粤北高寒地区融冰技术综述

　　摘要：深入讨论了粤北韶关电网线路采用过的融冰技术，分析了各融冰方案的利弊。
　　关键词：融冰技术；改变潮流；交流短路；直流短路
　　
　　2008年初发生的低温雨雪冰冻灾害，共造成全国范围电网停运电力线路36740条，停运变电站2018座，110kV～500kV线路8381基杆塔倾倒及损坏，全国共170个县(市)发生供电中断。广东粤北地区电网设施遭受到严重破坏，导致坪石地区停电。这次冰灾表明中国电网抵御和防范极端天气灾害的能力仍有待提高。
　　通过对导线覆冰进行分析，先将导线覆冰的主要危害总结如下：①过荷载。②不同期脱冰或不均匀覆冰事故。③绝缘子串冰闪事故。④导线覆冰舞动事故。本文阐述了交流融冰、直流融冰技术的原理，探讨了韶关电网实践过的几种融冰方案。
　　1冰期覆冰线路解口
　　在2006年之前，粤北电网冬季线路覆冰极其个别，只有110kV南天线经过南岭高寒地段的部分会出现覆冰情况。为防止南天线冰闪跳闸引起电网其他设备故障,在不增加电网投资前提下，当时粤北电网采取的措施是，冬季来临之前将南天线负荷转至其他线路，南天线停电解口，使冰雪在解口导线上凝结后自行脱落，冬季结束后再将南天线解口跳通。这种方法属于被动除冰法，虽然不需要基本投入且运作价格低廉，但这种方法效率低、受自然条件制约，当电网出现两条及以上线路覆冰时，这个方法不再适用。
　　2改变潮流分配融冰
　　工程应用中针对输电线路最方便、有效、适用的除冰方法有增大线路传输负荷电流。相同气候条件下，重负载线路覆冰较轻或不覆冰，轻载线路覆冰较重，而避雷线与架空地线相对于导线覆冰更多，这一现象与导线通过电流时的焦耳效应有关，当负荷电流足够大时，导线自身的温度超过冰点，则落在导体表面的雨雪就不会结冰。通过对导线在通流情况下的覆冰过程进行有效的传热分析可得覆冰气象条件下导线不覆冰的临界负荷电流，为：
　　(1)
　　其中为1℃时单位长度导体交流电阻，计算中可近似取20℃的直流电阻；为单位长度辐射散热；为单位长度对流散热。、的值与外部气候条件和导体本身情况有关[1]。
　　为防止导线覆冰，对220kV及以上轻载线路，主要依靠科学的调度，提前改变电网潮流分配，使线路电流达到临界电流以上；110kV及以下变电所间的联络线，可通过调度让其带负荷运行，并达临界电流以上；其它类型的重要轻载线路，可采用在线路末端变电所母线上装设足够容量的并联电容器或电抗器以增大无功电流的办法，达到导线不覆冰的目的。
　　导线覆冰都有特定的气象条件,并非冬季每场雨、雪都会引起导线覆冰,只有当气温在0℃上下,相对湿度在80%以上,风速一般不超过10m/s(五级风)的气象条件下,方可引起导线覆冰，根据一天气温变化情况，凌晨2点至6点间，导线最易发生覆冰情况。针对粤北电网冬季运行特点，这几年韶关电网每年都在冰期调整电网运行方式，采取通过改变潮流进行负荷大电流融冰方案，取得的效果也很明显。韶关电网利用南水电厂、泉水电机组作为融冰电源，调整机组出力使通过通梅线、梅江线、坪江线的电流达到保线电流或融冰电流，保证线路正常运行。下表1是2011年1月6日110kV大梅线大负荷融冰的效果：
　　表1大梅线大负荷融冰效果
　　线路名称 时间 电流 环境温度（℃） 导线温度（℃）
　　大梅线 11：20 430A -2 2.7
　　 11：38 430A -2 4.7-5.2
　　 12：00 430A -2 3.4-3.8
　　 12：30 430A -2 8.4-9.5
　　 13：00 300A -2 7.5
　　 16：00 390A -2 7.3
　　提升负荷电流防止覆冰优点为无需中断供电提高电网可靠性，避免非典型运行方式，简便易行；不足为避雷线和架空地线上的覆冰无法预防，融冰期间，因仅对导线三相施加大电流融冰，当线路融冰后，可能会发生弹跳现象，造成事故跳闸，造成线路后端厂、站失压。正常运行方式下通过调度转移潮流存在诸多不便，可能会引起系统不稳定；潮流转移的程度也有限，对大面积冰灾来袭时显得是杯水车薪。
　　3交流短路融冰
　　交流短路融冰技术的基本原理[2]是通过人为合理安排交流三相短路方式，将融冰线路的一端三相短路，另一端提供融冰电源[3]，接线见图1。用较低电压提供较大短路电流加热导线，使依附在导线上的冰融化。在国内外该技术已达到了实用化的阶段。韶关电网2008年冰灾期间曾经采用交流短路融冰。在其他设备正常运行状态下，停运待融冰线路，将线路一端三相短路，线路另一端通过电缆接至10kV开关柜，
　　控制10kV开关柜对三相短路线路进行全电压冲击合闸，融冰的效果比较明显。
　　
　　图1三相短路融冰接线图
