安徽地區超高壓輸電線路融冰技術方案分析

高 燃，楊 兵，于和林，趙曉山，束 暢，王法治

(國網安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

安徽地區超高壓輸電線路融冰技術方案分析

高 燃，楊 兵，于和林，趙曉山，束 暢，王法治

(國網安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

安徽地區氣候多變，存在形成輸電線路覆冰的條件。介紹了當前國內輸電線路融冰技術的現狀，闡述了各種融冰技術的原理，分析了不同融冰技術的優劣和適用條件，得出基于固定式直流融冰技術的固定式可控硅整流兼具SVC功能的直流融冰裝置，較為適合目前安徽地區的超高壓輸電線路融冰的結論。

覆冰；交流融冰；直流融冰；超高壓電網

0 引言

架空輸電線路覆冰災害是電力系統重大自然災害之一。覆冰會造成電力線路機械荷載過載、絕緣子閃絡、導線舞動、桿塔倒塌、線路跳閘，甚至引起電網瓦解的嚴重事故。國內外的融冰方法很多，從原理上可以分為熱力融冰、機械除冰和自然除冰。超高壓輸電線路由于跨越距離遠、線路弧垂大、線路所在地區地形復雜等原因，使得機械除冰和自然除冰很難進行。因此，國內的長距離輸電線路普遍采用熱力融冰的技術，即利用焦耳效應，通過電流加熱覆冰導線實現除冰的技術。以下介紹常用熱力融冰技術，通過闡述其原理，比較其優劣和適用條件，選擇出適用于安徽地區超高壓輸電線路的融冰技術方案。

1 交流融冰技術分析

交流融冰是采用交流電流產生的熱量融化線路覆冰的技術。交流融冰技術可以分為交流帶負荷融冰和交流短路融冰2類。

1.1 交流帶負荷融冰

常用的交流帶負荷融冰有調度過電流融冰、無功電流融冰、移相變壓器融冰、高頻高壓激勵融冰4種，以下逐一進行介紹。

(1) 調度過電流融冰。調度過電流融冰是在保持線路運行的情況下，通過科學合理的規劃制定調度方案，通過轉移改變線路上的潮流，達到增大覆冰線路上負荷從而實現融冰的目的。但是，由于500 kV線路融冰電流較高，如典型的LGJ－4×400四分裂導線的臨界融冰電流在3 300 A左右，利用調度調整難以達到，因此該方式一般用于220 kV及以下的電網。

(2) 無功電流融冰。在不改變負荷的情況下，將線路兩端分別用并聯電抗器和電容器來增加無功電流，以此來發熱融冰。例如，在電源端裝設補償電容器作為無功電源，在線路負荷端裝設可調電感調節無功功率。增大線路的無功電流使線路發熱，達到融冰目的。但是電網無功功率的流向復雜，以目前的技術難以很好地控制；同時，該方法對系統穩定影響較大，故很少使用。

(3) 移相變壓器融冰。在平行雙回線路的一回路中接入移相變壓器，通過改變移相角度，改變兩回線中潮流分布，增加其中一回線路的電流，從而達到融冰的目的。但是此方法操作過程中增加了系統對無功的需要，會對系統安全造成一定的影響。

(4) 高頻高壓激勵融冰。冰的導電性能很差，但是在高頻電流下，冰是一種有損耗的電介質，可以產生焦耳熱。高頻高壓激勵融冰就是使用高壓高頻電流，利用集膚效應使其在覆冰表面流通，使覆冰本身發熱從而消融。但是由于高頻電磁波會干擾通信、產生諧波，而且覆冰較薄的導線會產生電暈放電現象，削弱高頻波的傳播，阻止功率到達覆冰較厚的區域等原因，高頻高壓激勵融冰法的應用受到了一定限制。

1.2 交流短路融冰

交流短路融冰法是通過合理安排交流三相線路的短路方式，將融冰線路的一端三相短路，在另一端提供融冰電源，以較大短路電流(控制在導線最大容許電流范圍以內)加熱導線，使依附在導線上的冰融化。在實際融冰工作中有零起升流融冰法和全電壓沖擊合閘融冰法。

(1) 零起升流融冰。零起升流融冰法一般先將線路短路，由發電機和變壓器帶線路零起升流，或者由發電機直接帶線路零起升流。前者因為折算到發電機側的電流較大，需要的發電機容量大，很難操作；后者的短路電流較小，不易達到融冰電流，因此零起升流融冰法只適合于融冰電流較小的輸電線路，500 kV線路不適合該方法。

