交流融冰方法在粵北山區的應用研究

楊 芳，侯宇凝

（1.廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠；511518；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著電力輸電線路規模的日益擴大，線路覆冰對電力線路的安全穩定運行造成了極大干擾。覆冰嚴重會造成導線承載壓力超過極限值而引起導線斷裂。同時，由于導線覆冰舞動和導線脫冰跳躍等特殊形式的運動，會造成線路部件損壞和絕緣間隙擊穿的事故，嚴重干擾電力系統的穩定運行[1]。

2008年初，受大規模雨雪天氣的影響，南方受影響地區電力系統架空線路發生大規模斷線事故，造成了極大的經濟損失。

而粵北地區的地形比較復雜，架空線路覆冰時并不是全線都會覆冰，只有在山區線路中后段或者末端會嚴重覆冰，也就是說覆冰的不均勻性使直流融冰無法在此展開更好的應用。針對這個問題，本文提出了交流融冰的多種模式，并將融冰裝置置于履冰區，只對履冰區進行融冰，實施精準融冰。根據履冰區段的特點，選擇不同的融冰模式或多模式組合搭配，能應用在110 kV、35 kV、10 kV線路融冰，且投資少、見效快。

1 交直流融冰對比

交直流融冰的原理都是利用導線通過電流產生焦耳熱，當熱量足以維持導線表面的溫度在0 ℃以上時，導線表面的冰層會融化而脫落，從而起到融冰的作用[2]。

1.1 交流融冰技術簡介

交流短路融冰是將融冰短接線裝在輸電線路的某一點上，再通過中壓配電裝置對線路輸送融冰電流，并依靠短路電流產生的熱量融化線路上的覆冰。交流短路融冰法可以分為三相短路融冰法和兩相短路融冰法[3]。

其中，三相短路融冰法是將線路末端三相短路，然后在首端提供融冰電源，通過三相短路時的過電流發熱使導線融冰。融冰電流計算如下：

式中，I為融冰的每相電流（A）；U為首端電源的線電壓（V）；r0、x0分別為每千米的電阻和電抗（Ω/km）；L為從電源端至短路端的有效距離（km）；λ為附加阻抗系數，實際工程中可取1.03。

1.2 直流融冰技術簡介

該方法通過換流裝置把交流電源轉化為直流電源，并對覆冰線路加熱，使得線路覆冰融化，原理如圖1所示。由于直流電流在流經輸電線路上不產生無功功率且線路電阻遠遠小于電抗，因此只有換流裝置需要消耗無功。所以，對電壓等級相同的融冰電源來說，直流電源比交流電源可輸出更大的融冰電流[4]。

圖1 直流融冰原理圖

2 交流融冰的模式

2.1 直接利用10/0.4 kV配電變壓器融冰模式

由于一些線路只是在部分線段有嚴重履冰，不需進行全線融冰，可以考慮將融冰電源的電壓降至一個較低值0.4 kV，即可縮短融冰線路長度。

2.1.1 融冰模式的實施

（1）“固定臺變融冰”模式。在覆冰區首端安裝10/0.4 kV降壓配變作為融冰電源，履冰區末端將三相導線短路。為了減小冰災險惡環境下安裝作業量，將融冰電源及短路功能設置為固定裝置，即在融冰配變處安裝融冰方式轉換刀閘，三相導線短路處安裝短路刀閘，這樣融冰變在非融冰狀態時仍可作配變使用，如圖2所示[5]。融冰配變及方式轉換刀閘和短路刀閘設置于履冰區與非履冰區臨界點附近。融冰狀態的實施，如圖3所示。當需要融冰的時候，使K1斷開、K2和K3處于閉合狀態；而在非覆冰期間，開關的狀態則相反。

圖2 配變融冰安裝點示意圖

圖3 固定臺變短路融冰方式轉換圖

（2）“并聯導線+固定臺變融冰”模式。固定臺變模式融冰距離在1.1～2.1 km范圍內。為了能延長融冰距離，將融冰線路的三相導線其中兩相并聯，與另外一相組成回路，接于變壓器低壓側的兩相，使其缺相運行。并聯導線可降低阻抗，從而延長融冰距離1.33倍，融冰距離可達2～3 km。它的配變、方式轉換刀閘、短路刀閘等裝置的設置和安裝，與固定臺變融冰模式一樣。如何實現“并聯導線”融冰，即在配變低壓出線側增加一組低壓刀閘，并將其接成角形接法，如圖4所示。若要實現AB并聯與C相形成回路進行融冰，拔掉K5低壓刀閘B相刀熔，合上K3即可；若要實現AC并聯與B相形成回路進行融冰，拔掉低壓刀閘A相刀熔，合上K1即可；若要實現BC并聯與A相形成回路進行融冰，拔掉低壓刀閘B相刀熔，合上K2即可。

