湖南電網(wǎng)融冰裝置配置方案研究

方昀暉，周秀冬，朱遠，劉小芳，黃清軍

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007) (2.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410129)

湖南電網(wǎng)融冰裝置配置方案研究

方昀暉1，周秀冬2，朱遠2，劉小芳2，黃清軍2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007) (2.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410129)

總結(jié)目前湖南電網(wǎng)在融冰裝置配置方面存在的主要問題，提出了適用于湖南省電網(wǎng)融冰裝置配置的目標與技術(shù)原則，結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、融冰裝置特點，制定了融冰裝置配置規(guī)劃的方法、步驟，提出了湖南電網(wǎng)融冰裝置配置方案，可科學(xué)經(jīng)濟地提高電網(wǎng)運行水平。

電網(wǎng)；融冰裝置；配置方案

湖南由于特殊的地形極利于冷空氣的侵入，易形成低溫、降水等雨凇覆冰最有利的氣候條件，是國內(nèi)覆冰最嚴重的地區(qū)之一。2005年和2008年春節(jié)前后，湖南省出現(xiàn)了兩次大范圍雨雪冰凍天氣，造成大量線路跳閘、倒桿斷線，湖南電網(wǎng)遭受了嚴峻的威脅。特別是2008年，湖南省電力設(shè)施大面積覆冰，衡陽、郴州等城市發(fā)生大面積停電〔1－2〕，京廣電氣化鐵路中斷多日，冰災(zāi)給湖南電網(wǎng)造成的直接財產(chǎn)損失達數(shù)十億元。

對輸電線路采取提高設(shè)計冰厚來提高抗冰強度，投資巨大。目前輸電線路防覆冰以融冰為主，主要分為交流融冰和直流融冰。湖南電網(wǎng)采取的融冰方式主要有中低壓交流融冰 (10 kV或35 kV電源)、高壓交流融冰 (110 kV電源)和直流融冰。

為提高湖南電網(wǎng)抵御冰雪災(zāi)害能力，防止輸電線路的覆冰倒桿斷線事故的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，同時大大降低電網(wǎng)建設(shè)成本，研究湖南電網(wǎng)輸電線路融冰裝置的配置方案，具有非常重要的意義。

1 湖南電網(wǎng)融冰裝置配置現(xiàn)狀

中低壓交流融冰和高壓交流融冰只需提供對應(yīng)的融冰電源點，不需額外配置融冰裝置，但其存在融冰無功消耗大、倒負荷繁瑣、融冰效率低等一些不足之處，不宜采用交流融冰的線路，應(yīng)盡量配置直流融冰裝置。

截至2015年底，湖南電網(wǎng)在郴州、永州等重冰區(qū)共配置了30套直流融冰裝置〔3〕，可對426條110 kV及以上線路進行融冰。其中固定式直流融冰裝置11套，可對17條500 kV線路、92條220 kV線路、98條110 kV線路進行融冰。固定式直流融冰裝置利用站內(nèi)固定設(shè)備，從融冰間隔取電源，對其進行變壓整流后，將直流電流輸入到線路，在線路末端進行三相短接融冰。移動式直流融冰裝置19套，可對4條500 kV線路、150條220 kV線路、71條110 kV線路進行直流融冰。移動式直流融冰裝置采用車載式融冰平臺，通過變壓整流將交流轉(zhuǎn)換為直流后接入線路，在線路末端進行三相短接實現(xiàn)融冰〔4－5〕。

配置的直流融冰裝置可對線路進行高效融冰，但是湖南電網(wǎng)直流融冰裝置配置還存在以下問題:

1)目前湖南電網(wǎng)融冰直流裝置主要集中在重冰區(qū)220 kV及以上線路，中冰區(qū)的融冰裝置很少。

2)由于配電網(wǎng)一直存在建設(shè)資金不足的問題(尤其是各郊區(qū)和市縣)，中低壓配電網(wǎng)投資速度跟不上負荷增長的需要，造成中低壓配電網(wǎng)融冰裝置配置少，難以抵抗大型冰災(zāi)。

3)部分微地形、微氣象〔5〕地區(qū)覆冰情況規(guī)律不明晰或資料掌握不齊全，導(dǎo)致融冰裝置容量不足。一旦出現(xiàn)極端覆冰天氣，融冰裝置效率不能滿足運行需要。例如郴州220 kV城前嶺變，融冰裝置最大輸出電壓為3 000 V，每次需花3～4 h才能對覆冰8 mm的高鐵牽引站供電線路北用線進行融冰，融冰效率低。

4)變電站內(nèi)融冰裝置設(shè)備多，影響設(shè)備正常運行的因素復(fù)雜，尤其是在雨雪冰凍災(zāi)害嚴重的山區(qū)，融冰裝置的運行環(huán)境條件相對惡劣，運行維護工作量大，需要投入一定的資源方可保證設(shè)備的完好率和可投運率。

5)受制于環(huán)保及空間限制，變電站建設(shè)遵循智能化、集約化發(fā)展，使得可供建設(shè)融冰裝置的空間越來越少，給融冰裝置配置帶來新的問題。

