吳林平，田 杰，李長(zhǎng)偉，吳 俊，李 敏

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211100)

目前，國(guó)內(nèi)外輸電線路的防冰、除冰大致有以下幾類技術(shù)手段：通過(guò)調(diào)度改變潮流，自藕變壓器加多分裂導(dǎo)線，交流短路融冰法，直流電流融冰法和阻性線融冰法等[1，2]，其中，直流融冰在融化線路覆冰方面效果顯著，目前已有多套直流融冰系統(tǒng)在四川、湖南、云南、貴州等地區(qū)投入了實(shí)際運(yùn)行[3-6]。已投運(yùn)的系統(tǒng)有12脈動(dòng)晶閘管帶整流變結(jié)構(gòu)、6脈動(dòng)晶閘管帶整流變結(jié)構(gòu)、6脈動(dòng)晶閘管不帶整流變結(jié)構(gòu)、6脈動(dòng)二極管帶整流變等多種結(jié)構(gòu)形式，有純?nèi)诒腿诒鍿VC2種系統(tǒng)，存在一相進(jìn)一相出、一相進(jìn)二相出兩種運(yùn)行方式[7-12]。直流融冰系統(tǒng)需要根據(jù)不同站的線路型號(hào)、長(zhǎng)度等因素具體設(shè)計(jì)，確定具體的設(shè)備參數(shù)。四川500 kV康定變是一座樞紐變電站，站內(nèi)有10條500 kV線路在冬季有融冰需求。2012年12月，一套大容量的直流融冰系統(tǒng)在康定變成功投運(yùn)。文中結(jié)合500 kV康定變電站內(nèi)的直流融冰系統(tǒng)的研制情況，對(duì)直流融冰設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中幾個(gè)比較重要的方面作一論述，為今后類似工程的開發(fā)建設(shè)提供參考。

1 融冰方案

1.1 融冰容量

康定變交流線路參數(shù)見(jiàn)表1，其中最長(zhǎng)的500 kV線路——康定－崇州（I，II回）型號(hào)為L(zhǎng)GJ-630/45，長(zhǎng)度約202.5 km，按環(huán)境溫度為-5℃,風(fēng)速5 m/s，覆冰厚度10 mm，融冰時(shí)間為1 h計(jì)算，最小融冰電流達(dá)5000 A，最小融冰功率117.27 MW[1]。

取康定變?nèi)诒到y(tǒng)的額定直流電壓為24.54 kV，直流融冰容量為122.7 MW，該參數(shù)滿足所有出線的融冰需要。

1.2 主回路結(jié)構(gòu)

從康定變電站35 kV母線引入電源，直流融冰系統(tǒng)接在35 kV母線上，經(jīng)由1臺(tái)三相三繞組整流變壓器，2組6脈動(dòng)整流閥組接在變壓器的低壓側(cè)，待融冰交流線路通過(guò)S1～S4四把隔刀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。主回路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 康定變500 kV交流線路參數(shù)

融冰時(shí)，2組6脈動(dòng)閥組在直流側(cè)串聯(lián)成12脈動(dòng)閥組，閥組之間連接處接地，可以降低直流融冰系統(tǒng)的絕緣需求。12脈動(dòng)閥組與三相三繞組整流變壓器一起運(yùn)行，通過(guò)一次設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)使換流閥組可以長(zhǎng)期大角度運(yùn)行，直流電壓調(diào)節(jié)范圍很廣，滿足康定變不同長(zhǎng)度500 kV交流線路的融冰需求。

康定變直流融冰系統(tǒng)額定輸出直流電流為5000 A，容量為122.7 MW，這是目前雙6脈動(dòng)閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)下，同等電流時(shí)輸出容量最大的直流融冰系統(tǒng)。

1.3 諧波的考慮

融冰系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主要產(chǎn)生5，7，11，13次諧波，康定變直流融冰采用12脈動(dòng)整流方案，5，7次諧波分量很小。選取濾波器參數(shù)見(jiàn)表2，采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行諧波電壓計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。電壓諧波總畸變率（THDu）反應(yīng)了電壓波形畸變的程度。康定變加裝了直流融冰系統(tǒng)之后，500 kV母線電壓THDu≤2%，220 kV母線電壓THDu≤2%，35 kV母線電壓THDu≤12%，從表3可見(jiàn)，不論是否配置交流濾波器組，母線THDu都滿足要求。

圖1 康定變直流融冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 濾波器LC參數(shù)

