大容量直流融冰系统在500 kV康定变的应用

吴林平，田 杰，李长伟，吴 俊，李 敏

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211100)

目前，国内外输电线路的防冰、除冰大致有以下几类技术手段：通过调度改变潮流，自藕变压器加多分裂导线，交流短路融冰法，直流电流融冰法和阻性线融冰法等[1，2]，其中，直流融冰在融化线路覆冰方面效果显著，目前已有多套直流融冰系统在四川、湖南、云南、贵州等地区投入了实际运行[3-6]。已投运的系统有12脉动晶闸管带整流变结构、6脉动晶闸管带整流变结构、6脉动晶闸管不带整流变结构、6脉动二极管带整流变等多种结构形式，有纯融冰和融冰兼SVC2种系统，存在一相进一相出、一相进二相出两种运行方式[7-12]。直流融冰系统需要根据不同站的线路型号、长度等因素具体设计，确定具体的设备参数。四川500 kV康定变是一座枢纽变电站，站内有10条500 kV线路在冬季有融冰需求。2012年12月，一套大容量的直流融冰系统在康定变成功投运。文中结合500 kV康定变电站内的直流融冰系统的研制情况，对直流融冰设计开发过程中几个比较重要的方面作一论述，为今后类似工程的开发建设提供参考。

1 融冰方案

1.1 融冰容量

康定变交流线路参数见表1，其中最长的500 kV线路——康定－崇州（I，II回）型号为LGJ-630/45，长度约202.5 km，按环境温度为-5℃,风速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰时间为1 h计算，最小融冰电流达5000 A，最小融冰功率117.27 MW[1]。

取康定变融冰系统的额定直流电压为24.54 kV，直流融冰容量为122.7 MW，该参数满足所有出线的融冰需要。

1.2 主回路结构

从康定变电站35 kV母线引入电源，直流融冰系统接在35 kV母线上，经由1台三相三绕组整流变压器，2组6脉动整流阀组接在变压器的低压侧，待融冰交流线路通过S1～S4四把隔刀实现自动切换。主回路结构图如图1所示。

表1 康定变500 kV交流线路参数

融冰时，2组6脉动阀组在直流侧串联成12脉动阀组，阀组之间连接处接地，可以降低直流融冰系统的绝缘需求。12脉动阀组与三相三绕组整流变压器一起运行，通过一次设备的优化设计使换流阀组可以长期大角度运行，直流电压调节范围很广，满足康定变不同长度500 kV交流线路的融冰需求。

康定变直流融冰系统额定输出直流电流为5000 A，容量为122.7 MW，这是目前双6脉动阀组串联结构下，同等电流时输出容量最大的直流融冰系统。

1.3 谐波的考虑

融冰系统在运行时，主要产生5，7，11，13次谐波，康定变直流融冰采用12脉动整流方案，5，7次谐波分量很小。选取滤波器参数见表2，采用电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC进行谐波电压计算，结果见表3。电压谐波总畸变率（THDu）反应了电压波形畸变的程度。康定变加装了直流融冰系统之后，500 kV母线电压THDu≤2%，220 kV母线电压THDu≤2%，35 kV母线电压THDu≤12%，从表3可见，不论是否配置交流滤波器组，母线THDu都满足要求。

图1 康定变直流融冰系统结构

表2 滤波器LC参数

表3 滤波仿真结果

因此康定变采用如图1所示的不加装滤波器组的主回路结构，能够满足线路融冰的需要，也不影响原站内设备安全稳定运行。

2 主电路设计

2.1 整流变压器

一般变压器采用有载调压，由于变电站需要融冰的交流线路长度相差极大，变压器调压范围有限，因而通过变压器调压难以解决换流器大角度运行的问题，部分线路融冰时，融冰系统的运行触发角仍然较大，而且变压器设置分接头，将增加成本和后期维护工作量。PCS-9590直流融冰系统通过优化阀组设计，可以不需要变压器分接调节，通过触发的控制就能够满足站内所有出线的融冰需要。

康定变直流融冰所用整流变的参数。额定容量150 MV·A；接线方式 D/d0/y11；额定电压 35±2×2.5%/10.5/10.5 kV；短路阻抗21%；调压方式不调压。

2.2 避雷器配置与设备绝缘水平设计

根据系统过电压和设备绝缘配合的结果来配置避雷器。避雷器保护水平的确定需考虑2个因素，其一为正常情况下的最高持续运行电压，其二为故障情况下的过电压水平。正常运行情况下，直流融冰系统换流变阀侧、直流侧电压包含大量的谐波、纹波分量；同时，还需要考虑交流系统电压的波动。因此，这两处避雷器的参考电压需高于其最大电压，并采用合适的荷电率计算得到避雷器的参考电压。

过电压水平需考虑操作过电压和雷击过电压。使用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，结果表明：在短路故障情况下，系统的操作过电压并不严重。如直流融冰系统发生35 kV母线单相短路、融冰变阀侧单相接地故障、直流单极接地故障时，未出现操作过电压。然而，在融冰线路断线故障下，整流变压器网侧、阀侧，换流器直流侧出口上都产生较为严重的过电压，因此需要配置避雷器，以保护变压器、晶闸管等设备。

