直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)分析

朱旭東，陳 鶴，辛業(yè)春

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000;2. 東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

2008年1月，一場(chǎng)“百年難遇”的冰雪自然災(zāi)害悄然而來(lái)，罕見(jiàn)的冰凍給南方電網(wǎng)中的各類輸電線路、各種電氣設(shè)備都造成了十分嚴(yán)重的損失。輸電線路覆冰嚴(yán)重，難以提供正常電力供應(yīng)。這極大地影響了人們的日常的工作、學(xué)習(xí)和生活。

以云南地區(qū)為例，冰雪災(zāi)害造成云南省電壓等級(jí)在10～500 kV的線路累積停運(yùn)1091條，變電站累積停運(yùn)76座。110 kV及以上輸電線路倒塔(桿)120基，桿塔塔頭垮塌、損壞113基，導(dǎo)、地線斷線137條。這導(dǎo)致了205個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)面臨停電，影響電量累計(jì)可達(dá)1.88億kW·h，造成2156戶工業(yè)停工，85.4萬(wàn)戶居民家庭停電，累計(jì)涉及人口可達(dá)429.5萬(wàn)人，造成了極大的損失。因此，解決寒潮天氣狀況下的冰凍問(wèn)題十分重要[1]。

為了避免冰雪災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響，各種各樣的融冰技術(shù)、形形色色的融冰裝置也受到人們的廣泛關(guān)注。常見(jiàn)的融冰方式主要有：交流短路融冰法、直流融冰法、電磁脈沖融冰法、高頻電壓激勵(lì)融冰法及機(jī)械除冰法等。這些方法有一個(gè)相似的特點(diǎn)就是：通過(guò)使輸電線路中電流的急劇增加或其他機(jī)械方法，使導(dǎo)線本身產(chǎn)生大量的焦耳熱，促使周?chē)谋鶎尤诨撀?，達(dá)到除冰的目的。生活中常見(jiàn)的除冰方法或多或少包含著缺點(diǎn)。對(duì)于交流短路融冰法，在電壓等級(jí)為500 kV及以上等級(jí)時(shí)，需要的無(wú)功很多，難以找到滿足要求的電源，融冰時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)。對(duì)于高頻電壓激勵(lì)融冰法，高頻高壓的條件會(huì)導(dǎo)致通信受到干擾，設(shè)備成本高昂，除冰距離有限。對(duì)于機(jī)械除冰法，必須要將需除冰的部分停電處理，以保證人員安全；其次，機(jī)械除冰耗時(shí)費(fèi)力，也不允許電氣設(shè)備的機(jī)械損壞的狀況發(fā)生。對(duì)于直流融冰，必須要求融冰線路與電網(wǎng)斷開(kāi)，融冰結(jié)束后，該裝置作為就地?zé)o功補(bǔ)償裝置，使用頻率低，占地面積大，但直流融冰產(chǎn)生熱量均勻，融冰效果好。

該文主要論述如何將直流融冰與無(wú)功補(bǔ)償二者協(xié)同運(yùn)行，一方面使該裝置的融冰操作有效進(jìn)行；另一方面使裝置在融冰結(jié)束后，仍可并入電網(wǎng)，為電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)提供無(wú)功，以達(dá)到電壓實(shí)時(shí)平衡的目的。

1 直流融冰的原理及特點(diǎn)

1.1 直流融冰的原理

直流融冰主要是指交流電壓通過(guò)換流站轉(zhuǎn)化為直流電壓，連接在待融冰線路兩端，由于短路作用，電流數(shù)值急劇增加至正常工作電流以上，導(dǎo)線溫度也隨之上升，從而使附著在導(dǎo)線上的冰層融化脫落，最終達(dá)到去除的目的。

