配網交流融冰仿真分析及工程應用研究

朱遠， 周秀冬， 李波， 譚艷軍， 朱思國

(1.國網湖南省電力公司防災減災中心，湖南長沙410129；2.國家電網公司輸變電設備防冰減災技術實驗室，湖南長沙410129)

配網交流融冰仿真分析及工程應用研究

朱遠1，2， 周秀冬1，2， 李波1，2， 譚艷軍1，2， 朱思國1，2

(1.國網湖南省電力公司防災減災中心，湖南長沙410129；2.國家電網公司輸變電設備防冰減災技術實驗室，湖南長沙410129)

配網線路分布廣、支線多、線型復雜，且多經過易覆冰的微地形微氣候區域，是冰災防治工作的難點，本文比較交直流融冰特點，提出一種適用于配網的固定式交流融冰裝置，對融冰過程中配電變壓器分流進行仿真分析，并通過試點工程應用，證實這種方法的實用性。

配網；交流融冰裝置；融冰電流；配電變壓器

2008年年初，我國南方地區遭受了嚴重的雨雪冰凍災害襲擊，此次災害影響范圍廣，持續時間長，電網系統遭受了嚴重的破壞，而其中對于配網系統的破壞更是史無前例。以國家電網公司為例，災害共造成110 kV變電站全停234座，35 kV變電站全停592座，110 kV線路故障停電 385條，35 kV線路故障停電 981條，10 kV線路故障停電13 506條，低壓線路受損 57 029 km，低壓線路倒(斷)桿262 373基。本次冰災造成國網公司農電系統損失約51.8億元，545個縣 (區)、4 470個鄉鎮累計停電臺區208 944個，涉及人口達7 000萬人〔1〕。湖南電網在歷年的冰災中損失尤為嚴重，2008年35 kV線路倒塔1 064基，變形1 005基，導線斷線或受損1 369處，10 kV線路累計倒斷桿63 036基，斷線47 898處、15 304 km，而且在之后每年的冬季覆冰期均會遭受不同程度的破壞。

目前的抗冰技術中，以電流融冰技術最為經濟有效，但主要針對主網線路，配電網線路點多面廣，線型復雜，支線眾多，所處地形和氣候條件惡劣，現有的電流融冰技術很難直接應用于配網抗冰，目前配網抗冰以人工除冰為主，效率低、安全隱患大〔2，3〕。

針對上述問題，文中通過比較交直流融冰的特點，提出了一種用于配網融冰的固定式交流融冰裝置，對交流融冰裝置實際融冰中的電流進行了仿真分析，重點考慮了融冰過程中支線對融冰電流的影響以及融冰中是否需要拉開沿線配電變壓器，并通過試點工程應用。

1 配網線路交直流融冰比較分析

配網線路的構成一般比較復雜，存在很多不同線型拼接的現象，其導線截面不等。統計湖南電網部分地區配網線路，線型主要有 LGJ－35，LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95，LGJ－120，LGJ－150，LGJ－185和LGJ－240，其中以LGJ－50，LGJ－70，LGJ－95和LGJ－120為主，尤其以LGJ－50，LGJ－70線型應用最為廣泛〔4〕。圖1所示為湖南某地區配網線路長度統計情況:

圖1 湖南部分地區配網線路長度統計分析

35 kV線路長度主要集中在10～20 km和5～10 km的范圍之內，10 kV線路主要統計主干線，長度主要集中在2～5 km和5～10 km。

針對這些線路特點，目前的配網融冰技術可分為交流融冰和直流融冰兩種方式，其原理如圖2所示。

圖2 配網交直流融冰原理比較

交流融冰一般取變電站內10 kV電源，通過調壓變壓器進行降壓，在線路末端進行三相短接，直接對三相導線同時融冰；直流融冰一般自帶發電機，通過調壓器調壓，整流部件整流，輸出的直流對三相導線進行融冰，三相融冰不能同時進行。

對幾種主要線型，進行5 km長度的交直流融冰計算，融冰電流取對應導線融冰電流范圍中間值，直流計算采用兩條線路并聯后與另一條線路串聯的接線，阻抗系數為 1.5，計算結果如表 1所示:

表1 配網線路5 km交直流融冰計算結果

直流融冰的優勢主要體現為融冰功率小，由表1可知，隨著線徑的減小，阻抗中電抗分量變小，交直流融冰的功率差別逐漸減小，應用最為廣泛的LGJ－50，LGJ－70線路尤為明顯，同時直流融冰需增加整流器等設備，建設費用更高，配網線路可優先考慮交流融冰。

2 一種配網固定式交流融冰裝置

2.1 配網固定式交流融冰裝置結構

冬季覆冰期，易覆冰的配網線路一般位于高寒山區，交通極為不便，人工除冰難度極大。針對這一問題，研制了一種農配網固定式直流融冰裝置，融冰時在線路末端進行短接，在站內進行操作，可以極大地提高除冰效率，其結構如圖3所示:

圖3 固定式交流融冰裝置結構

配網固定式交流融冰裝置安裝于變電站內，可同時對10 kV線路和35 kV線路進行融冰，融冰時電源取自變電站10 kV側，通過融冰變壓器進行降壓，融冰變壓器設置為多個檔位，根據實際線路長度、線型以及融冰電流大小，選擇相應的檔位。線路停電后，在融冰線路末端進行三相短接，合上固定式融冰裝置斷路器及刀閘，即可實施交流融冰。

