±800 k V特高压锦苏直流输电线路融冰技术

施红军，山水鸿

（上海送变电工程公司，上海 200235）

0 引言

锦屏—苏南±800 k V特高压直流输电工程，是华东电网“十一五”西电东送的主要通道，双极额定功率为7.2 GW。线路长2 095 km，跨越区域大、路径复杂、地形地貌多变，一旦在重冰区线路敷冰严重（参见图1），将对特高压直流输电线路安全运行造成威胁。

图1 冰雪覆盖的铁塔和线路

若采用常规停电除冰方式，如机械除冰法、自然除冰法等，一方面线路全停对系统冲击较大，另一方面冰灾大多发生于冬季，正是电力需求旺盛时期，停电除冰势必用时较长，给社会生活带来不便。若采用外加直流电源对覆冰线路进行融冰，由于覆冰段线路大多发生在山区等气候变化较大的区域，外加电源运输难度较大，而且可实施性与操作性较差。为此，一种方便可靠、操作性强的特高压换流站直流线路融冰技术提上议事日程。

1 特高压直流输电融冰方案比较

1.1 正常运行方式融冰

特高压直流输电线路的融冰，可采用双极平衡大电流运行或者单极金属回线大电流运行方案进行。直流输电正常运行方式融冰示意图，如图2所示。

采用直流输电正常运行方式融冰的优点是系统主接线不需要做任何改动；控制保护的软件不需要改动；调度和运行人员对整个操作过程非常熟悉。缺点是冬季结冰时送端常处于枯水时段，较小的输送功率有可能使线路电流起不到融冰效果。

图2 直流输电正常运行方式融冰示意

1.2 更改主接线后的融冰方案

特高压换流站直流侧融冰接线方式，采用通过开合相关隔离开关和设置融冰回路的方法将换流站两个低端阀厅退出运行，将两个高端阀厅并联运行。将构成双极的两组换流器通过相应的刀闸、引线改造成相并联的换流系统（参见图3）。其特点是在输送相同功率时，可以提高直流线路融冰电流1倍，但要更改主接线，增加绝缘支柱、管母等辅助设备。由于额外增加的设备投资不大，而且技术上可行，所以作为本工程融冰方案。

图3 融冰运行方式系统示意

2 特高压相并联直流输电融冰原理

2.1 临界电流I c

直流融冰技术的原理就是将覆冰线路作为负载，施加直流电加热导线使覆冰融化。使用大电流融冰时，为确保不使导线过热损坏线路，需要对融冰电流的大小和融冰时间进行计算。导线不覆冰时流过的最小电流称为防止导线覆冰的临界电流Ic，计算式［1］为：

式中：D为导线直径；ρ为导线电阻率；ts为导线表面温度；h为对流换热系数；σ为Stefan-Boltcomann常数；ε为导线黑度，新导线取值为0.23～0.43，旧导线取值为0.9；E为导线对空气中过冷却水滴的捕获系数；V为湿空气或过冷却水滴的移动均匀速度；W 为湿空气或过冷却水滴的含湿量；t为湿空气或过冷却水滴的温度；Cw为水的比定压热容；WE为导线表面蒸发的液体份额；Lv为水的汽化潜热。

式（1）表明，IC与气温、对流换热系数、风速、含湿量以及导线本身的特性（直径、电阻率、黑度）有关。通过合理选择这些参数就可确定临界电流。

2.2 融冰时间T

融冰所需时间的计算式［2］为：

式中：Ci为冰的比热；Ta为气温；ρi为冰的密度；R0为覆冰后导线平均半径；Ri为不覆冰时导线半径；I为融冰电流；Re为单位长导线在0℃时的电阻。

2.3 直流融冰的主要因素

1）直流融冰的热平衡包含两个过程：一是导线—冰交界面的热平衡；二是冰—空气交界面的热平衡。达到稳定状态后，导线产生的焦耳热与融冰吸收的热及冰表面因辐射散热和对流传热损失的热相等。