康定变避雷器配置如图2所示，避雷器参数见表4。康定变配置了3处避雷器：换流变网侧，配置相对地避雷器A，保护换流变网侧绕组；换流变阀侧，配置相对地避雷器AF，保护换流变阀侧绕组；直流出口侧，配置D避雷器，防止雷击过电压传入阀厅，保护阀厅设备和穿墙套管，同时，在故障情况下，降低晶闸管两端、变压器阀侧过电压。

考虑到设备绝缘老化、避雷器自身的老化、环境污染等诸多因素，在确定设备的绝缘水平时，对操作波考虑15%的绝缘裕度，对雷电波考虑20%的绝缘裕度，以保证受到过电压应力时设备的安全性。

图2 直流融冰系统避雷器配置

表4 避雷器参数 kV

3 控制保护系统

3.1 系统架构

康定变融冰控制保护系统由监控柜（PCP）、阀控柜（VC）和变压器保护柜等组成，其结构如图3所示。

图3 控制保护系统

3.2 控制保护策略

康定变直流融冰系统在融冰模式下采用定直流电流控制，控制保护系统中集成了阀短路保护、桥差动保护、直流过流保护、直流过压保护、直流谐波保护以及交流过电压保护等。另外，对于整流变压器单独配置了变压器保护。

4 零功率试验

直流融冰系统只在冬季线路覆冰的时候使用，其余时间都处于停用状态，为了检测整套系统的可用性，在每年冬季来临之前，需要做相应的定检试验。为此PCS-9590直流融冰系统提供了零功率试验功能，这是在不接入融冰线路（即交流线路不停电）的情况下，全面检验直流融冰系统的直流电流控制功能，检验换流阀、直流侧刀闸和融冰母线的电流耐受能力，保证直流融冰系统在需要融冰时能够可靠地投入运行，其控制策略与正常融冰一致。PCS-9590直流融冰系统提供2种拓扑实现此项功能。

方案一：利用相控电抗器L作为负载，其结构如图4所示。PCS-9590直流融冰系统在不融冰时可以兼做静止无功补偿器（SVC）使用，进行快速无功补偿、改善电能质量，图4所示结构可以通过对Q11～Q17 7次模式转换隔离开关的分、合操作来实现一次系统结构的切换，方便地在融冰、零功率试验和SVC 3种模式灵活转换。以与换流变压器Y绕组连接的6脉动阀组为例，在融冰、零功率试验和SVC 3种运行模式下，各组隔离开关的分合位置分别如表5所示。

表5 融冰、零功率试验和SVC3种模式下切换隔刀的位置

方案二：在直流输出侧加装隔离刀闸和电抗器构成回路，如图5所示。仍然以电抗器L为负载，分开S2、S3、S5～S7 （不接入交流线路）， 合上 S1、S4、S8、S9，就可以进行零功率试验了。这种结构不支持SVC运行模式。

康定变直流融冰系统可以扩展零功率试验功能。

5 运行情况

图5 零功率试验方案二

康定变直流融冰系统的设计容量是，额定功率122.7 MW，额定直流电压DC±12.27 kV，额定直流电流5000 A，额定触发角15°。该装置于2012年12月27日对500 kV康甘线（康崇线一段）成功进行了大电流融冰试验，直流电流从500 A平稳上升至额定电流5000 A，装置累计持续运行将近2 h。通过直接在站内出线上加探头测量导线温度，在环境温度12℃、风速3 m/s的情况下，导线最高温度24℃，温升达到12℃。

图6所示为康甘线按“一去一回”方式融冰，直流电流达到额定电流5000 A时进线侧35 kV母线电压、直流电压、直流电流、触发角的现场录波波形，其35 kV母线电压的频谱分析如图7所示。可见，直流融冰装置输出的直流电压、直流电流等与理论计算结果基本吻合，符合设计预期，研制的直流融冰系统满足站内线路融冰需求。12脉动整流融冰系统工作时交流电源中主要含有 11、13、23、25 等（12k±1）次谐波电压；经计算，35 kV母线电压THDu为9.49≤12%，与PSCAD仿真结果相符。

图6 康甘线融冰电流达5000 A时35 kV母线录波波形

图7 康甘线融冰电流达5000 A时35 kV母线电压频谱分析

6 结束语

康定变直流融冰系统设计了简洁的主回路结构，采用1台三相三绕组变压器直接从变电站高压母线受电，中低压侧分别接入6脉动阀组，可以兼顾不同线径和长度的输电线路融冰；通过4把选相隔离开关可以完成多种融冰方式的自动转换，实现对交流线路的均衡融冰；具有零功率试验功能，可以方便地实现对整套设备的定检。该系统基于5000 A的输出电流和122.7 MW的融冰容量而设计，可以为直流融冰设备的研制和工程应用提供一定的参考。

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