表3 濾波仿真結(jié)果

因此康定變采用如圖1所示的不加裝濾波器組的主回路結(jié)構(gòu)，能夠滿足線路融冰的需要，也不影響原站內(nèi)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 整流變壓器

一般變壓器采用有載調(diào)壓，由于變電站需要融冰的交流線路長(zhǎng)度相差極大，變壓器調(diào)壓范圍有限，因而通過(guò)變壓器調(diào)壓難以解決換流器大角度運(yùn)行的問(wèn)題，部分線路融冰時(shí)，融冰系統(tǒng)的運(yùn)行觸發(fā)角仍然較大，而且變壓器設(shè)置分接頭，將增加成本和后期維護(hù)工作量。PCS-9590直流融冰系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化閥組設(shè)計(jì)，可以不需要變壓器分接調(diào)節(jié)，通過(guò)觸發(fā)的控制就能夠滿足站內(nèi)所有出線的融冰需要。

康定變直流融冰所用整流變的參數(shù)。額定容量150 MV·A；接線方式 D/d0/y11；額定電壓 35±2×2.5%/10.5/10.5 kV；短路阻抗21%；調(diào)壓方式不調(diào)壓。

2.2 避雷器配置與設(shè)備絕緣水平設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)過(guò)電壓和設(shè)備絕緣配合的結(jié)果來(lái)配置避雷器。避雷器保護(hù)水平的確定需考慮2個(gè)因素，其一為正常情況下的最高持續(xù)運(yùn)行電壓，其二為故障情況下的過(guò)電壓水平。正常運(yùn)行情況下，直流融冰系統(tǒng)換流變閥側(cè)、直流側(cè)電壓包含大量的諧波、紋波分量；同時(shí)，還需要考慮交流系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。因此，這兩處避雷器的參考電壓需高于其最大電壓，并采用合適的荷電率計(jì)算得到避雷器的參考電壓。

過(guò)電壓水平需考慮操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓。使用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，結(jié)果表明：在短路故障情況下，系統(tǒng)的操作過(guò)電壓并不嚴(yán)重。如直流融冰系統(tǒng)發(fā)生35 kV母線單相短路、融冰變閥側(cè)單相接地故障、直流單極接地故障時(shí)，未出現(xiàn)操作過(guò)電壓。然而，在融冰線路斷線故障下，整流變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)，換流器直流側(cè)出口上都產(chǎn)生較為嚴(yán)重的過(guò)電壓，因此需要配置避雷器，以保護(hù)變壓器、晶閘管等設(shè)備。

康定變避雷器配置如圖2所示，避雷器參數(shù)見(jiàn)表4?？刀ㄗ兣渲昧?處避雷器：換流變網(wǎng)側(cè)，配置相對(duì)地避雷器A，保護(hù)換流變網(wǎng)側(cè)繞組；換流變閥側(cè)，配置相對(duì)地避雷器AF，保護(hù)換流變閥側(cè)繞組；直流出口側(cè)，配置D避雷器，防止雷擊過(guò)電壓傳入閥廳，保護(hù)閥廳設(shè)備和穿墻套管，同時(shí)，在故障情況下，降低晶閘管兩端、變壓器閥側(cè)過(guò)電壓。

考慮到設(shè)備絕緣老化、避雷器自身的老化、環(huán)境污染等諸多因素，在確定設(shè)備的絕緣水平時(shí)，對(duì)操作波考慮15%的絕緣裕度，對(duì)雷電波考慮20%的絕緣裕度，以保證受到過(guò)電壓應(yīng)力時(shí)設(shè)備的安全性。

圖2 直流融冰系統(tǒng)避雷器配置

表4 避雷器參數(shù) kV

3 控制保護(hù)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

康定變?nèi)诒刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)由監(jiān)控柜（PCP）、閥控柜（VC）和變壓器保護(hù)柜等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制保護(hù)系統(tǒng)

3.2 控制保護(hù)策略

康定變直流融冰系統(tǒng)在融冰模式下采用定直流電流控制，控制保護(hù)系統(tǒng)中集成了閥短路保護(hù)、橋差動(dòng)保護(hù)、直流過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、直流諧波保護(hù)以及交流過(guò)電壓保護(hù)等。另外，對(duì)于整流變壓器單獨(dú)配置了變壓器保護(hù)。

4 零功率試驗(yàn)

