交流输电系统直流融冰装置设计及其应用

王 森

乌海电业局输电管理处

交流输电系统直流融冰装置设计及其应用

王 森

乌海电业局输电管理处

在输电线路融冰安全运行保障中，融冰技术包括机械除冰法、被动除冰法以及热力融冰法，在热力融冰法中，直流融冰技术是最为理想、最为有效的融冰技术，应用最为广泛。对此，本文首先介绍了输电线路覆冰的原因及危害，然后对输电线路直流融冰技术进行了详细探究，以期促进其在输电线路安全运行中的应用，保障电力系统在冬季覆冰状态下依然能够安全可靠的运行。

交流输电系统；直流融冰；装置设计；应用

在电力系统中，输电线路冬季覆冰是十分严重的自然灾害。输电线路在冰雪的影响下，会造成供电中断，甚至会引发电网解列等事故。输电线路融冰修复难度较大，而且周期比较长，因此，输电线路融冰已经成为电力系统安全运行的难点，对输电线路融冰技术进行深入研究具有十分重要的现实意义。

1 直流融冰装置及过流保护存在的问题

不同电压等级输电线路对融冰电流的需求不同，因此适用于不同电压等级覆冰线路的直流融冰装置也有所不同。其中，由两个三相桥式整流电路串联构成的12脉动整流器在高压及超高压输电线路的直流融冰中应用最为广泛。而高压或超高压输电线路融冰时所需的整流电压较高，需配备专门供线路融冰使用的换流变压器。因此，本文以其为研究对象，电路结构如图1所示。由于直流融冰装置两个换流变的二次侧分别为角接和星接，为便于说明，简记图1中位于上方的三相桥式整流电路及与之连接的换流变为D桥电路，位于下方的三相桥式整流电路及与之连接的换流变为Y桥电路。

图1 12脉动直流融冰装置结构示意图

为了对直流融冰装置重要一次设备形成区域性保护，实现保护功能清晰化、区域化，需要对直流融冰装置进行保护分区。分区的原则是对重要一次设备形成区域性重点保护，以该区域一侧或两侧电气量构成保护判据。直流融冰装置可以分成以下四个保护区：交流保护区、换流变保护区、换流器保护区、直流线路保护区。

交流保护区由换流变网侧交流系统区域构成，主要包含常规交流保护。换流变保护区为图1中红色实线框内区域，包含变压器纵联差动保护等保护，主要保护换流变。换流器保护区为图1中绿色实线框区域，包含阀短路保护、过流保护和接地过流保护等保护，主要保护换流阀元件。直流线路保护区由融冰线路区域构成，主要包含横差保护等保护。各种保护原理相互配合构成一个完善的保护配置系统，保证直流融冰装置安全可靠运行。融冰装置中每个被保护元件一般同时位于几种保护原理的保护范围内，每种保护的动作的故障条件可能不同，但是一旦元件出现故障，各种保护原理都将按照动作逻辑有选择性的判定故障，保护元件的安全。

2 带电直流融冰方案的实施

2.1 融冰方案的实施步骤

该方案的实现主要包括以下步骤：1)安装绝缘间隔棒。严格地说，这一步骤应该在输电线路架设时就应该事先安装好，它的主要作用是使融冰线路档距内的分裂子导线相互绝缘。2)确定融冰距离。根据灾情的不同，可以对重灾区进行优先融冰，同时，融冰距离决定了融冰电源的功率。3)根据融冰电流的影响因素，例如风速、环境温度和覆冰厚度等因素确定融冰电流、融冰电源的功率等参数。

按照以上步骤，用ATP软件对该方案进行仿真分析，仿真参数如下：1)以某一电压等级的二分裂输电线路为原型；2)输电线路导线的型号为LGJ-300/40，总长度取为220km，假设该线路覆冰段长度为20km；3)用RLC串联电路模拟负载；4)分裂导线间距为400mm。

2.2 融冰电流的选取

对线路进行融冰时，应确定输电线路的临界融冰电流和最大允许电流[25-27]。临界融冰电流是指通过融冰线路(单根子导线)上的电流在当时的环境下可以使覆冰融化的最小电流；最大允许电流是指在融冰过程中允许线路达到最高温度(90℃)时所通过的电流；保线电流是指导线的温度在冰点以上使输电线路不覆冰的最小电流。

2.3 融冰时间与融冰电流的关系

融冰时间是融冰电流的非线性函数，即融冰时间T是电流I2的单调减函数。在环境温度为-5℃、覆冰厚度为10mm、风速为5m/s情况下，典型导线的融冰时间与融冰电流的关系。

2.4 融冰装置类型

直流融冰装置一般又可以被分为两种，即固定式直流融冰装置以及移动式融冰装置。其中，固定式直流融冰装置在实际应用中所需电能是由变电站所提供的，其是由晶闸管阀、控制保护设备换流变压器、交直流滤波器等设备所构成的。另外，移动式融冰装置的应用原理固定式基本相同，均通过晶闸管整流器整流，从而获得直流电压，对覆冰线路末端进行短接，并且采用两相或三相作为负载，为输电线路提供热量。

2.5 直流供电电源结构

在直流融冰装置中，电源是十分重要的组成部分，为了保证直流融冰装置的正常使用功能，要求电源必须具备较高的稳定性，并且易于控制。通过上文可见，在直流融冰过程中，会产生较大电流，而这一电流也会超过单整流设备所能承受的极限，因此，可以选用整流桥并联方式以提高直流融冰装置的安全性能。对于晶闸管整流器并联，现如今主要有三种形式，即双6脉冲电路、12脉冲电路以及双12脉冲电路。通过实践研究分析，双6脉冲电路在实际运行过程中，能够直接并联触发，因此可控性比较高，而且安全可行。

直流融冰装置的保护原理及方案对设备安全可靠运行发挥着关键作用。其中，换流器过流保护的保护范围为换流器保护区和直流线路保护区。然而，由于直流融冰装置特殊的拓扑结构，当换流变阀侧保护区发生接地故障时，非故障相会出现过电流，且能够被电流互感器检测到这一过流现象，从而导致换流器过流保护误动作。通过大量的仿真试验验证所设计保护方案的可行性。

[1] 田中.浅谈直流融冰技术在超高压输电线路中的相关应用分析[J].文摘版:工程技术,2015(19):121-121.

[2] 陈夫.110kV及以上输电线路直流融冰的安全控制技术研究[J].科技研究,2014(09):36-37.

[3] 向往,谭艳军,陆佳政,等.交直流输电线路热力融冰技术分析[J].电力建设,2014(08):101-107.