（3）“配變雙向融冰”模式。若融冰變壓器處于環網供電線路上，即配變雙向均有電源。在上述兩模式下，將配變高低壓側導線對調就能實現雙向融冰，融冰距離相應增加2倍，如圖5所示。

圖4 “并聯導線+固定臺變融冰”模式示意圖

圖5 “配變雙向融冰”模式示意圖

2.1.2 本融冰模式的優缺點

優點是利用已運行的普通變壓器，不需要任何改裝，不需要增加費用，就可以進行交流融冰，只是在設定的位置安裝短路刀閘[6]。解決配變融冰前，不用安裝融冰變和三相短接作業量，降低了作業風險和耗時；解決配變融冰時，不用全線停電，減少了停電范圍；對已安裝有分支斷路器或其他開關的10 kV支線進行交流融冰時，不需要停T結的主干線。缺點是融冰距離短，只有1.1～5.6 km，不能連續可調。但是，履冰區在5 km范圍內時，這種模式的優點特別明顯。融冰裝置設置于履冰區內融冰，能實現精準融冰，減輕作業量，投資少，實用性強。

2.1.3 本融冰模式的選擇

利用10/0.4 kV降壓配變作為融冰電源，融冰距離如表1所示。融冰時首先考慮最大允許截面電流，設定融冰電流I的范圍，依據導線復阻抗推算出融冰距離，即：

ρ可查表得出或以導線幾何均距計算得出，再依融冰電流計算得融冰容量：

常用單導線融冰距離詳見表1。

2.2 10 kV專用降壓變壓器融冰模式

上述直接利用10/0.4 kV配電變壓器融冰模式，融冰距離在1.1～5.6 km范圍內。為進一步延長融冰距離，可提高融冰電壓。

2.2.1 本融冰模式的實施

將10 kV降壓變壓器的二次側電壓改造為2.0 kV、1.8 kV、1.6 kV、1.4 kV、1.2 kV電壓等級作為融冰電源，分五檔以提高融冰變壓器的應用范圍。保留0.4 kV，在非融冰狀態時仍可作配變使用，融冰距離在3.59～10.8 km，具體如表2所示[7]。它的配變、方式轉換刀閘、短路刀閘等裝置的設置和安裝與固定臺變融冰模式一樣，同樣可進行“并聯導線”和“雙向”融冰，這里不做復述。

表1 0.4 kV配變交流融冰距離一覽表

2.2.2 本融冰模式的優缺點

將降壓變壓器的二次側電壓設置為2.0 kV以下，是考慮了融冰變戶外安裝方便、電壓過高、容量大、體積大且笨重，不便戶外安裝。另外，2.0 kV以下有五個檔位，基本履蓋了融冰距離要求。同時，考慮對線路施加電壓小于5 kV時，可以不斷開配變進行融冰，以減少操作量和停電范圍。若不考慮融冰變戶外安裝，融冰電壓可設置在5 kV以內。本模式具有20/0.4 kV配電變壓器融冰模式所有優點，同時融冰距離較長，可達11 km，且融冰距離在一定范圍內可調。缺點是履冰區大于11 km時無法融冰，但履冰區在11 km內時優點明顯、投資少。

2.2.3 本融冰模式的選擇

履冰區在11 km內時優先選擇本模式，融冰時首先考慮最大允許截面電流，設定融冰電流范圍，依據導線復阻抗推算出融冰距離，再依融冰電流計算得融冰容量。融冰距離計算與選擇同上述一致，表2為選擇參考。若利用本模式融電壓等級超10 kV的主網線路，則在融冰變和短路刀閘前安裝主網線路額定電壓的隔離刀閘即可。這樣既保證了融冰裝置在主網線路運行時不受影響，又保證了融冰時不用安裝融冰裝置的作業量，降低了作業風險和耗時。

表2 10 kV降壓專用融冰變壓器融冰距離一覽表

2.3 直接利用10 kV電源進行交流融冰模式

上述兩種融冰模式，融冰距離限制在11 km內。本模式是直接取10 kV交流電源作為融冰電源，將10 kV電壓加在融冰線路上，在適當的位置安裝三相短路裝置。其他與配變融冰一樣，融冰距離的計算與上述一致，表3為選擇參考。

2.4 就地利用小水電電源進行交流短路融冰模式

上述三種融冰模式前提是必須有電源提供。本模式就地利用小水電電源作為融冰電源，其原理與上述一致。小水電電源接入方式有幾種。粵北山區小水電裝機容量較小，一般采用發電機升壓零起升流融冰，即指將發電站升壓變接入，高壓側線路的末端三相短路，低壓側由發電機零起升流作為融冰電源。在融冰線路、發電機、升壓變連成電氣回路的狀態下，通過緩慢增加發電機勵磁電流逐步提高線路電流至一定數值，從而令線路發熱融冰。此融冰方式適用于有聯接小水電的35 kV、10 kV線路融冰，融冰距離決定于融冰電壓和水電機組容量，計算方法與上述一致，升流大小和速度可控。

