农配网直流融冰装置及其应用

谭艳军，黄华峰，李波，方针，张红先

(1. 国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007;2. 国家电网公司输变电设备防冰减灾技术重点实验室，湖南 长沙410007)

农配网输电线路通常处于自然环境复杂的农村，例如高寒山区等。由于农村地域广阔，与城配网相比农配网输电线路长度更长，数量更多，抗冰设计强度相对较弱，更易遭受到冰冻灾害对输电线路的侵害〔1〕。

2008年初，湖南电网遭受了50 年未遇的冰灾。在这次冰冻灾害中，35 kV 及以下电压等级的农配网输电线路损失惨重，如35 kV 变电站438 座中，累计有192 座变电站发生了母线停运或全站停运，130条线路倒塔1 064 基，变形1 005 基，导线断线或受损1 369 处，地线断线或受损296 处，绝缘子掉串89处;10～35 kV 配网共损坏断路器101 台，变压器10台，刀闸62 组，电流互感器82 台，电压互感器45台，蓄电池13 组，龙门架15 个，避雷器11 支，电缆4 根。10 kV 线路累计倒断杆63 036 基，断线47 898 处15 304 km，损坏配变3 380台，低压线路倒断杆330 450 基，断线367 673 处39 575 km。

2009年2 月26 日至3 月4 日，地处高寒山区的小沙江地区连续遭遇持续低温雨水天气，北风0～3 m/s，气温一直维持在0～-4 ℃，覆冰达到30 mm以上，且结冰迅速。本次冰灾共造成35 kV线路倒杆5 基，10 kV 线路共倒杆219 基;断线共423 处;低压线路倒杆共2 545 基，损失配变共21台。导致3 个乡镇全部停电，共计60 个村，132个台区。

农配网输电线路在覆冰后主要依靠人工除冰的方法进行除冰作业。但人工除冰工作量巨大、且除冰效率低下、危险性高、需要组织投入大量的人力物力，难以满足安全快速进行融冰的要求。随着220 kV 输电线路直流融冰技术的研制成功和发展，农配网融冰方法的缺失突显出来。在农配网线路发生严重覆冰时，如何通过经济、实用的融冰方法实现农配网线路的融冰工作是亟待研究解决的问题。针对上述问题，迫切需要研究农配网融冰技术及装置，以适应目前农配网线路融冰需要，为克服农配网冰冻灾害提供一种有效的解决办法〔1〕。

1 农配网直流融冰装置组成及特点

通过对湖南省农配网线路统计分析得出，农配网线路结构复杂主要表现在长度跨度大、使用线型种类多。长度可分为3 个区间:即400 m 及以下的站外T 接支线、0～5 km 短线路、5～25 km 长线路。使用较多的线路型号为LGJ-95，LGJ-70，LGJ-120，分别占农配网线路总数的36%，26%，23%;共占农配网线路总数的85%。

根据农配网线路特性，研制开发了长线路、短线路和超短线路系列农配网直流融冰装置，分别解决5～25 km、0 ～5 km 和400 m 及以下农配网线路融冰难题。

1.1 农配网长线路直流融冰装置

农配网长线路直流融冰装置主要解决5～25 km农配网长线路的融冰难题，由于线路长，所需的融冰容量如果采用发电机组提供则发电机体积、耗油量均十分巨大，因此无法通过发电机等便捷途径获得合适的融冰电源。拟采用变电站内10 kV 融冰开关柜提供融冰电源，经过12 脉波整流变调整电压后，由12 脉波整流器整流获得直流融冰电源〔1-2〕(如图1，2)。

图1 农配网长线路直流融冰装置原理图

图2 农配网长线路直流融冰装置

该装置基于12 脉波不可控整流，发热量小，谐波低，无需滤波器。可以对农配网5 ～25 km (两边融冰可实现50 km 及以下线路的全覆盖)长线路进行融冰。在变电站内获取融冰电源，该装置采用直流融冰消除线路感抗的影响〔2〕。

为了可以对不同长度、不同型号的输电线路进行直流融冰，采用“可调档位整流变压器+12 脉波二极管整流器”的方案。通过整流变压器档位的选择与12 脉波二极管整流变压器中2 台6 脉波整流器的串并联组合，可以实现融冰直流电压的逐级可调，满足不同长度农配网线路融冰需要〔1〕。

