特高压直流在线融冰技术及其工程应用

付广旭 卢东斌 张 靖 薛海平 邹 丰

特高压直流在线融冰技术及其工程应用

付广旭 卢东斌 张 靖 薛海平 邹 丰

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

雅湖直流线路跨越数个易发覆冰灾害的区域，易出现线路覆冰现象，影响直流输电稳定性。为解决上述问题，本文研究设计特高压直流融冰功能。首先，分析融冰主接线隔离开关的配置情况，避免运维人员人工搭线的操作过程；其次，设计融冰隔离开关的顺控及联锁逻辑，保障运维人员安全、快速地进行运行方式的转换；再次，阐述融冰的基本控制策略及在线融冰技术，保证常规运行转入融冰运行时，功率输送不中断；最后，介绍融冰配置的特殊功能，降低融冰运行异常对系统的影响。通过实时数字仿真试验验证了在线融冰技术的有效性，并一次性成功通过了现场解锁、功率升降、闭锁试验。融冰功能的研究设计提高了雅湖直流线路在冰雪灾害天气下的输电可靠性。

直流输电；在线融冰；控制策略；顺控联锁；工程应用

0 引言

2008年初，中国南方遭遇几十年未遇的严重冰雪灾害，输电线路覆冰严重，导致电网发生大面积解列和停电事故[1-3]。输电线路覆冰轻则使线路弧垂增大而产生对地或相间放电，重则致使杆塔折断或倒塌，严重威胁着电网的稳定运行。此次冰雪灾害导致电力设备损坏、电力无法有效输送，对国家经济、百姓日常生活造成的影响难以准确评估[4]。

雅湖直流送端起于四川雅安，受端落于江西抚州，将西部的清洁水电送至东部的负荷中心，承担着江西省电力主动脉的重担。一方面，由于其直流线路完全处于长江南岸，跨越了数个易发冰雪灾害区域；另一方面，由于冰雪灾害发生在冬季枯水期，直流输电线路产生的热量无法防止线路覆冰发生。因此，雅湖直流融冰技术的研究与应用具有重要意义，在特殊自然灾害天气下，可保障国家能源的稳定供应。

1 特高压直流线路防覆冰技术

目前，多种多样的交流输电线路除冰技术方案得到全世界范围内的广泛研究及应用[5-12]，可有效防止冰雪灾害对输电造成的严重影响。特高压直流线路融冰技术的基本原理为，利用电流流过导线时的热效应来融化输电线路上的覆冰[13]。一般地，特高压直流工程配置阻冰及融冰两种运行方式，防止直流线路覆冰的发生。

1）阻冰运行：利用直流两极的功率输送方向可以单独设置的能力，实现交流系统零功率下的额定直流电流运行，其主要用于预防线路结冰。正常情况下，两极功率同向传输。当需要阻冰时，一极功率正向传输，另一极功率反向传输。由于换流阀导电的单向性，实际传输的电流在直流两极之间形成回路，接地极无电流流过，所需交流系统的功率约为线路、换流器、换流变等一次设备的损耗。在特高压直流工程中增加阻冰功能简单且易于实现，但仅能提供额定融冰电流，无法快速消融线路覆冰。

2）融冰运行：利用直流两极换流器可以并联金属回线运行的能力，实现直流半压下的两倍额定电流运行，其主要用于消融线路覆冰。通过对特高压直流工程输电线路的研究，融冰电流需达到8 000A以上[14]，才可以有效消除覆冰。特高压直流设计的额定输送电流一般为5 000A，无法提供如此高的融冰电流。因此，研发并联换流器方式的融冰技术具有重要应用价值。

阻冰运行实现简单，但受限于两个缺点：一是当直流系统根据电力调度要求需带负荷运行时[15]，无法投入使用；二是需在冰雪灾害发生前及期间，一直投入使用。融冰运行可以克服阻冰运行的缺点，其产生的线路热量可达阻冰运行时的4倍，从而能够快速消除线路覆冰，保证功率的持续输送。

2 特高压直流并联融冰主接线

特高压直流融冰运行选取高端换流器作为并联换流器，主要考虑高端换流器具有更高的绝缘性能，可以承受反极性并联时的直流半压。选取金属回线作为运行回路，一则可以避免流入大地电流，二则实现两极直流线路同时融冰。

通过为两端换流站配备融冰隔离开关，雅湖直流系统具备以顺控或手控的方式，从常规运行快速转为融冰运行的能力，可避免运维人员手动搭线操作，简化直流隔离开关的操作工序，保证时效性和安全性。雅湖特高压直流送端换流站并联融冰主接线如图1所示。

