500 kV變電站的直流融冰技術研究

王朗珠，楊紹遠，鄭連清

(1.重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053;2.南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006;3.重慶大學 電氣工程學院，重慶 400044)

0 引言

我國是世界上輸電線路覆冰最為嚴重的國家之一。嚴重覆冰會導致輸電線路機械和電氣性能急劇下降，從而導致嚴重的斷線、桿塔倒塌、大面積停電、限電等事故，給國民生產帶來了嚴重的影響。2008年初，北方冷氣流和南方暖氣流在中國南部地區(qū)交鋒，致使湖南、湖北、貴州、云南、廣東、廣西等12個省 (區(qū))連續(xù)20多天維持－5～0℃的低溫雨雪天氣[1]。冰災災害天氣使輸電線路覆冰嚴重，覆冰的平均厚度達30 mm以上，最大厚度超過100 mm，遠遠超過了架空線路設計的10 mm的覆冰厚度[2]。

為消除輸電線路覆冰給電力系統帶來的巨大危害，國內外專家對輸電線路融冰進行了大量的研究?；陔娏﹄娮诱骷夹g的直流融冰方案，具有非常廣泛的應用空間，該方法將覆冰線路作為負載，施加直流電源，用較低電壓提供短路電流加熱導線使覆冰融化。因為直流融冰沒有線路感抗的影響，因而更適合于電壓等級高、跨距長的架空線路融冰。

本文在結合國內外直流融冰的基礎上，針對某500 kV變電站的實際情況，闡述了直流融冰技術，研究了直流融冰方案設計原則、思路，并以某500 kV變電站的500 kV輸電線路為例，介紹了直流融冰方案的設計過程。

1 直流融冰技術

1.1 直流融冰原理

直流融冰就是通過直流融冰裝置將從系統獲得的交流電能轉化為直流電能，將直流電能輸入到待融冰線路導線中，在直流電流的作用下令導線發(fā)熱、覆冰融化[3]。

1.2 直流融冰裝置

直流融冰技術研究的關鍵在于融冰成套裝置的研制開發(fā)。目前我國研制的直流融冰裝置主要采用可控整流方式。直流融冰裝置按其結構分類，可分為帶整流變式和不帶整流變式的直流融冰裝置[4]。

帶整流變直流融冰裝置是一般是從變壓器35 kV側取電源電壓，采用整流變壓器帶12脈動融冰整流裝置。此類直流融冰裝置容量可以做得較大，輸出電流相應也很大，可以滿足500 kV線路及大截面導線的融冰要求。它能針對不同類型和長度的線路，提供需要的融冰電流和電壓，利于整流器工作點的選擇，適應性較好;并且整流變壓器提供交流/直流的隔離，滿足故障情況下限制可控硅閥短路電流的要求。

不帶整流變直流融冰裝置一般是從變壓器10 kV側取電源，不需經過整流變，通過6脈動整流接線為220 kV或110 kV交流線路提供直流融冰電源。此類直流融冰裝置的容量相對小，體積也小，一般不超過25 MVA。在需要時可以在變電站之間移動，實現了融冰的靈活性，可完成架空線路中任意段的融冰。

1.3 直流融冰方式

直流融冰時，把線路三相導線分別接入三根直流融冰母線上，由裝置自動切換實現不同相導線的融冰工作。可采用如下兩種融冰工作方式進行:

(1)融冰方式1。分3次完成A，B，C三相導線融冰，參見圖1，即 L-1融冰方式。在對站將A，B，C三相導線短接，通過三相線路的自動切換裝置，分3次完成A，B，C三相導線融冰，融冰回路電阻為2R(R為單相直流電阻)，融冰時間T/2。

圖1 L-1接線方式示意圖Fig．1 Schematic diagram of L-1 connection mode

(2)融冰方式2。分3次完成三相導線融冰，參見圖2，即 L-2融冰方式。在對站將 A，B，C三相導線短接。將兩相導線并接后接入直流融冰電源的一個輸出端，再將剩余相接入直流融冰電源的另一個輸出端，通過三相線路的自動切換裝置，分3次完成三相導線融冰，因為有兩相并聯后再與一相串聯，融冰回路電阻僅為1.5R，融冰時間3/2T。

2種方式相比各有利弊，第1種方式相比第2種融冰方式，融冰時所需電源容量可以升高25%，但時間降低25%。

圖2 L-2接線方式示意圖Fig．2 Schematic diagram of L-2 connection mode

2 500 kV變電站直流融冰技術方案

2.1 直流融冰方案設計原則

(1)優(yōu)先選擇能有效融冰，且對系統安全運行影響小，投資節(jié)省、操作簡便的融冰方案。

(2)在系統融冰容量足夠且電壓滿足條件的情況下，與直流融冰裝置相連的線路，直流融冰是可行的。

2.2 直流融冰方案設計思路

在充分調研國內外融冰技術的基礎上，根據500 kV變電站直流融冰技術要求，為多條線路設計了直流融冰方案，并在此基礎上，總結出如圖3所示的直流融冰方案制定流程[5]。

圖3 直流融冰方案制定流程圖Fig．3 Flowchart of project establishment of DC de-ice

2.3 直流融冰裝置關鍵參數計算

直流融冰最小電流、保線電流、導線最大允許電流等是決定直流融冰裝置的關鍵參數。

(1)輸電線路覆冰熱平衡模型。輸電線路不覆冰的臨界負荷電流[6]:

式中:ic為臨界負荷電流;R為導線半徑;v為風速;Ta為環(huán)境溫度;w為空氣中液態(tài)水含量;ca為水滴在導線上的碰撞系數。對于一定的氣象條件，Ta，v和w為已知。

由式 (1)可見，影響輸電線路不覆冰的臨界負荷電流的因素很多，其大小隨著環(huán)境的變化而變化，特別是隨著風速的增加而增大。

(2) 融冰電流及時間。導線融冰電流[7，8]是指在某一特定的氣象條件 (溫度、濕度、風速、降雨量、降雨類型等)下能夠融化導線上覆冰的電流。融冰電流是使導線發(fā)熱，產生的熱量分成4個作用部分:a.使冰層的溫度上升至融點;b.使冰層融化;c.損失在從導線表面到冰層表面的傳遞途中;d.通過冰層表面散失。布格道爾經驗公式如式 (2):

式中:Ir為融冰電流，A;R0為0℃ 時的導線電阻，Ω/m;Tr為融冰時間，h;Δt為導體溫度與外界氣溫之差，℃;g0為冰的比重，一般取0.9;b為冰層厚度，即覆冰每邊冰厚，cm;D為導體覆冰后的外徑，cm;RT0為等效冰層傳導熱阻，℃·cm/W，RT0=(lnD/d)/273λ;V為風速，m/s;d為導線直徑，cm;λ 為導熱系數，W/cm·℃，雨淞:λ =2.27 ×10－2，霧淞:λ=0.12×10－2;RT為對流及輻射等效熱阻，℃·cm/W。

某500 kV變電站的500 kV出線共6回，分別從變電站A至B地、C地和D地各兩回。根據上述經驗公式，按環(huán)境溫度－5℃，風速5 m/s，最小融冰電流是按覆冰厚度10 mm，融冰時間1 h計算其最小融冰電流見表1。

表1 某變電站500 kV交流線路的最小融冰電流Tab．1 The minimum ice-melting current of 500 kV AC line in a Substation Units A

(3) 保線電流。保線電流[7，8]是指保持導線溫度在冰點以上使導線不覆冰所需要的最小電流。保線電流經過導線產生的熱量通過對流、輻射散熱消耗。從而達到熱量平衡，其經驗公式如式 (3):

式中:Ip為保線電流，A;R0為氣溫在0℃ 時單位長度導線的電阻，Ω/m;T1為導線溫度(保證導線不結冰的溫度，一般取T1=2℃;T2為結冰時外界溫度，一般取T2=－3℃ 或T2=－5℃;f為輻射系數。

按環(huán)境溫度 －5℃，風速5 m/s，最小融冰電流是按覆冰厚度10 mm，融冰時間1 h計算其保線電流見表2。

表2 變電站500 kV交流線路的保線電流Tab．2 The line-protect current of 500 kV AC line in a Substation A

(4)導線最大允許電流。導線最大允許電流[7，8]是指在融冰的短時間內 (最長幾 h) 允許導線達到最高溫度 (90℃)所通過的電流。其經驗公式如式 (4)。

a.當風速 ＞2 m/s時:

b.當風速≤2 m/s時:

式中:R90為導線溫度在90℃ 時的電阻，Ω;Imax為導線最大允許電流，A;T為外界溫度，℃。

按環(huán)境溫度 －5℃，風速5 m/s，最小融冰電流是按覆冰厚度10 mm，融冰時間1 h計算其最大允許電流見表3。

表3 變電站500 kV交流線路的最大允許電流Tab．3 The maximum allowable current of 500 kV AC line in a Substation A

2.4 直流融冰裝置所需容量計算

(1)A—BⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

b.融冰方式2:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

(2)A—CⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

b.融冰方式2:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

(3)A—DⅠ，Ⅱ回

a.融冰方式1:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

b.融冰方式2:

直流融冰裝置所需無功容量約為有功容量的60%，所需容量約為

綜上所述，根據以上分析、計算，并考慮一定的裕度，可得出滿足500 kV及以下輸電線路融冰要求的直流融冰裝置的容量、融冰電壓和融冰電流分別為225 MW/25 kV/4.5 kA。

2.5 直流融冰裝置的SVC模式

直流融冰裝置一般只有在天氣惡劣的寒冬、導線浮冰較為嚴重時才運行于直流融冰模式，其他時間均工作在SVC模式。在35 kV電壓等級接入，則根據有關公式計算:

整流電壓:VDC=1.35×35=47 kV

直流工作電壓:25 kV

功率因素:cosφ=25/47=0.532

融冰有功功率:P=25×4.5=112.5 MW

整流時產生無功功率:Q=P×tanφ=179.06 MVA

經過180 MVA的無功補償之后，實際無功功率為Q'=179.06－180=－0.94 MVA，因此經過補償之后的功率因數為

從上式可見，直流融冰裝置的SVC模式，大大提高了系統的功率因數。

3 結論

輸電線路覆冰一直是電力系統亟待解決的難點問題。采用直流融冰法進行融冰，具有不受線路感抗的影響，更適合于電壓等級高、跨距長的架空線路等優(yōu)點。針對某500 kV變電站實際融冰要求，重點介紹了直流融冰技術原理以及直流融冰方案設計思路和流程，對直流融冰裝置的參數和SVC模式下的功率因數進行分析和計算。近年，極端天氣頻發(fā)，這種整流變式的直流融冰裝置已經在500 kV桂林變電站投入使用，其融冰效果良好。

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