2 融冰裝置配置目標和技術(shù)原則

為實現(xiàn)湖南電網(wǎng)融冰措施的快速有效，需要在各級電網(wǎng)中配置不同容量、不同融冰能力的融冰設(shè)備，以滿足不同程度電網(wǎng)冰凍災(zāi)害下電網(wǎng)的融冰需要。電網(wǎng)融冰裝置配置的基本要求是在分析輸電線路覆冰厚度、融冰裝置融冰特性的基礎(chǔ)上，合理配置融冰裝置，以實現(xiàn)電網(wǎng)的快速高效融冰，提高電網(wǎng)抵御雨雪冰凍災(zāi)害的能力。

2.1 配置目標

1)覆冰厚度超過設(shè)計冰厚的已建線路。重要線路融冰覆蓋率達到100%，一般線路融冰覆蓋率超過70%。

2)新建線路。結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟比較，降低了設(shè)計冰厚的線路，融冰覆蓋率達到100%。

2.2 技術(shù)原則

結(jié)合湖南省氣象條件、電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的特點和融冰裝置的要求，融冰裝置配置的技術(shù)原則如下〔6〕:

1)500 kV新建線路以抗為主、融為輔，已建線路覆冰厚度超過設(shè)計冰厚時，配置融冰裝置。

2)220 kV，110 kV新建線路采取 “融、抗結(jié)合”的原則，適當(dāng)降低設(shè)計冰厚，配置融冰裝置，已建線路覆冰超過設(shè)計冰厚時，配置融冰裝置。

3)500 kV線路不宜采用交流融冰，優(yōu)先采用固定式直流融冰，220 kV，110 kV線路優(yōu)先采用中低壓交流融冰，其次采用直流融冰。

4)變電站有5回及以上覆冰嚴重的線路、或有重要線路且覆冰較為嚴重時，配置固定式融冰裝置；其他情況配置移動式融冰裝置。

3 融冰裝置配置思路

通過統(tǒng)計覆冰厚度超過設(shè)計冰厚的已建線路和需降低設(shè)計覆冰厚度的新建線路，結(jié)合其覆冰程度和重要程度，按照 “先中低壓交流融冰，后直流融冰”的總體思路，結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃，利用現(xiàn)有的融冰技術(shù)手段，規(guī)劃湖南主電網(wǎng) “十三五”融冰裝置的配置，使其與電網(wǎng)發(fā)展相協(xié)調(diào)，以提高電網(wǎng)的建設(shè)經(jīng)濟性，并保障其安全穩(wěn)定運行。

4 融冰裝置配置流程與方法

4.1 線路統(tǒng)計分析

收集湖南省每一條線路的冬季覆冰情況，通過對線路的設(shè)計冰厚和歷史覆冰厚度數(shù)據(jù)進行比較，初步確定超過設(shè)計冰厚的已建線路和需降低設(shè)計覆冰厚度的新建線路。

4.2 線路重要程度分級

根據(jù)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和線路所供負荷的重要性，將輸電線路的重要程度進行如下分級:

1)特級線路:500 kV及以上線路、直流線路、220 kV戰(zhàn)略保電通道、地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線路、高鐵供電線路。

2)一級線路:其他220 kV線路、110 kV戰(zhàn)略保電通道、縣城、電鐵供電線路。

3)二級線路:其他110 kV線路。

4)三級線路:35 kV線路。

確定線路重要程度分級后，還需對電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定水平及供電能力進行校核與評估，明確電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束條件，查找湖南電網(wǎng)中的關(guān)鍵斷面，對特級線路和一級線路的融冰方法核算并留有適當(dāng)裕度。

4.3 融冰方法核算

根據(jù)交流融冰方法的可融長度范圍，線路中統(tǒng)計出湖南電網(wǎng)110 kV及以上各類電壓等級可以采用交流融冰方法的線路 (不考慮串聯(lián)3回及以上或短路點設(shè)在線路中間的線路)和不能采用交流融冰方法的線路，根據(jù)不能采取交流融冰方法的線路，核算直流融冰所需的融冰功率。

1)融冰電流和融冰時間的計算。基于融冰過程焦耳熱消耗于吸收潛熱、冰層熱傳導(dǎo)、冰層輻射和冰層加熱，結(jié)合融冰線路的阻抗，為彌補傳熱計算中產(chǎn)生的誤差而留有適當(dāng)?shù)脑６?，計算融冰過程電流的大小和時間。

2)融冰導(dǎo)線最高溫度和最大允許電流計算。由于融冰過程中導(dǎo)線的最高溫度取決于焦耳熱與導(dǎo)線對冰層的傳熱速率。通過建立導(dǎo)線—冰層傳熱穩(wěn)態(tài)模型，計算融冰導(dǎo)線最高溫度和最大允許電流。

3)選擇導(dǎo)線直流融冰裝置額定容量。結(jié)合融冰功率核算結(jié)果，考慮到變電站出線長度變化范圍較大，選擇220 kV直流融冰裝置的額定容量為25 MW，500 kV直流融冰裝置的額定容量為80 MW。