2.2 配網固定式交流融冰裝置參數計算

固定式直流融冰裝置中融冰變壓器設置為多個檔位，變壓器原邊輸入電壓為10 kV，輸出電壓可根據線路長度和線型確定，下面以農網線路中最廣泛的LGJ－50和LGJ－70線型進行計算，線路長度分別取5 km(LGJ－50)和8 km(LGJ－70)，計算電壓檔位如下:

式中 I為融冰電流 (A)；r0為單位長度線路阻抗(Ω)；L為線路長度，計算結果見表2。

表2 配網線路5 km交直流融冰計算結果

根據電壓結果，可選取電壓檔位如下:針對于5 km LGJ－50線路，選擇1 800 V電壓，對應融冰電流為297 A；針對于8 km LGJ－70線路，選擇2 800 V電壓，對應融冰電流為355 A。因此針對這2條線路的融冰，融冰變壓器可選擇參數如下:輸入電壓10 kV；輸出電壓1 800 V，2 800 V。當一個變電站內有多回線路需要融冰時，綜合各條線路的融冰電壓范圍，選取合適的電壓檔位，盡量讓電壓檔位均勻分布，且檔數不要太多，部分線路由于線路較長，線路阻抗較大，可以不經過融冰變壓器，直接采用10 kV電壓進行交流融冰。

3 支線對融冰電流分流影響仿真

10 kV線路支線多，配電變壓器直接連接于線路之上，交流融冰時，配電變壓器會對融冰電流分流，最終線路末端的融冰電流會變小，若拉開全線的支線以及配變，將產生特別大的工作量。針對這一問題，采取線路阻抗分段的方法進行了帶配電變壓器融冰時的 MATLAB仿真，仿真模型如圖4所示:

圖4 支線分流仿真模型

選取仿真電壓使得電流在對應線型融冰電流范圍之內，為簡化計算配電變壓器參數以S9－100型標準參數為準，即容量為100 kVA，輸入電壓為10 kV，輸出電壓為400 V，短路阻抗為參考文獻〔5〕中對應參數，仿真分別針對拉開線路支線和不拉開線路支線進行，其中線路支線包括實際支線以及連接于主線之上的配變。采用上述模型，針對3條典型線路進行仿真，仿真結果見表3。

表3 3條典型10 kV線路拉開支線前后融冰電流仿真結果

由表3可知:

1)融冰電壓檔位較低進行融冰時，其支線拉開與不拉開情況下的電流偏差小于3%，融冰電壓檔位較高 (如10 kV)的情況下，其支線拉開與不拉開時相比可能達5%。

2)支線不拉開進行融冰時，融冰線路輸入端側線路的融冰電流較大，靠近融冰短接點處的融冰電流較小，兩者差別小于10%。支線不拉開情況下進行融冰時，靠近融冰變側的配電變壓器有可能接近額定工作狀態，故其支線電流較大；靠近短接點處的配電變壓器由于輸入電壓很低，故其支線電流很小，基本可以忽略。

3)寒松線與寒巴線相比，寒松線全線變壓器為19臺，寒巴線為7臺，因此支線拉開前后電流偏差變大，首末端電流偏差也變大。

4)小麻線采用10 kV電壓融冰，同時支線上配變特別多，靠近融冰電源點側主線上的部分配電變壓器基本工作于額定狀況，因此首末端電流偏差較大，拉開支線前后電流偏差也較大。

5)從配電變壓器分流的角度考慮，對于配變比較少的線路，可選擇不拉開配變進行融冰，對于配變較多的線路，則建議拉開線路首端一部分配變；但另一方面，融冰電壓一般比線路實際運行電壓要低很多，線路首端的配電變壓器處于低壓運行狀態，會影響用戶側的低壓旋轉電機安全運行，所以建議拉開首端配電變壓器，綜合兩部分因素，采取固定式融冰裝置進行交流融冰時，建議拉開線路從首端開始一半以上的配電變壓器，具體拉開數量可根據融冰電流大小及現場實際情況確定。

4 固定式交流融冰裝置現場應用

固定式交流融冰裝置首次應用于邵陽110 kV小沙江變電站10 kV小蘭線，線型為LGJ－95，線路長7.46 km，融冰電壓3 000 V，融冰電流350 A，融冰開始1.5 h后三相導線覆冰全部脫落。如圖5所示為融冰裝置現場和覆冰掉落瞬間。

Simulation analysis and engineering application of AC ice-melting in distribution network

ZHU Yuan1，2，ZHOU Xiudong1，2，LI Bo1，2，TAN Yanjun1，2，ZHU Siguo1，2
(1.State Grid Hunan Electric Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410129，China；2.Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing and Reducing-disaster Technology Laboratory of State Grid，Changsha 410129，China)

Distribution line is widely spread and the branch number is large and the type is complex.Many distribution lines are located in micro-topography and micro－climate area which is easy to freeze.This paper compares the characteristics of melting ice in AC/DC，puts forward a kind of suitable stationary for distribution network melting ice，then carries on a simulation analysis about the current divide of distribution transformer in the process of melting ice.And through the pilot project application，the method practicability is proved.

distribution network；AC melting device；melting current；distribution transformer

TM726

B

1008-0198(2015)06-0032-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.008

2015-04-13