交流融冰方法在粤北山区的应用研究

杨 芳，侯宇凝

（1.广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远；511518；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

随着电力输电线路规模的日益扩大，线路覆冰对电力线路的安全稳定运行造成了极大干扰。覆冰严重会造成导线承载压力超过极限值而引起导线断裂。同时，由于导线覆冰舞动和导线脱冰跳跃等特殊形式的运动，会造成线路部件损坏和绝缘间隙击穿的事故，严重干扰电力系统的稳定运行[1]。

2008年初，受大规模雨雪天气的影响，南方受影响地区电力系统架空线路发生大规模断线事故，造成了极大的经济损失。

而粤北地区的地形比较复杂，架空线路覆冰时并不是全线都会覆冰，只有在山区线路中后段或者末端会严重覆冰，也就是说覆冰的不均匀性使直流融冰无法在此展开更好的应用。针对这个问题，本文提出了交流融冰的多种模式，并将融冰装置置于履冰区，只对履冰区进行融冰，实施精准融冰。根据履冰区段的特点，选择不同的融冰模式或多模式组合搭配，能应用在110 kV、35 kV、10 kV线路融冰，且投资少、见效快。

1 交直流融冰对比

交直流融冰的原理都是利用导线通过电流产生焦耳热，当热量足以维持导线表面的温度在0 ℃以上时，导线表面的冰层会融化而脱落，从而起到融冰的作用[2]。

1.1 交流融冰技术简介

交流短路融冰是将融冰短接线装在输电线路的某一点上，再通过中压配电装置对线路输送融冰电流，并依靠短路电流产生的热量融化线路上的覆冰。交流短路融冰法可以分为三相短路融冰法和两相短路融冰法[3]。

其中，三相短路融冰法是将线路末端三相短路，然后在首端提供融冰电源，通过三相短路时的过电流发热使导线融冰。融冰电流计算如下：

式中，I为融冰的每相电流（A）；U为首端电源的线电压（V）；r0、x0分别为每千米的电阻和电抗（Ω/km）；L为从电源端至短路端的有效距离（km）；λ为附加阻抗系数，实际工程中可取1.03。

1.2 直流融冰技术简介

该方法通过换流装置把交流电源转化为直流电源，并对覆冰线路加热，使得线路覆冰融化，原理如图1所示。由于直流电流在流经输电线路上不产生无功功率且线路电阻远远小于电抗，因此只有换流装置需要消耗无功。所以，对电压等级相同的融冰电源来说，直流电源比交流电源可输出更大的融冰电流[4]。

图1 直流融冰原理图

2 交流融冰的模式

2.1 直接利用10/0.4 kV配电变压器融冰模式

由于一些线路只是在部分线段有严重履冰，不需进行全线融冰，可以考虑将融冰电源的电压降至一个较低值0.4 kV，即可缩短融冰线路长度。

2.1.1 融冰模式的实施

（1）“固定台变融冰”模式。在覆冰区首端安装10/0.4 kV降压配变作为融冰电源，履冰区末端将三相导线短路。为了减小冰灾险恶环境下安装作业量，将融冰电源及短路功能设置为固定装置，即在融冰配变处安装融冰方式转换刀闸，三相导线短路处安装短路刀闸，这样融冰变在非融冰状态时仍可作配变使用，如图2所示[5]。融冰配变及方式转换刀闸和短路刀闸设置于履冰区与非履冰区临界点附近。融冰状态的实施，如图3所示。当需要融冰的时候，使K1断开、K2和K3处于闭合状态；而在非覆冰期间，开关的状态则相反。

图2 配变融冰安装点示意图

图3 固定台变短路融冰方式转换图

（2）“并联导线+固定台变融冰”模式。固定台变模式融冰距离在1.1～2.1 km范围内。为了能延长融冰距离，将融冰线路的三相导线其中两相并联，与另外一相组成回路，接于变压器低压侧的两相，使其缺相运行。并联导线可降低阻抗，从而延长融冰距离1.33倍，融冰距离可达2～3 km。它的配变、方式转换刀闸、短路刀闸等装置的设置和安装，与固定台变融冰模式一样。如何实现“并联导线”融冰，即在配变低压出线侧增加一组低压刀闸，并将其接成角形接法，如图4所示。若要实现AB并联与C相形成回路进行融冰，拔掉K5低压刀闸B相刀熔，合上K3即可；若要实现AC并联与B相形成回路进行融冰，拔掉低压刀闸A相刀熔，合上K1即可；若要实现BC并联与A相形成回路进行融冰，拔掉低压刀闸B相刀熔，合上K2即可。