表3 10 kV交流短路融冰距離一覽表

3 交流融冰模式的選擇應用

冰災來襲，單一的固定式直流融冰模式不能滿足要求。一是固定式直流融冰能耗太大不能滿足多條線路同時融冰；二是固定式直流融冰慢不能滿足融冰的速度要求。因此，如何利用現有的資源選擇不同的融冰模式顯得尤為重要。

根據履冰區的分布情況，選擇接近中心位置的變電站作為融冰中心站。依據網絡結構和履冰區離中心站距離，確定是否設置固定式融冰裝置。若線路的履冰區離中心站距離大于40 km且與相鄰變電站距離大于40 km，可選擇安裝固定式直流融冰裝置。若線路的履冰區離中心站距離小于40 km且履冰區占全線長度的30%以上，可選擇直接利用變電站10 kV電源進行交流融冰，不用安裝專用的融冰電源裝置，在變電站設置方式轉換裝置即可。若線路的履冰區離中心站距離小于40 km且履冰區占全線長度的30%以下，變電站內可不設融冰裝置，將融冰裝置置于線路履冰段，實施精準交流融冰。當融冰中心站容量不足時，可選擇精準交流融冰模式作為補充，也可利用附近小水電站作為融冰電源，彌補容量不足的缺口。綜上所述，多模式并舉，充分利用現有資源解決問題，節省融冰投資，同時方便了融冰的實施。

若線路履冰區在表1數據以內，可選擇固定式配電變壓器融冰模式，依據不同的導線線徑選擇計算融冰距離，也可采用“并聯導線+固定臺變融冰”模式，在配電變壓器融冰基礎上延長融冰距離1.33倍。若有雙向電源供電可選擇雙向融冰模式，融冰距離可再增加2倍[8]。具體參照表1。

若線路履冰區在表2數據以上且在40 km內，同時履冰區占全線長度的30%以上，即選擇10 kV電源進行交流融冰模式，具體參照表3。

若線路履冰區在表2數據以內且只有一段履冰區，同時履冰區占全線長度的30%以下，如圖6所示。若89#～108#為履冰區，則選擇此方案。在履冰區與非履冰區臨界點附近選擇111#桿安裝10 kV降壓專用融冰變壓器，90#桿安裝短路刀閘，由110 kV站側向線路施加10 kV交流電壓進行融冰。

若一回主網線路有兩個履冰區且履冰區均在表2數據以內，同時履冰區占全線長度的30%以下，如圖7所示。若89#～108#和62#～78#為履冰區，則選擇此方案。在履冰區與非履冰區臨界點附近選擇83#桿安裝10 kV降壓專用融冰變壓器，61#桿安裝短路刀閘，由110 kV站側向線路施加10 kV交流電壓，融62#～78#段的履冰。在112#桿安裝短路刀閘，由35 kV站側向線路施加10 kV交流電壓，融89#～108#段的履冰。

圖6 線路單履冰區示意圖

圖7 線路雙履冰區示意圖

若融冰中心站附近有合適的小水電站或者履冰線路有聯接小水電站，可采用小水電交流短路融冰模式。融冰距離和容量計算，與上述一致。

4 結 論

本文所述的交流融冰具有6個優點：

（1）投資少，即利用已運行的普通變壓器，不需要任何改裝，不需要增加費用，就可以進行交流融冰，在設定的位置安裝短路刀閘即可；

（2）便利快捷，即解決配變融冰前，不用安裝融冰變和三相短接作業量，降低作業風險和耗時；

（3）操作量少，降低冰災天氣的作業風險，即解決配變融冰時不用全線停電，減少停電范圍；對已安裝有分支斷路器或其他開關的支線進行交流融冰時，不需要停T結的主干線；

（4）將融冰裝置設置于履冰區內，只對履冰段進行融冰，實施精準融冰，大大降低融冰能耗；

（5）將融冰裝置設置于履冰區與非履冰區臨界點附近，避免冰凍天氣開關設備凍結難操作；

（6）出現冰災變電站融冰裝置“忙不過來”或容量不足時，用交流變壓器融冰或小水電站融冰作為直流融冰的補充，既可用于配網，又可用于主網，有良好的經濟性和實用性。

交流電有“集膚”效應，履冰正好在導線表面，故交流融冰發熱效率高。“集膚”效應與頻率有關，基于這點交流融冰可應用于地線融冰和OPGW光纜融冰。采用交流變頻融冰可設置在諧振點融冰，以降低線路阻抗，增強“集膚”效應[9]。融冰裝置的接入方式與配網一致，將融冰裝置置于履冰區與非履冰區臨界點附近，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，作業量少、風險低，投資和維護量也少，有較大的應用前景。