(2) 全電壓沖擊合閘融冰。全電壓沖擊合閘融冰是根據融冰電流及短路電流大小選取合適的短路回路阻抗進行融冰。由于這種方法對系統沖擊較大，可能影響電網穩定，因此關鍵技術點是維持正常運行電壓水平。采用全電壓沖擊合閘融冰需要同時滿足2個條件：一是系統需要能夠提供高于臨界融冰電流的短路電流；二是電網需具備一定無功儲備。所以通常采用低一級的電壓對高一級的線路實施該方法。對于需要融冰電流很大且同時需要系統提供大量無功的500 kV輸電線路，以及采用大截面分裂導線的220 kV輸電線路，因系統無法提供融冰所需無功功率，均不適合使用該方法。

2 直流融冰技術分析

2.1 直流融冰原理

直流融冰是將交流電源通過大容量電力電子設備轉化為直流，進而加熱一定長度的覆冰線路達到融冰的目的。當高壓輸電線路直流電流產生的熱量大于導線散熱量和融冰熱量之和時，高壓輸電線路覆冰就會融化，直流融冰系統如圖1所示。

直流融冰在裝置上可分為固定式直流融冰裝置和移動式直流融冰裝置2類，在整流方式上可分為晶閘管可控硅整流和二極管不控整流2種。固定式直流融冰裝置由變電站提供電源，主要由換流變壓器、整流器、濾波器以及控制保護設備等組成。有的直流融冰裝置還兼具SVC(高壓靜止式動態無功補償)功能。移動式融冰裝置的基本原理同固定式融冰裝置相同，唯一的區別是移動式的融冰裝置較固定式體積小，能夠用平板車拖動。

圖1 直流融冰系統示意

當融冰電源由系統提供時，覆冰線路通過換流變壓器T、整流器R接入交流系統，其原理圖如圖2所示。由于是三相線路覆冰，因此覆冰線路有2種接線方式，如圖2(a)和圖2(b)所示。圖2(a)所示的直流融冰方式I是將覆冰線路A，C兩相末端短接，再將A，C兩相接入整流器的2個輸出端，該融冰方式可以同時對A，C兩相進行融冰。圖2(b)所示的直流融冰方式Ⅱ是將覆冰線路A，B，C三相末端短接，A，B兩相導線并接后接入整流器的一個輸出端，并將C相導線接入整流器另一個輸出端，該接線方法只可對C相單相進行融冰。因此三相線路融冰可按照直流融冰方式Ⅱ，三相分3次融冰；也可以按照直流融冰方式I先對兩相線路進行融冰，再按照直流融冰方式Ⅱ對另外一相覆冰線路進行融冰，因此只需2次。

2.2 直流融冰裝置設計原則

在一定的環境條件下，直流融冰所需要的整流器容量取決于需要融冰線路的導線截面及導線長度。直流融冰方案從技術上可適應于各級電壓等級的不同導線截面的線路。因此，根據不同的應用條件可以采用不同形式、不同容量的直流融冰裝置，具體如下。

(1) 對于500 kV交流線路，在中心變電站安裝固定式直流融冰裝置，以連接500 kV交流線路進行融冰。

(2) 對于220 kV和110 kV交流線路，根據各區域交流線路長度和導線截面的統計情況，優化后配置幾種型號的站間移動式融冰裝置。

(3) 2 MW發電車移動直流融冰裝置重量太重、體積太大，適用性不強，但特殊情況下，可以考慮在35 kV及以下交流線路中使用。

圖2 直流融冰原理

2.3 直流融冰的優點

(1) 直流融冰所需電源容量比交流融冰小的多，考慮損耗和轉換效率，直流融冰所需容量是交流融冰所需系統容量的1/5左右。

(2) 直流融冰所需電壓遠低于交流融冰，從而降低了融冰時覆冰絕緣子閃絡的可能性。

(3) 由于直流電壓和電流僅跟線路的電阻有關，線路在直流融冰時，不需要系統提供大量無功，不影響系統穩定性，因此直流融冰可應用于長距離、多分裂導線的超高壓輸電線路上。