2）当环境温度低于0℃时，存在临界融冰电流，当电流小于临界电流时，不会发生融冰现象。

3）环境温度对临界融冰电流和融冰时间有显著影响。环境温度越低，临界融冰电流越大；融冰电流相同时，融冰需要的时间越长。

4）风速对临界融冰电流和融冰时间也有明显的影响。风速越大，临界融冰电流越大；融冰电流相同时，融冰所需要的时间也越长。

3 锦苏工程直流输电融冰接线方案

3.1 融冰回路断口设置

需要在直流场接线中提前预留融冰的各个断口，断口位置如图4所示。

当系统处于NOM运行模式时，所有的NOM断口导线被安装上，所有DOM断口导线被拆除；当系统处于DOM运行模式时，所有的DOM断口导线被安装上，所有NOM断口导线被拆除。合计工期1天。

图4 融冰回路断口设置示意图

3.2 特高压换流站正常运行方式

换流站采用双极运行方式，每极的2个12脉动阀组采用串联运行方式；极线隔离开关Q11闭合，旁路回路中Q12、Q13、Q14、Q15开关闭合；中性线回路中Q3和Q18闭合；旁路回路中旁路断路器Q1、Q2和旁路开关Q16、Q17断开，如图5所示。

图5 双极运行接线示意

3.3 特高压换流站融冰运行方案

在特高压输电线路需要融冰时，可以通过调整直流场中隔离开关的开或合状态，将两极的低端阀厅退出运行，将两极的高端阀厅并联运行；要达到上述运行方式需调整如下隔离开关开合状态：将极1和极2低端阀组的旁路断路器Q2闭合，将低端旁路开关Q17闭合，Q15打开，将双极的低端阀厅闭锁；将Q18、Q19、Q21和Q23打开，Q20、Q22及金属回线Q24闭合。此时两个高端阀组通过闭合的Q11、Q12、Q17、Q3等开关降压为400 k V并联运行，整个直流系统采用400 k V双极高端阀组并联金属回路运行，线路上的电流为双极原来额定电流的2倍达9 k A。

特高压输电线融冰时，直流系统电流的流向如图6所示。

图6 融冰回路电流流向示意

当覆冰直流线路的融冰要求满足时，通过反向操作上述开关的操作顺序，可将直流系统恢复为正常双极运行方式。

对送端换流站，采用上述同样的操作顺序，可实现直流系统由正常运行状态转为融冰运行状态以及反向转换的工作流程。在直流控制保护系统中增加融冰运行方式的控制功 能即可实现对上述的控制操作［3］。

4 结语

特高压换流站直流侧融冰接线方式是通过设置专用融冰回路及在需要融冰时调整相关隔离开关的开合状态等，将换流站2个低端阀厅退出运行，将2个高端阀厅并联运行，使直流线路的电压降至400 k V运行，通过的电流增加为原来的2倍，使导体发热，阻止导线敷冰。要为各个断口提前准备好便于连接的软导线，采用软铜线或载流量较大的铝绞线，尽量减轻导线重量和根数。在融冰回路运行前，要将不需连接的断口导线拆开，连接上需要连通的断口，形成融冰接线。

本融冰方案在锦苏工程中应用的优点是投资少、操作简便（8个点的拆装需2个工作小组5 h完成）、安全可靠、融冰过程中仍可输送一半额定功率，不会对系统造成冲击；缺点是整个拆装过程需要停电，影响负荷的输送。

［1］ 吴端华.输电线路直流融冰的临界电流和融冰时间分析［J］.电力系统及其自动化学报，2010（5）：90-95.

［2］ 姚致清.直流融冰技术的研究及应用［J］.电力系统保护与控制，2010（21）：66-71.

［3］ 李学鹏.直流侧融冰研究［Z］.西北设计院，2011.