图1中，特高压直流送端换流站极1金属回线的电流回路由红虚线标识，并联融冰极的电流回路由蓝点划线标识，箭头代表电流方向。受端换流站主接线除未配置双极中性区开关外，其他与送端换流站一致，本文不再赘述。融冰接线由融冰连线及融冰隔离开关组成，包括RB1.Q11、RB1.Q12、RB2.Q13、RB2.Q14、RB2.Q15、RB2.Q21、RB3.Q16，共7副隔离开关。

由于晶闸管的单向导电性，若通过原隔离开关AI、CI接入融冰主回路，则电流无法流通。因此，极2高端阀组必须通过融冰隔离开关以反并联的方式进行电气连接。

特高压直流融冰运行可以理解为，极1高端阀组金属回线方式运行，极2高端阀组通过融冰接线与极1高端阀组并联运行。因此，极1直流线路电流是极1高端换流器电流与融冰连线（RB2.Q14）电流之和，极2线路电流由极1金属回线和融冰连线（RB3.Q16）分流，分流比例由两极控制的电流指令决定。

3 特高压直流融冰顺控与联锁设计

顺控功能可以避免手动操作的繁琐步骤和人工搭线的设备及人员安全风险，但需配备完善的联锁功能，防止运行人员误操作带来的设备损坏、直流闭锁等严重后果，确保所有隔离开关、断路器都在设备安全的前提下进行操作。

3.1 融冰顺控功能

特高压直流融冰运行对主接线的要求见表1。

基于上述融冰主接线分区，可增设融冰连接、融冰隔离顺控功能。为减少运维人员操作步骤，顺控功能将极区和阀区的操作步骤整合，融冰连接及隔离开关位置见表2。

表1 融冰主接线分区接线要求

表2在分区的基础上，确定了各区在融冰连接及隔离方式下的隔离开关位置状态。实际上，顺控不仅需要考虑隔离开关的位置状态，还需要考虑隔离开关的操作顺序，融冰连接及隔离顺控操作顺序如图2所示。

1）融冰连接顺序为：首先，合阀区的融冰隔离开关RB1.Q11和RB1.Q12；其次，分极区融冰接地开关RB2.Q21、融冰隔离开关RB2.Q15；再次，合中性区融冰隔离开关RB3.Q16、中性线断路器P2.WN.Q1、极区融冰隔离开关RB2.Q13与RB2.Q14；最后，合金属支路隔离开关P1.WP.Q18。实际上，融冰顺控同时设计了分P2.WP.Q12隔离开关的操作，防止极2形成环路而影响极1的正常运行。

表2 融冰连接及隔离开关位置

图2 融冰连接及隔离顺控操作顺序

上述顺序与常规极连接顺序一致。首先确保阀组反极性连接，再保证极中性线区域连接，最后进行极线区域连接。

2）融冰隔离顺序为：首先，分金属支路隔离开关P1.WP.Q18；其次，分极区融冰隔离开关RB2.Q13与RB2.Q14、中性线断路器P2.WN.Q1、中性区融冰隔离开关RB3.Q16；再次，合融冰接地开关RB2.Q21和融冰隔离开关RB2.Q15；最后，分阀区的融冰隔离开关RB1.Q11和RB1.Q12。实际上，融冰顺控同时设计了合P2.WP.Q12隔离开关的操作，确保在极2高端阀组已隔离的情况下，分阀区融冰隔离开关。

上述顺序与常规极隔离顺序一致。首先确保极线区域隔离，再保证极中性线区域隔离，最后进行阀组隔离。

融冰顺控同大地回线、金属回线顺控一样，设计了两站协调功能，即由主控站发出，从控站配合，同时进行融冰连接或隔离操作。

3.2 融冰联锁设计

融冰隔离开关设计的基本原则为：在融冰模式下，可以进行融冰隔离开关的分合操作；在常规模式下，仅可进行退融冰接线的单向操作。这样设计既满足对隔离开关的灵活操作需求，又可防止出现非必要的误操作，融冰隔离开关的分、合闸联锁设计分别见表3、表4。

WP.Q18隔离开关为常规金属回线运行使用的隔离开关，该隔离开关的联锁设计既要考虑常规运行下的联锁，又要考虑融冰运行下的联锁，设计极其复杂。由于两极融冰隔离开关的不对称性，P1.WP.Q18和P2.WP.Q18的联锁不一致，需分别设计联锁逻辑，由于篇幅限制，本文不再赘述。