2.4 SVC直流融冰的實用性

由于冰災持續時間短、發生頻度小，若直流融冰設備僅作為融冰裝置使用，則造成了設備資源的閑置、浪費。但若采用具備SVC裝置的直流融冰裝置，在輸電線路沒有融冰需求時，可將其作為動態無功補償裝置使用，功能相當于常規的SVC裝置，為系統提供動態無功支撐，降低阻尼系統低頻振蕩，提高系統穩定極限和輸送能力。此外，SVC直流融冰裝置可結合現場線路類型、覆冰狀況、氣象條件等因素，通過控制晶閘管閥組觸發角，控制直流融冰電流，以維持線路穩定的最佳融冰溫度。因此，SVC直流融冰裝置對不同長度、不同類型線路適應性較好，并且兼容了SVC功能，提高了設備的使用效率。

2.5 直流融冰的不足

國內主網線路融冰方案體系的建設，特別是直流融冰的廣泛應用，能基本解決主網線路的融冰問題，但仍存在以下問題。

(1) 對于近幾年出現的大截面導線，因其融冰需要提供較大的融冰電流，目前仍有部分線路沒有合適的融冰方案。

(2) 固定式直流融冰裝置過于龐大，而移動式直流融冰裝置體積也較大，使用時也不便移動，無法覆蓋多個廠站，無法有效應對大規模覆冰災害。

3 安徽超高壓線路融冰方案

根據以上分析，由于交流帶負荷融冰方式的融冰電流不足，同時交流短路融冰對系統影響較大且需要大容量的無功功率，故不適應于500 kV交流超高壓線路的融冰。對于直流融冰，由于安徽地區每年的覆冰災害在可預測范圍內且相對穩定，同時覆冰點相較湖南、湖北等地區較少，故固定式直流融冰完全能夠滿足安徽地區的融冰需要，且移動式直流融冰裝置容量有限，無法兼作SVC作為系統的無功補償，故選擇固定式可控硅整流兼具SVC功能的直流融冰裝置作為安徽地區超高壓輸電線路的融冰技術方案。

目前安徽地區的首臺超高壓線路融冰裝置已開始動工建設。該裝置采用直流六脈動晶閘管可控硅整流，同時兼具SVC功能，為無換流變TCR型兼作SVC的固定式直流融冰裝置。其融冰額定輸出容量80 MW，額定輸出直流電壓20 kV，電壓輸出范圍1-25 kV，額定直流電流4 000 A，直流電流輸出范圍500-4 000 A；其SVC模式的輸出無功范圍為-120 Mvar(感性)至+180 Mvar(容性)，且對系統無諧波影響。此裝置建成后，將為安徽地區超高壓線路的覆冰災害治理提供技術保證。

1 鄧萬婷，江 濤，何 清.輸電線路除(融)冰技術可行性比較[J].湖北電力，2009，33(1)：6-8.

2 申屠剛.電力系統輸電線路抗冰除冰技術研究進展綜述[J].機電工程，2008，25(7)：72-75.

3 吳元華.輸電線路覆冰的潛在危害及對策研究[J].江蘇電機工程，2008，27(6)：18-2l.

4 中國南方電網公司.電網防冰融冰技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

5 黃新波，劉家兵，蔡 偉，等.電力架空線路覆冰雪的國內外研究狀況[J].電網技術，2008，32(4)：23-28.

6 李澍森，左文霞，石延輝，等.直流融冰技術探討[J].電力設備，2008，9(6)：20-23.

7 胡 毅.電網大面積冰災分析及對策探討[J].高電壓技術，2008，34(2)：215-219.

8 陳玉珊.各種短路手段在融冰工作中的應用[J].華中電力，2008，21(4)：29-42.

9 倪喜軍，趙劍鋒，楊 銘，等.基于高頻諧振集膚電流法的線路除冰研究[J].電力系統自動化，2008，29(2)：6-9.

10 王守禮.云南高海拔地區電線覆冰問題研究[M].昆明：云南科技出版社，1993.

11 覃 暉，鄧 帥，黃 偉，等.南方電網輸電線路融冰措施綜述[J].電力系統保護與控制.2010，38(24)：232.

2015-12-06；

2016-06-01。

高 燃(1988-)，男，工程師，主要從事變電檢修方面的工作，email：2896006619@qq.com。

楊 兵(1984-)，男，工程師，主要從事變電運維工作。

于和林(1981-)，男，本科，主要從事繼電保護檢修工作。

趙曉山(1980-)，男，本科，主要從事變電檢修及相關工作。

束 暢(1987-)，男，工程師，主要從事變電檢修及相關工作。

王法治(1989-)，男，工程師，主要從事輸電檢修及相關工作。