一种配电网线路不停电融冰方法

杨少杰，高一波

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.浙江华电器材检测研究所，杭州 310015）

一种配电网线路不停电融冰方法

杨少杰1，高一波2

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.浙江华电器材检测研究所，杭州 310015）

提出了一种配网线路不停电融冰的方法，通过降低配电网线路覆冰段的运行电压、增加覆冰段线路电流，以实现热力融冰。将2台大范围有载调压变压器通过开关装置串联接入线路覆冰段两端，通过这2台融冰变压器的协同调节降低线路覆冰段运行电压，并保证负荷端电压的稳定。基于PSCAD平台搭建了配电网线路不停电融冰系统仿真模型，对不同工况下的线路融冰运行情况进行了仿真分析，并对不同无功补偿方案进行对比分析，从而为线路提供电压支撑，最后给出了该方案的适用场合。

不停电融冰；融冰变压器；配网线路；无功补偿

0 引言

冰灾是电力系统常见的自然灾害之一，2008年发生在湖南、广东等南部省份的大冰灾导致输电线路大面积、长时间停运，严重影响了电网安全稳定运行，给社会经济和人民生活造成巨大损失[1，2]。此次冰灾事件也直接推动了融冰技术在输电线路上的应用研究。

热力融冰技术是基于导线的焦耳热效应，通过提高流过导线的电流来使导线发热，进而达到融冰的目的。作为热力融冰手段的一种，短路融冰是目前应用最多的输电线路融冰方法[3，4]。但短路融冰方案在融冰期间需要中断电力传输，这对覆冰周期较长或存在反复覆冰情况的线路是无法接受的。

现有关于不停电融冰技术的研究大多关注的是高压输电线路，且基于复杂的网络潮流控制或双回线路环流控制。文献[5]介绍了一种潮流控制算法，通过调整整个输电网络的潮流分布来调控不同线路的融冰能力，以形成整体最优的抗冰策略。但此算法对网络结构有较强依赖性，不适用于配电网（以下简称配网）融冰。文献[6]和文献[7]针对双回输电线路提出了一种基于线路环流的融冰策略，通过在其中一回线路上串入一台调相变压器来改变该条线路的相角，通过控制两回线路之间的相角差来控制两回线路间的环流，以实现不停电融冰。显然调相变压器方法只能应用于双回线路，而配网线路一般都是辐射状的单回线路，故潮流控制难以实现，也无法形成双回线路环流。

针对上述问题提出了一种配网线路不停电融冰的方法，通过降低配网线路覆冰段的运行电压、增加覆冰段线路电流来实现热力融冰。对于一条普通的配网线路，融冰电流往往大于其正常负载电流的2倍。为达到融冰电流，需要将线路运行电压降低至正常运行电压的一半以下，这远远超出了普通配电变压器的调压范围。为了保障融冰过程中电力供应的稳定并将电压波动控制在许可范围内，在配网线路不停电融冰方案中采用了一组特殊的有载调压变压器。以下通过PSCAD仿真软件对配网线路不停电融冰仿真系统不同工况下的运行状态进行分析对比。

1 配网线路融冰系统

以浙江西部地区某典型10 kV配网线路为例，搭建了配网线路不停电融冰仿真系统。该线路的1/3左右长度位于山区，在冬季会出现覆冰；同时该线路是接入此区域的唯一1条馈线，不能长期停电；另外，该区域没有精密制造业负荷，对轻微电压波动不敏感。

仿真系统的拓扑结构如图1所示。其中，110 kV主变压器T1的额定变比是110 kV/10 kV，配电变压器T2的额定变比是10 kV/400 V。融冰变压器Tdice-1和Tdice-2的额定变比均为1∶1，它们通过开关装置接入线路，正常运行时被开关B-1和B-4短接。根据浙江地区的气象条件，线路覆冰段多在山区，图1中覆冰段线路标记为Lineiced。为减少正常段线路在融冰时的损耗，并降低融冰变压器的容量，将融冰变压器Tdice-1和Tdice-2安装在靠近线路覆冰段的位置。

图1 配网线路不停电融冰仿真系统拓扑结构

2 配网线路融冰方案

2.1 融冰方案

在融冰模式下，开关B-2和B-5以及开关B-3和B-6合上，然后开关B-1和B-4打开，融冰变压器Tdice-1和Tdice-2通过开关装置的切换串联接入线路。融冰变压器初始运行在变比为1∶1的状态，其接入不影响线路正常运行。

为降低覆冰段线路运行电压以获得融冰电流，逐步调节覆冰段始端融冰变压器Tdice-1的分接头位置，使其变比增大。与此同时，为了控制线路末端电压稳定，同步调节覆冰段末端融冰变压器Tdice-2的分接头位置，使其变比减小，直至线路电流达到要求的融冰电流值。由于负荷对于小范围的电压波动并不敏感，2台融冰变压器的分接头档位调节没有严格的同步性要求，能节省部分通信系统的投资。文献[8]以220 kV输电网络为研究对象，通过系统潮流计算对变比的优化取值进行了分析，该算法简化之后也可应用于配网线路。

2.2 融冰电流

最小融冰电流取决于多种环境因素的共同作用，比如环境温度、风速、导线直径、覆冰厚度等[9-12]。关于架空导线覆冰过程以及热力融冰过程已有大量研究，提出了描述导线覆冰过程的多种物理模型，以及线路最小融冰电流的计算方法。文献[11]根据导线覆冰的物理过程对期间的热平衡进行了分析，推导了湿增长覆冰向干增长转变的临界条件，并对其影响因素进行了讨论。文献[12]在架空导线覆冰模型的基础上，对3种热力融冰模型进行了数学描述，并推导了不同模型下的融冰临界电流值。由于融冰电流的具体数值选取对配网线路不停电融冰方案本身没有实质性影响，故直接引用表1所示的架空线路1 h融冰电流数值。