通常情況下，將裝置中包含整流變壓器的融冰裝置稱為固定式融冰；反之，不含有整流變壓器的融冰裝置稱為移動(dòng)式融冰[2-4]。在融冰的過(guò)程中，線路的連接也有兩種方式：一種是1-1方式接線，是指在融冰的過(guò)程中，在三相(A相、B相、C相)導(dǎo)線中任取其中兩相直接接在直流電壓的兩端，構(gòu)成短路回路進(jìn)行融冰，如圖1所示；另一種是1-2方式接線，是指在融冰過(guò)程中，將三相導(dǎo)線中的其中兩相并聯(lián)后接到直流裝置的其中一極，將導(dǎo)線中剩余的一相接到另外一極，形成融冰回路，如圖2所示。

圖1 1-1方式接線示意圖

圖2 1-2方式接線示意圖

1.2 直流融冰的特點(diǎn)

1)在需要融冰的線路上，不用考慮電感的損耗，故不需要無(wú)功功率來(lái)使效率提高、電壓穩(wěn)定，因此系統(tǒng)容量不用很大。

2)線路上通入直流電流，穩(wěn)定性不會(huì)隨長(zhǎng)度的變化而有明顯的影響；同時(shí)，導(dǎo)線中電流密度分布均衡，產(chǎn)生的焦耳熱的大小也比較均勻。

3)直流融冰的倒閘操作相對(duì)于交流融冰而言更加簡(jiǎn)單，但是往往需要特定的換流裝置來(lái)進(jìn)行操作。

4)移動(dòng)式融冰需要將裝置運(yùn)到融冰現(xiàn)場(chǎng)來(lái)操作，需要進(jìn)行臨時(shí)接線，耗費(fèi)時(shí)間。

2 SVC裝置的原理及分類

2.1 SVC裝置的原理

靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)通常包含一個(gè)電抗器和一個(gè)電容器，電抗器用來(lái)調(diào)節(jié)電感的大小，電容器用來(lái)濾出產(chǎn)生的高次諧波。此裝置往往能夠識(shí)別出電力系統(tǒng)中無(wú)功功率的實(shí)時(shí)波動(dòng)情況，從而迅速地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)中的無(wú)功功率滿足要求，電能質(zhì)量也有所提高。

在實(shí)際應(yīng)用中，SVC裝置對(duì)于解決不同類型的負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功功率的變化效果十分明顯。該裝置的應(yīng)用使系統(tǒng)的功率因數(shù)得到明顯的提升，電壓的波動(dòng)得到了抑制，電壓和電流的三相不平衡度也有所降低，是一種擁有高水平技術(shù)、明顯的經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能裝置。

2.2 SVC裝置的分類

2.2.1 晶閘管控制電抗器型(TCR型)

采用反向并聯(lián)兩支晶閘管，再與電抗器串聯(lián)，如圖3所示。通過(guò)改變觸發(fā)角的大小來(lái)對(duì)此裝置進(jìn)行改變，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，此操作改變了等值電納，因此裝置的無(wú)功輸出也發(fā)生了改變。該裝置響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑連續(xù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖3 TCR型無(wú)功補(bǔ)償裝置

2.2.2 晶閘管投切電容器型(TSC型)

利用反并聯(lián)晶閘管作為無(wú)功補(bǔ)償裝置，它利用晶閘管具有單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)，迅速并平穩(wěn)地對(duì)電容器進(jìn)行投切，如圖4所示。投切具體時(shí)間可以精準(zhǔn)把控，能立刻將電容器并入電網(wǎng)，大大降低了投切時(shí)的電壓沖擊，減少了諧波的產(chǎn)生。

圖4 TSC型無(wú)功補(bǔ)償裝置

2.2.3 帶濾波器的晶閘管控制電抗器型(TCR+FC型)

一種組合補(bǔ)償形式，通過(guò)控制裝置中反并聯(lián)的二極管的觸發(fā)角，來(lái)實(shí)現(xiàn)將TCR的補(bǔ)償范圍從感性擴(kuò)展到容性區(qū)域，既可以供給感性無(wú)功，又可以供給容性無(wú)功。這種組合是對(duì)TCR型裝置功能的完善。內(nèi)部的電容器起到濾波作用，減少了諧波的產(chǎn)生，是當(dāng)前SVC的一種較為常見(jiàn)的方式，如圖5所示。

