譚艷軍，黃華峰，李波，方針，張紅先

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007;2. 國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410007)

農(nóng)配網(wǎng)輸電線路通常處于自然環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)村，例如高寒山區(qū)等。由于農(nóng)村地域廣闊，與城配網(wǎng)相比農(nóng)配網(wǎng)輸電線路長度更長，數(shù)量更多，抗冰設(shè)計(jì)強(qiáng)度相對較弱，更易遭受到冰凍災(zāi)害對輸電線路的侵害〔1〕。

2008年初，湖南電網(wǎng)遭受了50 年未遇的冰災(zāi)。在這次冰凍災(zāi)害中，35 kV 及以下電壓等級的農(nóng)配網(wǎng)輸電線路損失慘重，如35 kV 變電站438 座中，累計(jì)有192 座變電站發(fā)生了母線停運(yùn)或全站停運(yùn)，130條線路倒塔1 064 基，變形1 005 基，導(dǎo)線斷線或受損1 369 處，地線斷線或受損296 處，絕緣子掉串89處;10～35 kV 配網(wǎng)共損壞斷路器101 臺，變壓器10臺，刀閘62 組，電流互感器82 臺，電壓互感器45臺，蓄電池13 組，龍門架15 個(gè)，避雷器11 支，電纜4 根。10 kV 線路累計(jì)倒斷桿63 036 基，斷線47 898 處15 304 km，損壞配變3 380臺，低壓線路倒斷桿330 450 基，斷線367 673 處39 575 km。

2009年2 月26 日至3 月4 日，地處高寒山區(qū)的小沙江地區(qū)連續(xù)遭遇持續(xù)低溫雨水天氣，北風(fēng)0～3 m/s，氣溫一直維持在0～-4 ℃，覆冰達(dá)到30 mm以上，且結(jié)冰迅速。本次冰災(zāi)共造成35 kV線路倒桿5 基，10 kV 線路共倒桿219 基;斷線共423 處;低壓線路倒桿共2 545 基，損失配變共21臺。導(dǎo)致3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部停電，共計(jì)60 個(gè)村，132個(gè)臺區(qū)。

農(nóng)配網(wǎng)輸電線路在覆冰后主要依靠人工除冰的方法進(jìn)行除冰作業(yè)。但人工除冰工作量巨大、且除冰效率低下、危險(xiǎn)性高、需要組織投入大量的人力物力，難以滿足安全快速進(jìn)行融冰的要求。隨著220 kV 輸電線路直流融冰技術(shù)的研制成功和發(fā)展，農(nóng)配網(wǎng)融冰方法的缺失突顯出來。在農(nóng)配網(wǎng)線路發(fā)生嚴(yán)重覆冰時(shí)，如何通過經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的融冰方法實(shí)現(xiàn)農(nóng)配網(wǎng)線路的融冰工作是亟待研究解決的問題。針對上述問題，迫切需要研究農(nóng)配網(wǎng)融冰技術(shù)及裝置，以適應(yīng)目前農(nóng)配網(wǎng)線路融冰需要，為克服農(nóng)配網(wǎng)冰凍災(zāi)害提供一種有效的解決辦法〔1〕。

1 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置組成及特點(diǎn)

通過對湖南省農(nóng)配網(wǎng)線路統(tǒng)計(jì)分析得出，農(nóng)配網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要表現(xiàn)在長度跨度大、使用線型種類多。長度可分為3 個(gè)區(qū)間:即400 m 及以下的站外T 接支線、0～5 km 短線路、5～25 km 長線路。使用較多的線路型號為LGJ-95，LGJ-70，LGJ-120，分別占農(nóng)配網(wǎng)線路總數(shù)的36%，26%，23%;共占農(nóng)配網(wǎng)線路總數(shù)的85%。

根據(jù)農(nóng)配網(wǎng)線路特性，研制開發(fā)了長線路、短線路和超短線路系列農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置，分別解決5～25 km、0 ～5 km 和400 m 及以下農(nóng)配網(wǎng)線路融冰難題。