1.2 农配网短线路直流融冰装置

农配网短线路直流融冰装置主要解决5 km 以下农配网短线路的融冰难题，针对该情况提出了3种解决方案。

方案1:由于线路长度相对较短，所需的融冰容量可以通过发电机组提供，同时容量较小可以采用调压器灵活的调节输出电压大小，满足不同长度农配网输电线路的融冰需求。因此该方案拟采用1台发电机提供融冰电源，经过调压器调压和不可控6 脉波整流器整流获得直流融冰电源 (如图3，4)。

图3 方案1 农配网短线路直流融冰装置原理图

图4 农配网短线路直流融冰装置

该装置首次提出“调压器调压+二极管整流”的农配网线路融冰方法，由柴油发电机组供电，体积小，移动方便，可对2.5 km 及以下(两边融冰可实现5 km 及以下线路全覆盖)线路进行融冰。由于短距离融冰装置便于移动，可以有效解决对山区或跨江农配网输电线路的融冰难题〔3〕;同时为了可以对不同长度、不同型号的输电线路进行直流融冰，采用“调压器+二极管整流器”的设计方案后，可以大大提高农配网短线路融冰装置的应用范围和运行可靠性。

方案2:采用1 台交流发电机提供融冰电源，经不可控6 脉波整流器整流获得直流，再对该直流电源进行斩波控制其直流输出大小，获取合适的融冰电源(如图5)。

图5 方案2 农配网短线路直流融冰装置原理图

该方案采用二极管不控整流后，利用IGBT 实现对直流输出电压的斩波，通过控制IGBT 调制脉冲的占空比，可以实现融冰装置输出直流电压的可调。

方案3:采用1 台输出可调交流发电机提供融冰电源，经不可控6 脉波整流器整流获得直流融冰电源(如图6)。

图6 方案3 农配网短线路直流融冰装置原理图

该方案利用新型输出可调发电机，控制交流输出电压经不可控6 脉波整流器整流后实现融冰装置输出直流电压的可调〔1〕。

1.3 农配网便携式超短线路直流融冰装置

农配网便携式超短线路直流融冰装置主要解决400 m 左右农配网超短线路融冰难题，由于线路长度很短，所需融冰容量微小，该装置可以设计为便携式一体机，可以由2 个人力搬运到指定位置进行10 kV 支线融冰作业。该装置直流电流输出有3 个端子(2 个正极端子和1 个负极端子，如图7，图8 所示)，通过电缆直接与待融冰架空线路相连接，其中2 个正极输出为并联关系，针对不同长度和线径可进行“两相并联和另一相串联”或“两相串联”的融冰操作。

为方便现场接线，设计了专用的三相快速接线线夹和三相快速短路线夹，采用该线夹后，接入融冰电源和对侧短接时，可直接挂接。减少了停电接线时间，免去了复杂的现场接线操作，改接线简便、快捷，提高了融冰工作效率，保证了接线过程中人身和设备的安全，避免了可能出现的人员触电风险。

该装置采用中频发电机(提高发电频率)，发电机的体积将下降，这是因为:发电机的频率提高以后，根据电磁学原理，单位时间内的线圈中的磁通量(磁感应强度B 与面积S 的乘积)的变化率将提高，磁通量的变化率越大，感应电势也越大(即电压越高)，发电机可提供的功率将增大。即在相同的功率下，线圈面积可减小，发电机的体积将下降。由此该装置具备体积小、重量轻的特点。

图7 便携式超短线路直流融冰装置原理

图8 便携式超短线路直流融冰装置

该装置内置发电、调压、整流等多个模块，通过有机集成组合为农配网便携式超短线路直流融冰装置。

2 农配网直流融冰装置试运行

以上3 类农配网直流融冰装置经过大量的试验验证其性能和功效后，在110 kV 小沙江变电站进行了试运行试验。

本次试运选择在该站的35 kV 小司线、10 kV小微线和10 kV 小丛线上进行。该变电站地处邵阳隆回小沙江镇，该地区为冰冻重灾区，包括小沙江镇、虎形山乡、麻塘山乡3 个乡镇，属少数民族居住地(瑶族)。年均雨雾天气约180 d 左右，冰雪天气约80 d 左右，空气湿度大，冰冻期长，冬季冷暖空气极易在此区域内形成准静止锋导致严重冰冻。现有配网线路在当初建设时主要考虑尽量减短线路长度，减少转角数量，从而减少造价，所以很多地方从一些山峰风口通过，跨越处数多、档距大，最大档距超过300 m，沿途冰冻严重，结冰又极不均匀，而且覆冰常远超出设计覆冰厚度几倍，造成杆塔负荷太重而破坏杆塔损毁线路。

