超高壓輸電線路中直流融冰技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究

馬 杰

（寧夏電力有限公司建設(shè)分公司）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)也愈加龐大。在超高壓輸電線路建設(shè)中，會(huì)經(jīng)過自然環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，時(shí)常會(huì)受到極端天氣的負(fù)面影響，如果遇到雨雪天會(huì)導(dǎo)致超高壓輸電線路覆冰，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。特別是近些年我國南方地區(qū)頻繁發(fā)生雪災(zāi)，再加上南方地區(qū)冬季少雪，很多區(qū)域并沒有設(shè)置預(yù)防冰雪災(zāi)害的措施，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。一旦發(fā)生覆冰災(zāi)害僅憑人工搶修方式難以保證效率，影響電力恢復(fù)時(shí)間。近些年，電力行業(yè)大力發(fā)展輸電線路融冰技術(shù)，特別是直流融冰技術(shù)的出現(xiàn)，在很大程度上解決了超高壓輸電線路覆冰問題。

1 超高壓輸電線路融冰技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國電力系統(tǒng)線路除冰主流方法有三種：（1）熱力融冰。通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能實(shí)現(xiàn)冰層加熱融化；（2）機(jī)械融冰。通過將電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，如電磁除冰法等，就是通過破壞冰層物理結(jié)構(gòu)使其脫落；（3）直接破壞除冰。通過在電力線路上安裝遙控除冰機(jī)等設(shè)備，可以直接遠(yuǎn)程操控破壞并去除線纜上的冰層。

三種融冰方法中，熱力融冰是目前最常用、最主流的除冰技術(shù)方案，利用直流電、交流點(diǎn)加熱實(shí)現(xiàn)融冰的目標(biāo)。熱力融冰技術(shù)在多年發(fā)展中，已經(jīng)形成了多種熱力融冰技術(shù)，包括保線電流技術(shù)、三相短路融冰技術(shù)、直流電流融冰技術(shù)，雖然都屬于熱力融冰技術(shù)領(lǐng)域，但在實(shí)施起來存在較大的差異性［1］。

2 超高壓輸電線路融冰方案對(duì)比分析

下文以500kV超高壓輸電線路為例。

2.1 保線電流技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)原理是通過調(diào)整電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提升覆冰線路的電流負(fù)荷量從而實(shí)現(xiàn)線路加熱。提升線路電流負(fù)荷量不超過安全電流閾值，電流負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，即可讓線路覆冰受熱融化脫落，并且可以保持線路長期不結(jié)冰。500kV 超高壓輸電線路的安全電流為2kA，但是最小保線電流同樣是2kA，想要實(shí)現(xiàn)融冰目的必須將負(fù)荷電流提升到安全電流標(biāo)準(zhǔn)附近，因此難以保證線路運(yùn)行安全［2］。再者，調(diào)節(jié)線路運(yùn)行性能實(shí)施起來難度大，所以該項(xiàng)技術(shù)不太適用于超高壓輸電線路融冰。

2.2 三相短路融冰技術(shù)

為了保證超高壓輸電線路運(yùn)行安全，通常情況下在超高壓輸電線路建設(shè)中都會(huì)采用大截面、多分裂導(dǎo)線，想要實(shí)現(xiàn)線路外層加熱需要較大的電流。考慮到超高壓輸電線路交流阻抗更高，想要達(dá)到融冰目的需要在短路情況下實(shí)現(xiàn)，融冰時(shí)需要提升到較高的系統(tǒng)電壓狀態(tài)。再加上超高壓輸電線路交流阻抗為電抗，還需要有相應(yīng)的無功支持融冰。融冰電源小無法滿足融冰電流要求，融冰電源過大則需要較大的無功容量。如110kV融冰電源無法達(dá)到超高壓輸電線路最小融冰電流要求；220kV 融冰電源需要在超高壓輸電線路長度150km 內(nèi)達(dá)到最小融冰電流，超出150kM 則無法滿足最小融冰電流，并且無功容量大于1000Mvar；500kV融冰電源可以實(shí)現(xiàn)超高壓輸電線路最小融冰電流要求，但無功容量會(huì)超過2000Mvar，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步考量［3］。因此在500kV 及以上的超高壓輸電線路融冰來說，該項(xiàng)技術(shù)由很大的局限性。