1.1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置主要解決5～25 km農(nóng)配網(wǎng)長線路的融冰難題，由于線路長，所需的融冰容量如果采用發(fā)電機(jī)組提供則發(fā)電機(jī)體積、耗油量均十分巨大，因此無法通過發(fā)電機(jī)等便捷途徑獲得合適的融冰電源。擬采用變電站內(nèi)10 kV 融冰開關(guān)柜提供融冰電源，經(jīng)過12 脈波整流變調(diào)整電壓后，由12 脈波整流器整流獲得直流融冰電源〔1-2〕(如圖1，2)。

圖1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置原理圖

圖2 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置

該裝置基于12 脈波不可控整流，發(fā)熱量小，諧波低，無需濾波器。可以對農(nóng)配網(wǎng)5 ～25 km (兩邊融冰可實(shí)現(xiàn)50 km 及以下線路的全覆蓋)長線路進(jìn)行融冰。在變電站內(nèi)獲取融冰電源，該裝置采用直流融冰消除線路感抗的影響〔2〕。

為了可以對不同長度、不同型號的輸電線路進(jìn)行直流融冰，采用“可調(diào)檔位整流變壓器+12 脈波二極管整流器”的方案。通過整流變壓器檔位的選擇與12 脈波二極管整流變壓器中2 臺6 脈波整流器的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)融冰直流電壓的逐級可調(diào)，滿足不同長度農(nóng)配網(wǎng)線路融冰需要〔1〕。

1.2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置主要解決5 km 以下農(nóng)配網(wǎng)短線路的融冰難題，針對該情況提出了3種解決方案。

方案1:由于線路長度相對較短，所需的融冰容量可以通過發(fā)電機(jī)組提供，同時(shí)容量較小可以采用調(diào)壓器靈活的調(diào)節(jié)輸出電壓大小，滿足不同長度農(nóng)配網(wǎng)輸電線路的融冰需求。因此該方案擬采用1臺發(fā)電機(jī)提供融冰電源，經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓和不可控6 脈波整流器整流獲得直流融冰電源 (如圖3，4)。

圖3 方案1 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

圖4 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置

該裝置首次提出“調(diào)壓器調(diào)壓+二極管整流”的農(nóng)配網(wǎng)線路融冰方法，由柴油發(fā)電機(jī)組供電，體積小，移動方便，可對2.5 km 及以下(兩邊融冰可實(shí)現(xiàn)5 km 及以下線路全覆蓋)線路進(jìn)行融冰。由于短距離融冰裝置便于移動，可以有效解決對山區(qū)或跨江農(nóng)配網(wǎng)輸電線路的融冰難題〔3〕;同時(shí)為了可以對不同長度、不同型號的輸電線路進(jìn)行直流融冰，采用“調(diào)壓器+二極管整流器”的設(shè)計(jì)方案后，可以大大提高農(nóng)配網(wǎng)短線路融冰裝置的應(yīng)用范圍和運(yùn)行可靠性。

方案2:采用1 臺交流發(fā)電機(jī)提供融冰電源，經(jīng)不可控6 脈波整流器整流獲得直流，再對該直流電源進(jìn)行斬波控制其直流輸出大小，獲取合適的融冰電源(如圖5)。

圖5 方案2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

該方案采用二極管不控整流后，利用IGBT 實(shí)現(xiàn)對直流輸出電壓的斬波，通過控制IGBT 調(diào)制脈沖的占空比，可以實(shí)現(xiàn)融冰裝置輸出直流電壓的可調(diào)。

方案3:采用1 臺輸出可調(diào)交流發(fā)電機(jī)提供融冰電源，經(jīng)不可控6 脈波整流器整流獲得直流融冰電源(如圖6)。

圖6 方案3 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置原理圖

該方案利用新型輸出可調(diào)發(fā)電機(jī)，控制交流輸出電壓經(jīng)不可控6 脈波整流器整流后實(shí)現(xiàn)融冰裝置輸出直流電壓的可調(diào)〔1〕。