表1 架空线路1 h融冰电流[13]

表1所列的是在环境温度为-5℃，风速为5 m/s，导线覆冰层厚度为10 mm条件下计算得到的架空线路1 h融冰电流值。

3 仿真分析

配网线路不停电融冰仿真模型中采用的线路参数如表2所示。仿真系统按图1的拓扑结构搭建，融冰过程中整个系统运行于稳态，采用基于贝瑞隆的线路仿真模型。

表2 线路参数

3.1 未设置无功补偿的仿真结果

如图1所示，仿真系统测量线路各处的电压，U1和U2分别是整条线路首、末端电压，U3和U4分别是线路覆冰段首、末端电压。I1是正常段线路电流，I2是覆冰段线路电流。在未设置无功补偿的情况下，正常运行模式及融冰模式下的线路电压、电流如表3所示。

表3 未设置无功补偿时的仿真结果

根据表3所列仿真结果，未设置无功补偿时，融冰模式下线路末端电压低于9.5 kV，不符合供电质量要求。可见，由于融冰模式下线路电流成倍增加，在没有无功补偿的情况下仅靠调节融冰变压器的分接头档位已无法有效控制线路末端电压。

3.2 设置无功补偿的仿真结果

为有效调节线路末端电压，需要设置无功补偿。通过仿真对比分析了在线路首、末端以及覆冰段首、末端4个位置设置容量均为1 Mvar的无功补偿方案，仿真结果如表4所示。

由仿真结果可知，在线路首端设置无功补偿并不能有效改善线路末端电压。在线路末端设置无功补偿则会过度抬高线路末端电压，使400 V低压母线电压超标，而且该补偿位置下的线路电流和融冰电流显著大于其他方案。

表4 设置无功补偿后的仿真结果

由仿真结果可知，在覆冰段线路的首端或者末端设置无功补偿既能有效调节线路末端电压，又能将非覆冰段线路电流控制在较低水平。而且便于在安装融冰变压器的同时配套安装相应的无功补偿装置，减少线路改造的工作量。

在线路覆冰段末端设置无功补偿后，融冰过程中线路首、末端的电压如图2所示。随着融冰段线路电流的上升，线路首端电压U1逐步下降，但降幅未超过2.5%，而线路末端电压U2下降明显。之后随着融冰变压器的档位调节，线路末端电压U2逐步回升至9.5 kV以上。由图2可见，线路末端电压U2低于9.5 kV的持续时间少于0.4 s。由于负荷对短时间的电压跌落并不敏感，故认为这是可以接受的。

图2 线路首末端电压波形

线路A相电流波形见图3。可见，线路融冰段电流I2显著上升，超过1 h融冰电流值；而线路非融冰段电流I1上升则少于50%正常运行时的线路电流。相比于会提高全线电流的传统不停电融冰方法，文中提出的配网线路不停电融冰方法不会显著提高非覆冰段线路的电流，降低了线路损耗和电压降，能减少无功补偿装置的容量。

3.3 融冰变压器非同步投入的影响

针对实际使用中可能出现的2台融冰变压器非同步投入的情况进行了仿真分析，结果如图4所示。图4（a）所示是2台融冰变压器同步投入运行时的负荷侧电压波形，融冰变压器的投入对负荷侧造成100 V左右的电压降。图4（b）和（c）分别是融冰变压器Tdice-2延迟0.1 s投运和融冰变压器Tdice-1延迟0.1 s投运情况下的负荷侧电压波形，两者波形相似，均表现为负荷侧电压分2次跌落100 V。可见，2台融冰变压器非同步投入对负荷侧电压没有额外的影响。

图3 线路A相电流波形

图4 开关B-1和B-4非同步操作对负荷侧电压的影响

4 结论

通过软件仿真验证了配网线路不停电融冰方法的有效性，得出以下结论：

（1）融冰过程中线路覆冰段的电流显著升高，超过该线路1 h融冰电流，在设置了无功补偿后线路末端稳态电压控制在9.5 kV以上。

（2）在线路覆冰段的首端或末端设置无功补偿能对线路电压提供有效支撑，建议在安装融冰变压器的同时配套安装相应的无功补偿装置，以减少线路改造的工作量。

由于高电压等级的大范围有载调压变压器制造成本过高，文中提出的融冰方案适用于35 kV以下、覆冰周期较长的山区线路，但不适用于有分支线路的配网线路。

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（本文编辑：方明霞）

A Non-outage De-icing Method of Distribution Lines

YANG Shaojie1，GAO Yibo2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China；2.Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

A non-outage de-icing method of distribution lines is proposed.By lowering operating voltage of the iced distribution lines and increasing the current of the iced lines，the ice is melted by heat.A pair of widerange on-load tap changer transformers are connected in series with both terminals of the iced lines through switches.By adjustment of the two transformers，the operating voltage of the iced lines is lowered to ensure voltage stability at the load terminal.A simulation model of non-outage deicing system of distribution lines is established based on PSCAD platform to simulate and analyze line deicing under different operating conditions；besides，the various reactive power compensation schemes are compared to provide voltage support for lines.In the end，the application scenario of the scheme is expounded.

non-outage deicing；deicing transformer；distribution line；reactive power compensation

TM752+.5

B

1007-1881（2016）11-0014-04

2016-08-30

杨少杰（1978），男，工程师，主要从事电网运行与控制等方面的研究工作。