（3）“配变双向融冰”模式。若融冰变压器处于环网供电线路上，即配变双向均有电源。在上述两模式下，将配变高低压侧导线对调就能实现双向融冰，融冰距离相应增加2倍，如图5所示。

图4 “并联导线+固定台变融冰”模式示意图

图5 “配变双向融冰”模式示意图

2.1.2 本融冰模式的优缺点

优点是利用已运行的普通变压器，不需要任何改装，不需要增加费用，就可以进行交流融冰，只是在设定的位置安装短路刀闸[6]。解决配变融冰前，不用安装融冰变和三相短接作业量，降低了作业风险和耗时；解决配变融冰时，不用全线停电，减少了停电范围；对已安装有分支断路器或其他开关的10 kV支线进行交流融冰时，不需要停T结的主干线。缺点是融冰距离短，只有1.1～5.6 km，不能连续可调。但是，履冰区在5 km范围内时，这种模式的优点特别明显。融冰装置设置于履冰区内融冰，能实现精准融冰，减轻作业量，投资少，实用性强。

2.1.3 本融冰模式的选择

利用10/0.4 kV降压配变作为融冰电源，融冰距离如表1所示。融冰时首先考虑最大允许截面电流，设定融冰电流I的范围，依据导线复阻抗推算出融冰距离，即：

ρ可查表得出或以导线几何均距计算得出，再依融冰电流计算得融冰容量：

常用单导线融冰距离详见表1。

2.2 10 kV专用降压变压器融冰模式

上述直接利用10/0.4 kV配电变压器融冰模式，融冰距离在1.1～5.6 km范围内。为进一步延长融冰距离，可提高融冰电压。

2.2.1 本融冰模式的实施

将10 kV降压变压器的二次侧电压改造为2.0 kV、1.8 kV、1.6 kV、1.4 kV、1.2 kV电压等级作为融冰电源，分五档以提高融冰变压器的应用范围。保留0.4 kV，在非融冰状态时仍可作配变使用，融冰距离在3.59～10.8 km，具体如表2所示[7]。它的配变、方式转换刀闸、短路刀闸等装置的设置和安装与固定台变融冰模式一样，同样可进行“并联导线”和“双向”融冰，这里不做复述。

表1 0.4 kV配变交流融冰距离一览表

2.2.2 本融冰模式的优缺点

将降压变压器的二次侧电压设置为2.0 kV以下，是考虑了融冰变户外安装方便、电压过高、容量大、体积大且笨重，不便户外安装。另外，2.0 kV以下有五个档位，基本履盖了融冰距离要求。同时，考虑对线路施加电压小于5 kV时，可以不断开配变进行融冰，以减少操作量和停电范围。若不考虑融冰变户外安装，融冰电压可设置在5 kV以内。本模式具有20/0.4 kV配电变压器融冰模式所有优点，同时融冰距离较长，可达11 km，且融冰距离在一定范围内可调。缺点是履冰区大于11 km时无法融冰，但履冰区在11 km内时优点明显、投资少。

2.2.3 本融冰模式的选择

履冰区在11 km内时优先选择本模式，融冰时首先考虑最大允许截面电流，设定融冰电流范围，依据导线复阻抗推算出融冰距离，再依融冰电流计算得融冰容量。融冰距离计算与选择同上述一致，表2为选择参考。若利用本模式融电压等级超10 kV的主网线路，则在融冰变和短路刀闸前安装主网线路额定电压的隔离刀闸即可。这样既保证了融冰装置在主网线路运行时不受影响，又保证了融冰时不用安装融冰装置的作业量，降低了作业风险和耗时。

表2 10 kV降压专用融冰变压器融冰距离一览表

2.3 直接利用10 kV电源进行交流融冰模式

上述两种融冰模式，融冰距离限制在11 km内。本模式是直接取10 kV交流电源作为融冰电源，将10 kV电压加在融冰线路上，在适当的位置安装三相短路装置。其他与配变融冰一样，融冰距离的计算与上述一致，表3为选择参考。

2.4 就地利用小水电电源进行交流短路融冰模式

上述三种融冰模式前提是必须有电源提供。本模式就地利用小水电电源作为融冰电源，其原理与上述一致。小水电电源接入方式有几种。粤北山区小水电装机容量较小，一般采用发电机升压零起升流融冰，即指将发电站升压变接入，高压侧线路的末端三相短路，低压侧由发电机零起升流作为融冰电源。在融冰线路、发电机、升压变连成电气回路的状态下，通过缓慢增加发电机励磁电流逐步提高线路电流至一定数值，从而令线路发热融冰。此融冰方式适用于有联接小水电的35 kV、10 kV线路融冰，融冰距离决定于融冰电压和水电机组容量，计算方法与上述一致，升流大小和速度可控。