1.3 農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置

農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置主要解決400 m 左右農(nóng)配網(wǎng)超短線路融冰難題，由于線路長度很短，所需融冰容量微小，該裝置可以設(shè)計(jì)為便攜式一體機(jī)，可以由2 個(gè)人力搬運(yùn)到指定位置進(jìn)行10 kV 支線融冰作業(yè)。該裝置直流電流輸出有3 個(gè)端子(2 個(gè)正極端子和1 個(gè)負(fù)極端子，如圖7，圖8 所示)，通過電纜直接與待融冰架空線路相連接，其中2 個(gè)正極輸出為并聯(lián)關(guān)系，針對不同長度和線徑可進(jìn)行“兩相并聯(lián)和另一相串聯(lián)”或“兩相串聯(lián)”的融冰操作。

為方便現(xiàn)場接線，設(shè)計(jì)了專用的三相快速接線線夾和三相快速短路線夾，采用該線夾后，接入融冰電源和對側(cè)短接時(shí)，可直接掛接。減少了停電接線時(shí)間，免去了復(fù)雜的現(xiàn)場接線操作，改接線簡便、快捷，提高了融冰工作效率，保證了接線過程中人身和設(shè)備的安全，避免了可能出現(xiàn)的人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。

該裝置采用中頻發(fā)電機(jī)(提高發(fā)電頻率)，發(fā)電機(jī)的體積將下降，這是因?yàn)?發(fā)電機(jī)的頻率提高以后，根據(jù)電磁學(xué)原理，單位時(shí)間內(nèi)的線圈中的磁通量(磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與面積S 的乘積)的變化率將提高，磁通量的變化率越大，感應(yīng)電勢也越大(即電壓越高)，發(fā)電機(jī)可提供的功率將增大。即在相同的功率下，線圈面積可減小，發(fā)電機(jī)的體積將下降。由此該裝置具備體積小、重量輕的特點(diǎn)。

圖7 便攜式超短線路直流融冰裝置原理

圖8 便攜式超短線路直流融冰裝置

該裝置內(nèi)置發(fā)電、調(diào)壓、整流等多個(gè)模塊，通過有機(jī)集成組合為農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置。

2 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置試運(yùn)行

以上3 類農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證其性能和功效后，在110 kV 小沙江變電站進(jìn)行了試運(yùn)行試驗(yàn)。

本次試運(yùn)選擇在該站的35 kV 小司線、10 kV小微線和10 kV 小叢線上進(jìn)行。該變電站地處邵陽隆回小沙江鎮(zhèn)，該地區(qū)為冰凍重災(zāi)區(qū)，包括小沙江鎮(zhèn)、虎形山鄉(xiāng)、麻塘山鄉(xiāng)3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬少數(shù)民族居住地(瑤族)。年均雨霧天氣約180 d 左右，冰雪天氣約80 d 左右，空氣濕度大，冰凍期長，冬季冷暖空氣極易在此區(qū)域內(nèi)形成準(zhǔn)靜止鋒導(dǎo)致嚴(yán)重冰凍?，F(xiàn)有配網(wǎng)線路在當(dāng)初建設(shè)時(shí)主要考慮盡量減短線路長度，減少轉(zhuǎn)角數(shù)量，從而減少造價(jià)，所以很多地方從一些山峰風(fēng)口通過，跨越處數(shù)多、檔距大，最大檔距超過300 m，沿途冰凍嚴(yán)重，結(jié)冰又極不均勻，而且覆冰常遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)覆冰厚度幾倍，造成桿塔負(fù)荷太重而破壞桿塔損毀線路。

2.1 農(nóng)配網(wǎng)長線路直流融冰裝置試運(yùn)行

該裝置選擇在35 kV 小司線上進(jìn)行融冰試運(yùn)行。小司線線路長度為13.417 km，導(dǎo)線型號為LGJ-95，總電阻約3.89 Ω。試運(yùn)時(shí)，線路直流融冰電流為430.7 A，直流輸出電壓為3 351 V。升流12 min 后，導(dǎo)線溫度從4.8 ℃上升到17 ℃，通流后溫度上升明顯。