2.3 直流電流融冰技術(shù)

直流融冰技術(shù)是指將電流電源通過電容量電力設(shè)備轉(zhuǎn)化為直流電流，通過直流電加熱電力線路起到覆冰融化的目的。當(dāng)直流電產(chǎn)生的熱量大于線路散熱量與融冰熱量的和即可實(shí)現(xiàn)融冰目的，直流電流融冰如圖1 所示。直流融冰相比交流融冰技術(shù)來說，直流融冰線路阻抗感性分量不起作用，超高壓輸電線路直流電阻只有交流阻抗的1/10，因此將超高壓輸電線路加熱到相同溫度，直流所需電源容量更小，實(shí)現(xiàn)起來難度更低。結(jié)合文獻(xiàn)［4］可知，在500kV 超高壓輸電線路下，理論上直流融冰功率達(dá)到200MW 時(shí)即可起到融冰作用，對(duì)于一些非特殊類超高壓輸電線路，直流融冰功率達(dá)到100MW 時(shí)即可滿足融冰要求［4］。由此可見。相比以上兩種超高壓輸電線路融冰技術(shù)方案，直流融冰技術(shù)適用性更強(qiáng)。

圖1 直流電流融冰系統(tǒng)

3 超高壓輸電線路直流融冰技術(shù)方案與應(yīng)用

3.1 直流融冰方案

3.1.1 發(fā)電機(jī)電源整流方案

發(fā)電機(jī)電源整流方案實(shí)施難度最低、操控性很強(qiáng)。該方案是通過發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié)整流設(shè)備帶線路運(yùn)行。發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁設(shè)備通過零起升流提供直流電供線路加熱實(shí)現(xiàn)融冰。在超高壓輸電線路中加入發(fā)電機(jī)提供直流電的方法，可以保持融冰系統(tǒng)的獨(dú)立性，不會(huì)影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此實(shí)施起來安全性更好。通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超高壓輸電線路覆冰保護(hù)作用。

但該方案也存在一定的缺點(diǎn)。由于發(fā)電機(jī)作為電源與超高壓輸電線路系統(tǒng)隔離，在線路有結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)或已經(jīng)結(jié)冰時(shí)使用，需要重新設(shè)定發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)以及重新布置相關(guān)設(shè)施，如果融冰接線臨時(shí)變化，則要重新設(shè)定參數(shù)和設(shè)施，前期工作量非常大，無法做到快速、實(shí)時(shí)融冰。因此，發(fā)電機(jī)電流整流方案更多是應(yīng)用在中短距離的超高壓輸電線路融冰領(lǐng)域。

3.1.2 系統(tǒng)整流方案

系統(tǒng)整流方案是指電力系統(tǒng)提供融冰電源，通過相應(yīng)的整流電力裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電從而實(shí)現(xiàn)帶線路融冰的目的。整流裝置可以分為可控和不可控兩種。其中，不可控整流裝置市場(chǎng)價(jià)格更低，但由于整流電源是電力系統(tǒng)提供，無法做到零起升流。如果采用高壓沖擊短路線路的融冰方案，高壓沖擊可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成負(fù)面影響，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患。同時(shí)，常見的變壓器調(diào)節(jié)范圍有限，所以對(duì)融冰超高壓輸電線路長度有一定要求，線路過長無法起到融冰效果。

可控整流裝置在很大程度上解決了這些問題，可以實(shí)現(xiàn)零起升流。在整流時(shí)可以人工操控控制設(shè)備，可操作性更強(qiáng)，可以適用于長度較大的超高壓輸電線路融冰領(lǐng)域，對(duì)不同規(guī)格超高壓輸電線路適應(yīng)性較好。但可控整流裝置也存在一定的缺陷。該裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，增加了無功損耗量，所以通常要配比交流濾波器進(jìn)行無功補(bǔ)償、濾波，還需要配置保護(hù)裝置提高安全性，前期投資較高。

