融冰

5.2.1 装置主要结构和配置

某运维单位使用的交流融冰装置实物图如图15所示［29］。使用东风牌8X4 大运N8 重卡轮式卡车为载具，操作时，继电保护等保护装置和可调电抗器固定在载具上，使用满足安全需求的电缆和配套的支架等连接器件进行融冰电路的组装［29］。

图15 某融冰装置实物

5.2.2 装置的实际应用

图15 所示装置在覆冰季节某220 kV 变电站的某66 kV 线路进行了试验［29］，根据计算得到的融冰电流实现了现场模拟融冰。结果表明其对该地区单电源的输电线路融冰距离大于40 km［29］，融冰温度大约维持在22 ℃，符合实际需要。

6 电铁接触网交直流融冰装置

电铁接触网交直流融冰装置在国内外展开了广泛研究，其特点和输电线路交直流融冰装置十分相似。其中，国网山东省电力公司所部署的移动式直流融冰装置与电铁接触网直流融冰装置的原理是完全一致的，区别在于输入电源的不同，一个取自变电站内的35 kV 或者10 kV 交流电源，一个取自牵引变电所的27.5 kV交流电源。

6.1 交流电铁接触网融冰装置结构与配置

北京交通大学［30］提出了电铁接触网的交直融冰技术，原理如图16 所示。该融冰装置安装在融冰线路的中间位置车（包括降压变电所）和首末站（牵引变电所），融冰电源使用三相交流电网［30］。融冰装置的输出端接在电铁接触网上行、下行线路的中点处形成融冰通路。该交流融冰装置可以避免接触网干扰，同时不影响接触网的正常使用，并且能够起到覆冰预防作用［30］。

图16 交流电铁网融冰装置

6.2 直流电铁接触网融冰装置结构与配置

直流电铁接触网融冰技术机动性更强。为了适应不同的融冰环境，其融冰电流的输出能力应该具有容量大、精度高和可调节性强等特点；同时应该配置更完善的保护系统，预防电压电流失稳、温度过高等现象；具有完善的监测、通信与控制功能，可以远程操作并预警［2］。

北京交通大学所研究直流融冰技术［31］的原理如图17 所示。设备在铁网线路的安装位置与交流设备相同。

图17 直流电铁网融冰装置

直流融冰设备的交流融冰电源也可以使用附近的三相交流电网，输出的正、负极端口分别接在融冰线路的上、下行接触网的中点处，形成融冰回路［31］。该融冰装置能避免接触网干扰，同时不影响接触网的正常使用［31］。

7 结语

覆冰问题对电铁网线路和输电线路危害巨大，交直流融冰技术在解决覆冰问题的工程应用和理论研究中发挥着重要作用，并已有一定发展，技术相对成熟。

对交直流融冰技术在电铁网线路和输电线路的融冰应用进行了全面的综述，结合电路和相关理论分析了不同技术的优势与不足。但对各技术的不足之处只提供了理论的改进建议与措施，并没有结合实际应用场景提出问题的解决方案。

结合交直流技术的实地应用，对交直流融冰设备的配置与运营进行了分析，虽然各交直流融冰设备能够解决对应的实际问题，但各融冰设备在不同自然环境、不同应用场景的适用性、机动性等问题仍需解决。在之后的研究中，可以通过使用不同的融冰电路，提高交直流融冰设备的融冰性能与运营稳定性；此外，还应该注重提高融冰设备在不同覆冰条件、不同自然环境下的适用性和机动性，进一步扩大融冰设备的实际应用价值。