2.1 农配网长线路直流融冰装置试运行

该装置选择在35 kV 小司线上进行融冰试运行。小司线线路长度为13.417 km，导线型号为LGJ-95，总电阻约3.89 Ω。试运时，线路直流融冰电流为430.7 A，直流输出电压为3 351 V。升流12 min 后，导线温度从4.8 ℃上升到17 ℃，通流后温度上升明显。

2.2 农配网短线路直流融冰装置试运行

该装置选择在10 kV 小微线上进行融冰试运行。小微线主干线线路长度为1.732 km，导线型号为LGJ-50，总电阻约0.969 8 Ω。试运时，线路直流融冰电流为229.4 A，直流输出电压为333.6 V。升流8 min 后，导线温度从4 ℃上升到13 ℃，通流后温度上升迅速，融冰效果明显〔4〕。

2.3 农配网便携式超短线路直流融冰装置试运行

该装置选择在10 kV 小丛线上进行融冰试运行。小丛线导线型号LGJ-120，从110 kV 小沙江变电站站外第2 基杆塔P2 开始，到杆塔P6 位置设置短路点，融冰线路共4 个档距，长度约208 m，总电阻约0.073 Ω。试运时，线路直流融冰电流约为320 A，直流输出电压约为32 V。20 min 后，导线温度由8.3 ℃升高至19.9 ℃，温升11.6 ℃，试验取得圆满成功。

3 农配网直流融冰装置融冰应用

第1 次现场融冰是2012 年1 月20 日，农配网直流融冰装置首次对10 kV 小龙线实施融冰。小龙线导线型号为LGJ-120，融冰线路长2.7 km。融冰电压351.5 V，融冰电流319 A，不到3 h，该线路的三相覆冰全部脱落。

第2 次现场融冰是2012 年1 月21 日，对110 kV小沙江变电站10 kV 小兰线实施直流融冰。导线型号为LGJ-95，融冰线路长度约2.5 km，经过170 min 顺利完成三相线路融冰。

图9 覆冰脱落瞬间

第3 次现场融冰是2012 年1 月22 日，对110 kV小沙江变电站10 kV 小微线进行融冰操作。融冰线路为LGJ-50 和LGJ-90 组成的混合架空输电线路，线路长度2.2 km。140 min 后成功完成小微线三相导线的直流融冰工作。

图10 覆冰脱落瞬间及覆冰厚度测量

4 结论

农配网线路的防冰工作长期以来主要采取人工除冰的方式，除冰工作效率低、人员劳动强度大，使得农配网线路抵御雨雪冰冻灾害的能力较弱，难以保证用户供电的可靠性〔1〕。本文介绍的农配网直流融冰装置的研制开发和应用，节省了农配网线路提高抗冰设计强度建设和改造的投资，并大大提高农配网线路应对冰雪灾害的处置能力，确保覆冰状况下农配网的安全运行，有效地防止农配网输电线路覆冰倒塔断线等事故，具有重要的意义和较高的工程应用价值。

〔1〕谭艳军，陆佳政，方针，等. 基于调压整流的配网线路直流融冰方法及其装置研究〔J〕. 电力系统保护与控制，2011，39 (10):126-129.

〔2〕陆佳政，谭艳军，李波，等. 特高压直流输电线路分段直流融冰方案〔J〕. 高电压技术，2013，39 (3):541-545.

〔3〕谭艳军，陆佳政，方针，等. 基于不可控整流移动式直流融冰装置的研究〔J〕. 华中电力，2011，24 (1):31-34.

〔4〕蒋兴良，王大兴，范松海，等. 直流融冰过程中覆冰导线表面最高温度试验研究〔J〕. 高电压技术，2009，11:2 796-2 800.