3.2 直流融冰技術(shù)應(yīng)用

目前國內(nèi)外超高壓輸電線路直流融冰主要有兩種基本模式和一種組合模式，即DE-ICER 模式、SVC模式以及綜合切換模式。

3.2.1 DE-ICER模式

DE-ICER 模式（如圖2 所示）是一種直接提供直流加熱融冰的方案，電源裝置向超高壓輸電線直接提供可控直流，其中需要配置一定數(shù)量的HVDC 晶閘管。換流器是DE-ICER 模式的核心設(shè)備，一側(cè)與降壓變壓器連接。想要實(shí)現(xiàn)融冰目的，需要所提供的直流電流量高于HVDC 晶閘管容量，為了提供可靠的電流應(yīng)配備2 組6 脈換流器，應(yīng)以并聯(lián)的形式連接［5］。設(shè)置中無需在換流器之間增設(shè)絕緣裝置，可將空心電感用作整流電抗即可起到平波作用。由于換流器會(huì)生成諧波增加無功損耗，可以在與降壓變壓器連接側(cè)增設(shè)濾波器來減少諧波影響，同時(shí)提供無功補(bǔ)償減少能耗。晶閘管投切電容器TSC 可以作用可投切無功元件，與降壓變壓器的另一側(cè)連接。

圖2 DE-ICER模式

3.2.2 SVC模式

在該模式下（如圖3 所示）可以吸收電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的無功，從而起到電壓調(diào)節(jié)優(yōu)化的目標(biāo)。SVC 模式中的核心設(shè)備是晶閘管投切電容器TSC、晶閘管控制電抗器TCR、諧波濾波器。同時(shí)投入多電容器并聯(lián)組成晶閘管投切電容器TSC，投切開關(guān)為反向并聯(lián)的晶閘管閥，可以保證快速響應(yīng)。電抗器與反向并聯(lián)晶閘管閥串聯(lián)組成晶閘管控制電抗器TCR，電流有效值調(diào)節(jié)可以通過更改投入相位實(shí)現(xiàn)，這樣即可起到電網(wǎng)無功吸收的作用［6］。由于晶閘管控制電抗器TCR 運(yùn)行中會(huì)生成諧波，所以應(yīng)配備相應(yīng)的諧波濾波器減少對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響。在融冰時(shí)觸發(fā)晶閘管閥即可實(shí)現(xiàn)電容器投切，可根據(jù)融冰直流供給要求調(diào)節(jié)電流量，控制補(bǔ)償器即可實(shí)現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié)。相比DE-ICER模式，SVC模式電能損耗量有明顯降低。

圖3 SVC模式

3.2.3 綜合切換模式

綜合切換模式結(jié)合了DE-ICER 模式、SVC 模式的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了功能整合。在超高壓輸電線路上安裝線路覆冰檢測(cè)系統(tǒng)，并與控制中心連接，將采集的信息直接上傳，便于管理人員第一時(shí)間將SVC 模式切換為DE-ICER 模式。操作流程為：斷開輸電線路→融冰配置→直流融冰→恢復(fù)線路。

專用的融冰控制單元負(fù)責(zé)融冰流程的監(jiān)控。控制單元借助傳感器傳遞的信息，確認(rèn)交流系統(tǒng)中是否斷開輸電線路，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流程調(diào)整線路保護(hù)配置，從而應(yīng)對(duì)突發(fā)冰雪災(zāi)害，結(jié)合配置內(nèi)容控制超高壓輸電線路短路開關(guān)，調(diào)節(jié)融冰換流器運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)融冰。系統(tǒng)檢測(cè)到融冰工作完成后自動(dòng)將輸電線路接入到交流系統(tǒng)當(dāng)中。調(diào)度中心或變電站控制室可實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作流程。

4 結(jié)束語

綜上所述，超高壓輸電線路融冰領(lǐng)域中，直流融冰技術(shù)相比其他融冰技術(shù)適用性更強(qiáng)，并且在多年發(fā)展中技術(shù)也更為成熟。因此結(jié)合直流融冰技術(shù)方案，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等，加強(qiáng)直流融冰技術(shù)整合，通過調(diào)度中心自動(dòng)化控制或人工控制，及時(shí)開展超高壓輸電線路融冰作業(yè)，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全。