表3 10 kV交流短路融冰距离一览表

3 交流融冰模式的选择应用

冰灾来袭，单一的固定式直流融冰模式不能满足要求。一是固定式直流融冰能耗太大不能满足多条线路同时融冰；二是固定式直流融冰慢不能满足融冰的速度要求。因此，如何利用现有的资源选择不同的融冰模式显得尤为重要。

根据履冰区的分布情况，选择接近中心位置的变电站作为融冰中心站。依据网络结构和履冰区离中心站距离，确定是否设置固定式融冰装置。若线路的履冰区离中心站距离大于40 km且与相邻变电站距离大于40 km，可选择安装固定式直流融冰装置。若线路的履冰区离中心站距离小于40 km且履冰区占全线长度的30%以上，可选择直接利用变电站10 kV电源进行交流融冰，不用安装专用的融冰电源装置，在变电站设置方式转换装置即可。若线路的履冰区离中心站距离小于40 km且履冰区占全线长度的30%以下，变电站内可不设融冰装置，将融冰装置置于线路履冰段，实施精准交流融冰。当融冰中心站容量不足时，可选择精准交流融冰模式作为补充，也可利用附近小水电站作为融冰电源，弥补容量不足的缺口。综上所述，多模式并举，充分利用现有资源解决问题，节省融冰投资，同时方便了融冰的实施。

若线路履冰区在表1数据以内，可选择固定式配电变压器融冰模式，依据不同的导线线径选择计算融冰距离，也可采用“并联导线+固定台变融冰”模式，在配电变压器融冰基础上延长融冰距离1.33倍。若有双向电源供电可选择双向融冰模式，融冰距离可再增加2倍[8]。具体参照表1。

若线路履冰区在表2数据以上且在40 km内，同时履冰区占全线长度的30%以上，即选择10 kV电源进行交流融冰模式，具体参照表3。

若线路履冰区在表2数据以内且只有一段履冰区，同时履冰区占全线长度的30%以下，如图6所示。若89#～108#为履冰区，则选择此方案。在履冰区与非履冰区临界点附近选择111#杆安装10 kV降压专用融冰变压器，90#杆安装短路刀闸，由110 kV站侧向线路施加10 kV交流电压进行融冰。

若一回主网线路有两个履冰区且履冰区均在表2数据以内，同时履冰区占全线长度的30%以下，如图7所示。若89#～108#和62#～78#为履冰区，则选择此方案。在履冰区与非履冰区临界点附近选择83#杆安装10 kV降压专用融冰变压器，61#杆安装短路刀闸，由110 kV站侧向线路施加10 kV交流电压，融62#～78#段的履冰。在112#杆安装短路刀闸，由35 kV站侧向线路施加10 kV交流电压，融89#～108#段的履冰。

图6 线路单履冰区示意图

图7 线路双履冰区示意图

若融冰中心站附近有合适的小水电站或者履冰线路有联接小水电站，可采用小水电交流短路融冰模式。融冰距离和容量计算，与上述一致。

4 结 论

本文所述的交流融冰具有6个优点：

（1）投资少，即利用已运行的普通变压器，不需要任何改装，不需要增加费用，就可以进行交流融冰，在设定的位置安装短路刀闸即可；

（2）便利快捷，即解决配变融冰前，不用安装融冰变和三相短接作业量，降低作业风险和耗时；

（3）操作量少，降低冰灾天气的作业风险，即解决配变融冰时不用全线停电，减少停电范围；对已安装有分支断路器或其他开关的支线进行交流融冰时，不需要停T结的主干线；

（4）将融冰装置设置于履冰区内，只对履冰段进行融冰，实施精准融冰，大大降低融冰能耗；

（5）将融冰装置设置于履冰区与非履冰区临界点附近，避免冰冻天气开关设备冻结难操作；

（6）出现冰灾变电站融冰装置“忙不过来”或容量不足时，用交流变压器融冰或小水电站融冰作为直流融冰的补充，既可用于配网，又可用于主网，有良好的经济性和实用性。

交流电有“集肤”效应，履冰正好在导线表面，故交流融冰发热效率高。“集肤”效应与频率有关，基于这点交流融冰可应用于地线融冰和OPGW光缆融冰。采用交流变频融冰可设置在谐振点融冰，以降低线路阻抗，增强“集肤”效应[9]。融冰装置的接入方式与配网一致，将融冰装置置于履冰区与非履冰区临界点附近，提高融冰效率和速度，降低融冰能耗。本文所述交流融冰融冰快、效果好，作业量少、风险低，投资和维护量也少，有较大的应用前景。