圖5 TCR+FC型無(wú)功補(bǔ)償裝置

3 直流融冰兼SVC裝置

傳統(tǒng)的直流融冰方式中融冰裝置每年工作的時(shí)長(zhǎng)有限，其余時(shí)間內(nèi)，該裝置大多處于閑置狀態(tài)，可利用率很低。將直流融冰裝置與SVC裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在需要融冰時(shí)當(dāng)作融冰裝置；在融冰結(jié)束后，直接并入電網(wǎng)中，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的無(wú)功功率補(bǔ)償，提高了設(shè)備的利用率以及整體的經(jīng)濟(jì)性。常見(jiàn)的直流融冰兼SVC裝置類型有TCR型和可控整流器型兩種。

3.1 TCR型直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置

該裝置的原理是通過(guò)改變6個(gè)晶閘管的連接方式，從而使整個(gè)裝置可以在直流融冰和無(wú)功補(bǔ)償兩種狀態(tài)進(jìn)行切換。當(dāng)裝置處于融冰狀態(tài)時(shí)，ABC三相均連接了反并聯(lián)晶閘管的其中一端，另一端3個(gè)共陰極組相連作為融冰線路的正極，3個(gè)共陽(yáng)極組相連作為融冰線路負(fù)極。當(dāng)裝置處于無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，任意兩相之間加入反并聯(lián)的2支晶閘管。不同狀態(tài)時(shí)的電路原理圖如圖6、圖7所示[5]。

圖6 直流融冰狀態(tài)原理圖

圖7 無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)原理圖

3.2 可控整流器型直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置

該裝置的主要原理是通過(guò)改變末端開(kāi)關(guān)的關(guān)斷與閉合，將待融冰部分與電路相連和斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)融冰和無(wú)功補(bǔ)償?shù)那袚Q[6]，如圖8所示。其中S1、S2為隔離開(kāi)關(guān)，當(dāng)S1斷開(kāi)，S2閉合時(shí)，待融冰線路上通以直流電流，裝置運(yùn)行在直流融冰模式。當(dāng)S2斷開(kāi)，S1閉合時(shí)，整流裝置的直流側(cè)經(jīng)電抗器直接短接，由于電抗器的電感值極大，此時(shí)，整流裝置上消耗的無(wú)功功率遠(yuǎn)大于有功功率，該裝置等效為感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，并可通過(guò)改變整流裝置觸發(fā)角的大小實(shí)現(xiàn)消耗無(wú)功功率大小的調(diào)節(jié)。

圖8 可控整流器型直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置原理圖

3.3 二者優(yōu)缺點(diǎn)分析

TCR型直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是在工作的過(guò)程中，產(chǎn)生的諧波較小，無(wú)功補(bǔ)償及時(shí)，電能質(zhì)量好，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定；缺點(diǎn)是由于此種形式的裝置主要是通過(guò)改變晶閘管連接方式調(diào)節(jié)的，切換過(guò)程操作復(fù)雜，工作量較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

可控整流器型直流融冰兼無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程中，并未改變晶閘管的連接方式，僅靠更改外部開(kāi)關(guān)通斷，切換過(guò)程操作簡(jiǎn)單，增加了系統(tǒng)的可靠性；缺點(diǎn)是無(wú)功補(bǔ)償時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)比較明顯的諧波，補(bǔ)償速度也會(huì)相對(duì)較慢。

4 結(jié) 語(yǔ)

闡述了直流融冰以及無(wú)功補(bǔ)償裝置原理，并分析了兩種常見(jiàn)的直流融冰兼SVC裝置。通過(guò)原理分析以及優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，該裝置可以良好地解決寒潮時(shí)期的冰凍問(wèn)題，增加了裝置的利用率，提高了經(jīng)濟(jì)性，使該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得以顯現(xiàn)。但是，操作方便與諧波含量少二者之間仍難以兼顧。隨著直流融冰的普及與發(fā)展，可想辦法將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，優(yōu)化操作過(guò)程，或者選取穩(wěn)定性更高的半導(dǎo)體元件。這樣，直流融冰方法得到更好應(yīng)用。