输电线路柔性直流融冰技术探讨

周 阳

（国网湖南省电力有限公司建设分公司（湖南电力工程咨询有限公司），湖南 长沙 410000）

0 引 言

电网导线覆冰后，在过负荷运行状态下容易出现安全事故，同时影响输电线路的绝缘性能，导致闪络事故。在大风且气温较低的状态下，覆冰导线在空中摇晃会引发严重的安全事故[1]。因此，对输电线路融冰技术及其应用方式展开详细探究，以期获得最优的解决方法。

1 柔性直流输电的主要概念及主要优势

1.1 孤岛特性

常规高压直流输电线路的受端电网为强电网。受端电网提供电压支撑，保证输电稳定。常规直流建设初期，因交流电网容量较大，高压直流输电只是作为小部分补充，问题并不明显。近年来，我国新能源蓬勃发展，西部大量的新能源通过直流线路输送到东部负荷中心，交流端容量难以支撑大量直流线路的输入。相比于常规直流输电，柔性直流输电技术采用全控型器件，在受端电网表现为独立的交流电源。不仅对受端电网没有电压支撑要求，当交流网内部发生故障时，还可以提供低电压穿越。综合看来，柔性直流技术可以广泛应用于孤岛供电和大规模新能源消纳。

1.2 多端控制特性与配电网

常规直流输电需要受端电压提供支撑，多端控制较复杂。所以，国内已经建成的直流项目均采用点对点模式的长距离高压线路模式，将能源富集区的电力输送至负荷中心。随着国内经济的整体发展，多经济中心的格局出现。单纯的点对点输送方式不能构成多负荷中心及多能源输送中心互联的高压直流输电网络。此外，我国东西部距离较长，不同地区的负荷曲线随着地点与季节都会发生较大变化。使用多端灵活的柔性直流输电技术，可以构成高电压等级的交直流输电网络，平衡各地不同时间、不同季节的能源需求[2]。随着经济的增长，点对点的方式只能适用于发展不平衡地区，以多端柔性直流为高压输电走廊。低压交直流配合的混合式电力网络是未来的发展方向。

1.3 MMC技术与谐波无功控制

柔性直流输电采用两电平或三电平技术构成换流器。高压直流输电的需求促使研究人员不断改进柔直换流器。2001年提出的MMC技术，从根本上解决了高压输电问题。串联的MMC子模块采用多电平技术进行高精度的输出电压控制。相比常规直流输电的滤波器需求，基于MMC技术的换流器几乎不需要滤波支路，提高了系统的整体稳定性，降低了成本。电力系统中70%的电能都被感应电机所消耗，带来了大量的无功需求。近年来，电力电子器件的发展促进了以SVC、SVG为代表的静态无功补偿装置的迅速发展。相比外置的无功补偿装置，基于柔性直流技术的换流器本身就可以提供无功补偿，且在响应速度、谐波控制、占地面积及经济造价方面具有不可比拟的优势。柔直换流器与SVG的容量配置，需要考虑多方面因素，如当地无功需求、无功补偿设备与换流器的无功响应速度、两种无功补偿方式的经济成本及发生故障时的低电压穿越能力需求等。

2 输电线路冰害原因

输电线路的冰害原因主要有以下几点：（1）低温降雪，冬季北方的降雪量较大，雪覆盖在输电线路与设备上并在表面冻结成冰；（2）水气依附，冬季冷空气来袭，空气中的水分子遇冷后依附在输电线路和设备的表面形成云中覆冰；（3）蒸汽凝华，冬天温度较低，空气中大量的水蒸气会因为温度过低而出现凝华，附着在输电线路和设备表面形成凝华覆冰[3]。

如果输电线路上的覆冰存在时间不断延长，则覆冰的体积会不断变大，造成输电线路表面的损坏。人工去覆冰容易造成线路的剧烈摇晃甚至断裂。如果不及早去除覆冰，天气转暖后覆冰自动脱落会使线路发生大幅度晃动。覆冰较为严重时，输电线路和相关设备的表层都会被冻住，严重时还会对输电线路和设备的内部造成性能损伤，甚至导致电气事故和机械事故的发生。如果覆冰量非常大，输电线路和设备会难以承受，电气支架会有倒塌的危险，影响电力的正常供应。

3 输电线路柔性直流融冰技术

3.1 换流站融冰分析

在直流换流站融冰技术的实际应用中，首先需要获得输电线路融冰电流，判断输电线路在额定电流或者长期过载电流状态下能否满足线路融冰要求。例如，如表1所示的各项高压直流输电线路工程中，需综合考虑线路长度、型号及融冰电流等因素，合理确定输电线路直流线路的融冰参数。

3.2 直流输电线路双极并联融冰方式

当杆塔表面存在大量覆冰时，必须在短时间内融化覆冰。对此，应该采用紧急融冰方案，增大线路电流，迅速融化覆冰。可采用双极并联的方式获得融冰电流，此时换流器电流不会产生较大变化。直流输电换流的可控性较强，通过改变电流指令，即可获得所需要的融冰电流。但采用这一融冰方式需要改变线路的拓扑结构，增加引线、开关、电流互感器以及电压互感器。

换流站融冰技术的运行方式较灵活，如果线路的过载电流比融冰直流电流小，则应采用双极并联直流融冰方式；如果线路过载电流比保线电流大，则可采用背靠背直流融冰方式或者双极并联直流融冰方式。

3.3 直流输电线路背靠背融冰方式

冬季部分输电线路长期处于过负载运行状态，电流无法达到融冰电流要求。如果负荷较大，则高压直流系统负荷也较大，线路电流与额定直流电流相近。这种情况下，线路的发热量能够有效预防覆冰的形成。如果环境温度较低或输电线路表面已经出现少量覆冰，因直流输电线路具有10%左右的过负荷能力，仍可有效预防覆冰的形成。如果负荷比较低且受到整流端系统功率不足的影响，直流线路的电流比额定电流小，在冰雪天气影响下容易产生严重的覆冰灾害。对此，在制定融冰方案时应该注意以下两点：（1）减小高压直流系统的总输送功率，增大直流线路电流，尽量达到额定值；（2）令高压直流工程的2个极功率方向相反，最大程度提升单个极传输功率。由于2个极的功率方向相反，当两个功率大小相近时，高压直流系统的总传输功率将减小。

4 直流融冰的关键技术与方案设计

直流融冰技术在保障输电线路的安全运行方面具有明显优势，但依然有待完善。下面简单分析对直流供电电源和直流装置容量的选择。

4.1 直流供电

对于直流融冰，供电电源的选择至关重要。直流融冰对电源的稳定性和可控性要求较高。因此，融冰过程中不可超过单整流装置的极限，常采用并联方式保障电源装置的安全。

表1 高压直流输电工程直流线路和融冰参数

4.2 直流装置容量的选择

直流装置的容量选择需要综合考虑多个影响因素，比较通电电流和融冰时间，选择最佳的直流装置容量，保障直流融冰装置安全稳定运行。

5 结 论

输电线路运行中，容易受环境影响。输电线路的严重覆冰会造成线路弯曲，进而带来其他危害。通过对柔性直流融冰技术的探究，了解到这一融冰装置的电容量较小，设备实际体积较小，但具有较强的负载适应性，可应用于较大范围的电流输出中，应用效果良好。