融冰模式的投入与退出进行联锁设计，仅在特定的工况条件下，才可以投退融冰模式。融冰模式投入退出联锁设计见表5。

表3 融冰隔离开关分闸联锁设计

表4 融冰隔离开关合闸联锁设计

表5 融冰模式投入退出联锁设计

上述完善后的融冰顺控联锁设计，可保障运维人员在任何工况下，安全灵活地操作各隔离开关，为直流运行及检修提供了十分便利的条件。

4 特高压直流在线融冰技术

4.1 融冰的基本控制策略

常规特高压直流采用高低端阀组串联运行，而融冰模式采用两极高端阀组并联运行。已投入的具备融冰功能的酒湖直流工程，融冰运行的控制策略为：整流站极1高端换流器控制电压，整流站极1低端及逆变站极1、极2高端换流器控制电流[16]。本文采用一种新的控制策略，整流站极1、极2高端及逆变站极2高端换流器控制电流，逆变站极1高端换流器控制电压。

该控制策略具有以下优势：极1控制模式与常规运行方式一致，无需切换；极2仅需将逆变站由电压控制模式切换为电流控制模式。逆变站极1高端换流器处于定电压控制，可确保直流四换流器运行时的电压稳定；极2高端换流器处于定电流控制，可确保两极间电流的解耦控制，为直流在线融冰的实现提供技术基础。

4.2 在线融冰技术

为实现直流系统在常规运行和融冰运行之间不停运转换，设计直流在线融冰功能。在线融冰的特点是：极1处于常规运行状态，极2直接转入融冰运行。在线融冰的实现主要依赖融冰隔离开关的配备，具备自动将极2高端换流器反并联于极1高端换流器的能力。再结合本文所述控制策略，使并联融冰极2与极1可以解耦控制，即可以独立解闭锁而不影响极1的正常运行。

实际上，极2的常规闭锁控制策略会对极1的正常运行造成影响，需重新设计极2的闭锁控制策略。在正常停运或保护闭锁时，禁止触发角90°、投旁通对操作，避免极2闭锁时将直流电压控制为零，对极1的功率造成扰动。该闭锁逻辑的启动条件是：融冰模式下，极1处于运行，极2产生停运或闭锁信号。

由于逆变侧投旁通对功能被禁止，极2无法通过常规的投旁通对方式进行闭锁，需增设不投旁通对闭锁逻辑，实现换流器的闭锁。正常停运时，逆变侧先执行触发角90°，延迟200ms闭锁，由于触发角90°功能已被禁止，可缩短延迟闭锁时间，快速退出并联融冰极。

典型的在线投入融冰运行操作流程如下：首先，操作极2停运，极1转为金属回线运行；其次，操作极1退出低端换流器，仅高端换流器运行；再次，操作极2极隔离，低端阀组隔离，高端阀组隔离开关处于分位，待两站均处于上述状态后，投入融冰模式；最后，操作极2融冰连接、解锁并逐步提升运行电流至目标值。

典型的在线退出融冰运行操作流程如下：首先，操作极2停运；其次，操作极2融冰隔离，待两站均处于上述状态后，退出融冰模式；最后，操作极1转为大地回线运行，极2进入大地回线、解锁并逐步提升运行电流至目标值。

在线融冰技术极大地方便了直流运行方式的转换，实现了大地回线、金属回线与融冰运行之间的不停运转换。即使在自然灾害情况下，直流系统仍能保证功率不间断输送。

5 融冰特殊功能设计

除相关常规控制保护功能外，融冰还需要考虑特殊工况的保护功能设计。

5.1 融冰单极闭锁联跳功能

为实现融冰，极1处于高端换流器金属回线运行，极2将高端换流器反并联于极1运行。当极1发生故障闭锁或正常停运时，极2的两换流器处于电流控制，无法稳定运行，需设计单极闭锁联跳功能。当极2发生故障闭锁或正常停运时，极1可以继续运行于金属回线方式，无需配备联跳功能，可由运行人员手动闭锁。

5.2 融冰大角度监视跳闸功能

大角度监视跳闸功能设计的目的为：防止极2逆变侧解锁时，由于极1直流电压偏置问题，导致极2换流器换相异常，逆变侧的触发角不断向下调节，直至限制值110°，长期运行于该角度下，将对换流阀的避雷器等设备造成过电压损坏。工程上，可以设置触发角小于142°，延迟100ms跳闸。

5.3 融冰极隔离功能

融冰故障跳闸时，除闭锁、跳断路器等常规操作之外，设计融冰极隔离功能。通过类比常规极隔离，将P1.WP.Q18、RB2.Q14、RB2.Q13、RB3.Q16全部处于分位定义为融冰极隔离。在并联融冰极跳闸时，进行融冰隔离操作将故障隔离，其断路器、隔离开关操作顺序类比于常规极隔离。