　　根据短路电流大小来选取合适的短路电压是短路融冰的重要环节。交流短路融冰方案操作简单，但系统冲击较大，在无功备用不足情况下可能影响系统的稳定。因此，维持正常运行电压水平是重要环节，必须精确计算冲击合闸后的融冰短路电流的大小，确定对整个系统无影响后才允许采用。该方案一般应用于220kV及以下线路，线路长度必须在一定距离之内。对于500kV或更高电压等级输电线来晚，由于难以找到满足要求的融冰电源，采用交流短路融冰方案是不可行的。
　　4直流短路融冰
　　应用直流融冰时需要考虑以下几个关键技术问题：①融冰线路需要的最小融冰电流；②直流融冰装置的容量及其能够提供的最大融冰电流和输出直流电压；③直流融冰装置输入电源的获取；④换流器运行时产生的无功和谐波对交流电网的影响和需求；⑤直流融冰装置在变电站的接入系统设计(主要包括交流侧电源接入和直流侧与融冰线路的连接)。
　　直流融冰装置由南瑞继保提供，如图2所示。由变电站提供电源的直流融冰方案如图3所示，由系统提供电源，经整流变压器、整流装置，带线路融冰。直流融冰装置额定电压12.5kV，从变压器的10kV侧取电源，不需经过整流变，可将装置做为6脉动。220kV线路直流融冰装置采用可在站间移动的6脉动整流电源，不需专门的独立整流变压器，额定额定容量25MW，额定直流电流为2000A。
　　2009年1月8日，粤北山区的最低气温在0℃以下，韶关电网110kV通梅线出现覆冰，在线观测点测量导线覆冰7毫米，人工观测点测量导线覆冰8毫米。1月10日第一次利用直流融冰装置在220kV通济站对110kV通梅线线路进行直流融冰，如图4。
　　
　　图2移动式直流融冰装置
　　7：30，直流融冰装置启动，对线路升流300A；7：40，升流至400A，线路开始脱冰；7：45，升至450A；7：50，升至500A；7：55，升至550A，8：00，达到线路最小融冰电流609A并维持；8：30，线路完全脱冰，融冰成功。（具体数据见下表2）
　　
　　
　　图3直流融冰方案
　　
　　图4110kV通梅线直流融冰示意图
　　表2通梅线直流融冰记录
　　监测时间 导线温度 环境温度 温度差 直流融冰
　　电流(A) 停留时间
　　(min) 风速
　　（米/秒） 覆冰厚度（毫米） 天气
　　升流前（7：00） -1℃ -1℃ 0℃ 0 ---- 4 7 晴
　　300A（7：30） -1℃ -1℃ 0℃ 300 10分钟 4 7 晴
　　400A（7：40） -1℃ -1℃ 0℃ 400 5分钟 4 开始脱冰 晴
　　450A（7：45） 1.2℃ 0.2℃ 1℃ 450 5分钟 4 脱冰中 晴
　　500A（7：50） 3.9℃ 1.4℃ 2.5℃ 500 5分钟 4 脱冰中 晴
　　550A（7：55） 6.9℃ 2.9℃ 4℃ 550 5分钟 4 脱冰中 晴
　　609A（8：00） 8.6℃ 3.1℃ 5.5℃ 609 5分钟 4 脱冰中 晴
　　609A（8：30） 9.1℃ 3.2℃ 5.9℃ 609 30分钟 4 基本完成 晴
　　结束（8：55） 减流，停机 ----- 4 0 晴
　　韶关地区冰区110kV及以上输电线路共计28条，其中现阶段能够直接直流融冰的线路9条,可实现间接直流融冰的线路有10条。目前仅通济、塘口两站已安装直流融冰装置，与两站相连的220kV和110kV经过冰区的线路均可通过直流融冰装置实现融冰，大大提高了覆冰期线路的安全运行。
　　5结语
　　a．冰灾带来的启示是提高重冰地区输电线路设计标准、推广使用覆冰监测预警系统、坚持以科技手段提高电网防灾减灾预防能力，开展新技术、新材料的抗冰防冰措施研究。
　　b．在覆冰还未破坏线路前，对重要线路进行融冰处理，可有效避免和防止冰灾对输电线路造成的危害，确保电网安全运行，减少覆冰对电网造成的损失。
　　c．韶关电网的融冰可以采取改变潮流分配、交流短路、直流短路三种融冰方式相结合，因地制宜地选择融冰措施，实现高效有序的融冰。
　　
　　参考文献
　　[1]蒋兴良，易辉。输电线路覆冰及防护[M]。北京：中国电力出版社，2002
　　[2]罗兵，金小明，傅闯。南方电网抗冰融冰技术及应用研究[M]。广州：南方电网技术研究中心，2008
　　[3]唐海军，雷冬云。短线路融冰方法及分析[J]。湖南电力，2006
　　[4]李澍森，左文霞，石延辉，等．直流融冰技术探讨[J]．电力设备，2008，9（6）：20－24

《粤北高寒地区融冰技术综述》

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