2.2 農(nóng)配網(wǎng)短線路直流融冰裝置試運(yùn)行

該裝置選擇在10 kV 小微線上進(jìn)行融冰試運(yùn)行。小微線主干線線路長度為1.732 km，導(dǎo)線型號為LGJ-50，總電阻約0.969 8 Ω。試運(yùn)時(shí)，線路直流融冰電流為229.4 A，直流輸出電壓為333.6 V。升流8 min 后，導(dǎo)線溫度從4 ℃上升到13 ℃，通流后溫度上升迅速，融冰效果明顯〔4〕。

2.3 農(nóng)配網(wǎng)便攜式超短線路直流融冰裝置試運(yùn)行

該裝置選擇在10 kV 小叢線上進(jìn)行融冰試運(yùn)行。小叢線導(dǎo)線型號LGJ-120，從110 kV 小沙江變電站站外第2 基桿塔P2 開始，到桿塔P6 位置設(shè)置短路點(diǎn)，融冰線路共4 個(gè)檔距，長度約208 m，總電阻約0.073 Ω。試運(yùn)時(shí)，線路直流融冰電流約為320 A，直流輸出電壓約為32 V。20 min 后，導(dǎo)線溫度由8.3 ℃升高至19.9 ℃，溫升11.6 ℃，試驗(yàn)取得圓滿成功。

3 農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置融冰應(yīng)用

第1 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月20 日，農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置首次對10 kV 小龍線實(shí)施融冰。小龍線導(dǎo)線型號為LGJ-120，融冰線路長2.7 km。融冰電壓351.5 V，融冰電流319 A，不到3 h，該線路的三相覆冰全部脫落。

第2 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月21 日，對110 kV小沙江變電站10 kV 小蘭線實(shí)施直流融冰。導(dǎo)線型號為LGJ-95，融冰線路長度約2.5 km，經(jīng)過170 min 順利完成三相線路融冰。

圖9 覆冰脫落瞬間

第3 次現(xiàn)場融冰是2012 年1 月22 日，對110 kV小沙江變電站10 kV 小微線進(jìn)行融冰操作。融冰線路為LGJ-50 和LGJ-90 組成的混合架空輸電線路，線路長度2.2 km。140 min 后成功完成小微線三相導(dǎo)線的直流融冰工作。

圖10 覆冰脫落瞬間及覆冰厚度測量

4 結(jié)論

農(nóng)配網(wǎng)線路的防冰工作長期以來主要采取人工除冰的方式，除冰工作效率低、人員勞動強(qiáng)度大，使得農(nóng)配網(wǎng)線路抵御雨雪冰凍災(zāi)害的能力較弱，難以保證用戶供電的可靠性〔1〕。本文介紹的農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置的研制開發(fā)和應(yīng)用，節(jié)省了農(nóng)配網(wǎng)線路提高抗冰設(shè)計(jì)強(qiáng)度建設(shè)和改造的投資，并大大提高農(nóng)配網(wǎng)線路應(yīng)對冰雪災(zāi)害的處置能力，確保覆冰狀況下農(nóng)配網(wǎng)的安全運(yùn)行，有效地防止農(nóng)配網(wǎng)輸電線路覆冰倒塔斷線等事故，具有重要的意義和較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

〔1〕譚艷軍，陸佳政，方針，等. 基于調(diào)壓整流的配網(wǎng)線路直流融冰方法及其裝置研究〔J〕. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39 (10):126-129.

〔2〕陸佳政，譚艷軍，李波，等. 特高壓直流輸電線路分段直流融冰方案〔J〕. 高電壓技術(shù)，2013，39 (3):541-545.

〔3〕譚艷軍，陸佳政，方針，等. 基于不可控整流移動式直流融冰裝置的研究〔J〕. 華中電力，2011，24 (1):31-34.

〔4〕蔣興良，王大興，范松海，等. 直流融冰過程中覆冰導(dǎo)線表面最高溫度試驗(yàn)研究〔J〕. 高電壓技術(shù)，2009，11:2 796-2 800.