6 融冰试验及工程应用

出于设备安全性考虑，成套设计建议融冰电流的优选值为8 000A，送端电压为400kV，则融冰总功率为3 200MW，即融冰运行时仍能传输0.4p.u.的总功率。

6.1 在线融冰技术仿真试验

为了验证本文所设计的在线融冰功能，在RTDS实时仿真平台进行在线融冰试验。极1高端换流器以4 000A运行在单极金属回线方式下，极2高端换流器反并联于极1高端换流器，并以500A解锁、闭锁，并联融冰极在线投入及退出波形如图3～图10所示，其中DL为极线电压，DN为中性线电压，DNC为中性线靠近换流器电流，为触发角。

图3 并联融冰极在线投入-送端极1波形

图4 并联融冰极在线投入-受端极1波形

由图3～图10可知，融冰在线投退过程为：极1在4 000A运行时，并联融冰极以500A解闭锁，系统短暂扰动后，恢复平稳运行，实现了常规运行与融冰运行之间的不停运转换。

6.2 工程现场调试试验

为进一步验证融冰功能的可靠性，雅湖直流现场进行常规融冰解闭锁及功率升降试验，相关试验一次性成功通过验收，两站并联融冰极解锁波形如图11～图14所示。

图5 并联融冰极在线投入-送端极2波形

图6 并联融冰极在线投入-受端极2波形

图7 并联融冰极在线退出-送端极1波形

图8 并联融冰极在线退出-受端极1波形

图9 并联融冰极在线退出-送端极2波形

图10 并联融冰极在线退出-受端极2波形

图11 并联融冰极解锁-雅砻江站极1波形

图12 并联融冰极解锁-鄱阳湖站极1波形

图13 并联融冰极解锁-雅砻江站极2波形

图14 并联融冰极解锁-鄱阳湖站极2波形

由图11～图14可知，并联融冰极解锁电流迅速升至目标电流值500A，系统短暂扰动后恢复平稳运行，无任何保护动作及报警，表明雅湖直流系统具备实际应用融冰技术的条件。

7 结论

直流阻冰模式运行，可在零交换功率下，防止线路覆冰；但若线路已覆冰或需保持功率有效输送，则需采取融冰模式运行。

采用并联单换流器的融冰主接线，可实现直流半压下两倍额定电流运行，快速消融线路覆冰；融冰隔离开关及其顺控联锁功能的设计，使直流系统具备融冰与常规运行模式的自动安全转换能力；在线融冰技术的应用，可保证直流进入或退出融冰运行时，不中断直流功率的输送；融冰特殊功能的配置，可保障直流故障时，减小对系统的影响。上述融冰功能的设计与开发，使雅湖直流系统具备融冰运行的全面控制保护技术。

为了验证直流融冰性能，在RTDS实时仿真平台进行了系列试验，验证了在线融冰技术的优越性；同时，工程现场进行了融冰解闭锁、功率升降试验，验证了融冰功能的可靠性。直流在线融冰技术的应用使雅湖直流系统在极端冰雪灾害天气下仍具备连续输电能力，对受端省份保供电意义重大。

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Online ice melting technology for ultra high voltage direct current system and its engineering application

FU Guangxu LU Dongbin ZHANG Jing XUE Haiping ZOU Feng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The Yahu DC line spans several areas prone to icing disasters, which can easily lead to line icing and affect the stability of DC transmission. In order to solve these issues, the ultra-high voltage direct current ice melting function has been studied and designed. Firstly, a systematic analysis is conducted on the configuration of the isolation switch for the main wiring of the ice melting system, to avoid manual wiring operations by operation and maintenance personnel. Secondly, the sequence control and interlocking logic of the ice melting isolation switch is designed to ensure the safety and fast operation mode switching for the operation and maintenance personnel. Once again, the basic control strategy of ice melting and online ice melting technology are introduced to ensure uninterrupted power transmission when transitioning from conventional operation to ice melting operation. Finally, the special functions for ice melting configuration are produced to reduce the impact of abnormal ice melting operation on the system. The effectiveness of online ice melting technology are verified through real-time digital simulation experiments, and it successfully passes on-site deblocking, power lifting, and blocking tests one time. The research and design of ice melting function can improve the transmission reliability of Yahu DC line in ice and snow disaster weather.

DC transmission; online ice melting; control strategy; sequence interlocking; engineering application

2023-12-24

2024-01-31

付广旭（1987—），男，吉林蛟河人，硕士，工程师，主要从事特高压直流输电控制保护技术研发工作。