直流融冰系統(tǒng)只在冬季線路覆冰的時(shí)候使用，其余時(shí)間都處于停用狀態(tài)，為了檢測(cè)整套系統(tǒng)的可用性，在每年冬季來(lái)臨之前，需要做相應(yīng)的定檢試驗(yàn)。為此PCS-9590直流融冰系統(tǒng)提供了零功率試驗(yàn)功能，這是在不接入融冰線路（即交流線路不停電）的情況下，全面檢驗(yàn)直流融冰系統(tǒng)的直流電流控制功能，檢驗(yàn)換流閥、直流側(cè)刀閘和融冰母線的電流耐受能力，保證直流融冰系統(tǒng)在需要融冰時(shí)能夠可靠地投入運(yùn)行，其控制策略與正常融冰一致。PCS-9590直流融冰系統(tǒng)提供2種拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。

方案一：利用相控電抗器L作為負(fù)載，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。PCS-9590直流融冰系統(tǒng)在不融冰時(shí)可以兼做靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）使用，進(jìn)行快速無(wú)功補(bǔ)償、改善電能質(zhì)量，圖4所示結(jié)構(gòu)可以通過(guò)對(duì)Q11～Q17 7次模式轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)的分、合操作來(lái)實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的切換，方便地在融冰、零功率試驗(yàn)和SVC 3種模式靈活轉(zhuǎn)換。以與換流變壓器Y繞組連接的6脈動(dòng)閥組為例，在融冰、零功率試驗(yàn)和SVC 3種運(yùn)行模式下，各組隔離開關(guān)的分合位置分別如表5所示。

表5 融冰、零功率試驗(yàn)和SVC3種模式下切換隔刀的位置

方案二：在直流輸出側(cè)加裝隔離刀閘和電抗器構(gòu)成回路，如圖5所示。仍然以電抗器L為負(fù)載，分開S2、S3、S5～S7 （不接入交流線路）， 合上 S1、S4、S8、S9，就可以進(jìn)行零功率試驗(yàn)了。這種結(jié)構(gòu)不支持SVC運(yùn)行模式。

康定變直流融冰系統(tǒng)可以擴(kuò)展零功率試驗(yàn)功能。

5 運(yùn)行情況

圖5 零功率試驗(yàn)方案二

康定變直流融冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量是，額定功率122.7 MW，額定直流電壓DC±12.27 kV，額定直流電流5000 A，額定觸發(fā)角15°。該裝置于2012年12月27日對(duì)500 kV康甘線（康崇線一段）成功進(jìn)行了大電流融冰試驗(yàn)，直流電流從500 A平穩(wěn)上升至額定電流5000 A，裝置累計(jì)持續(xù)運(yùn)行將近2 h。通過(guò)直接在站內(nèi)出線上加探頭測(cè)量導(dǎo)線溫度，在環(huán)境溫度12℃、風(fēng)速3 m/s的情況下，導(dǎo)線最高溫度24℃，溫升達(dá)到12℃。

圖6所示為康甘線按“一去一回”方式融冰，直流電流達(dá)到額定電流5000 A時(shí)進(jìn)線側(cè)35 kV母線電壓、直流電壓、直流電流、觸發(fā)角的現(xiàn)場(chǎng)錄波波形，其35 kV母線電壓的頻譜分析如圖7所示。可見(jiàn)，直流融冰裝置輸出的直流電壓、直流電流等與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，研制的直流融冰系統(tǒng)滿足站內(nèi)線路融冰需求。12脈動(dòng)整流融冰系統(tǒng)工作時(shí)交流電源中主要含有 11、13、23、25 等（12k±1）次諧波電壓；經(jīng)計(jì)算，35 kV母線電壓THDu為9.49≤12%，與PSCAD仿真結(jié)果相符。

圖6 康甘線融冰電流達(dá)5000 A時(shí)35 kV母線錄波波形

圖7 康甘線融冰電流達(dá)5000 A時(shí)35 kV母線電壓頻譜分析

6 結(jié)束語(yǔ)

康定變直流融冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的主回路結(jié)構(gòu)，采用1臺(tái)三相三繞組變壓器直接從變電站高壓母線受電，中低壓側(cè)分別接入6脈動(dòng)閥組，可以兼顧不同線徑和長(zhǎng)度的輸電線路融冰；通過(guò)4把選相隔離開關(guān)可以完成多種融冰方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流線路的均衡融冰；具有零功率試驗(yàn)功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)整套設(shè)備的定檢。該系統(tǒng)基于5000 A的輸出電流和122.7 MW的融冰容量而設(shè)計(jì)，可以為直流融冰設(shè)備的研制和工程應(yīng)用提供一定的參考。

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