4)根據(jù)計算結(jié)果，給出線路融冰裝置初步配置方案。

4.4 融冰裝置配置

綜合考慮湖南 “十三五”電網(wǎng)規(guī)劃、線路覆冰情況及抗冰能力，湖南電網(wǎng)所有新建變電站均建設(shè)中低壓交流融冰電源，現(xiàn)有的110 kV高壓交流融冰電源作為備用方案，原則上不考慮建設(shè)110 kV高壓交流融冰電源。所有中低壓交流融冰電源和變電站同步設(shè)計、同步建設(shè)。

1)直流融冰需求分析。針對交流融冰方法(不計串聯(lián)3回及以上或短路點設(shè)在線路中間的情況)覆蓋不到的線路，分區(qū)進行需求分析，作為直流融冰規(guī)劃的重要依據(jù)。

2)直流融冰裝置配置。根據(jù)以上直流融冰需求分析，若全部按期實施，無論時間還是資金方面均有難度，另外從直流融冰裝置的技術(shù)完善、技術(shù)升級等方面考慮，也不宜一氣呵成。因此，2020年前湖南主電網(wǎng)考慮優(yōu)化配置直流融冰裝置，并分年度循序漸進實施。

根據(jù)布點規(guī)劃以及合理配置后，在覆冰較嚴重或線路較多的變電站，考慮配置固定式直流融冰裝置。綜合分析固定式的覆蓋范圍后，另在湖南省適當(dāng)補充配置幾套移動式直流融冰裝置，以滿足湖南省的融冰需求。融冰裝置配置實施時，有限進行對“十二五規(guī)劃”中未完成的融冰裝置配置，重點考慮永州、懷化、湘西等地區(qū)。

5 結(jié)論

1)2008年南方電網(wǎng)冰災(zāi)后湖南電網(wǎng)建立了一系列融冰體系，每年防凍融冰期間在提高電網(wǎng)抵御冰災(zāi)的能力方面發(fā)揮了重要作用，但是在微地形、微氣象區(qū)域還需進一步加強配置規(guī)劃。

2)湖南電網(wǎng)易遭受冰災(zāi)的侵襲，科學(xué)合理地配置融冰裝置配置可降低線路投資成本。重要線路融冰覆蓋率應(yīng)達到100%，一般線路融冰覆蓋率宜超過70%，降低了設(shè)計冰厚的新建線路，融冰覆蓋率應(yīng)達到100%，以最大限度地保障電網(wǎng)安全。

3)文中提出的湖南電網(wǎng)融冰配置方案能充分考慮電網(wǎng)重要網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和線路覆冰風(fēng)險予以重點防護，結(jié)合固定式融冰裝置的融冰能力和移動式融冰裝置的經(jīng)濟性、靈活性，既能保住電網(wǎng)運行底線，又能最大限度減少冰凍災(zāi)害造成的停電損失，是應(yīng)對極端冰凍災(zāi)害的有力措施。

〔1〕陸佳政，蔣正龍，雷紅才，等.湖南電網(wǎng)2008年冰災(zāi)事故分析〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(11):16-19.

〔2〕侯慧，尹項根，陳慶前，等.南方部分500 kV主網(wǎng)架2008年冰雪災(zāi)害中受損分析與思考 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2008，32 (11):12-15.

〔3〕國網(wǎng)湖南省電力公司.2015—2016年度湖南電網(wǎng)主網(wǎng)線路融冰方案 〔R〕.2015

〔4〕陸佳政，朱思國，李波，等.可減小輸入側(cè)諧波及輸出電壓可調(diào)的融冰裝置 〔J〕.高電壓技術(shù)，2013，39(005):1 225-1231.

〔5〕方針，陸佳政，張紅先，等.基于12脈波的固定式直流融冰裝置在城前嶺變電站的應(yīng)用 〔J〕.湖南電力，2009，29(5): 30-31，47.

〔6〕張弦.輸電線路中微地形和微氣象的覆冰機制及相應(yīng)措施〔J〕.電網(wǎng)技術(shù).2007，31(增2):87-89.

〔7〕國家電網(wǎng)公司.輸電線路電流融冰技術(shù)導(dǎo)則:Q/GDW 716—2012〔S〕.北京:2012.

Study on configuration scheme for deicer of Hunan power grid

FANG Yunhui1，ZHOU Xiudong2，ZHU Yuan2，LIU Xiaofang2，HUANG Qingjun2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha 410129，China)

The primary existing problems in configuration scheme for deicer of Hunan power grid are summed up in the paper. The goal and technological principles configuration for deicer are put forward.Combined with the characters of power grid structure in Hunan and the main technological parameters of deicer，the method and steps of configuration for deicer are established，then the configuration scheme of for deicer is put forward，which can improve the secure operation level in power system scientifically and effectively.

power system；deicer；configuration scheme

TM752.5

B

1008－0198(2016)06－0037－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.010

2016－03－24