1 緒論

1.1 輸電線路除冰的意義

輸電線路覆冰是我國電力系統(tǒng)中比較嚴重的自然災(zāi)害之一，經(jīng)常導(dǎo)致輸電線和桿塔的機械性能和電氣性能被破壞，電網(wǎng)大面積停電的惡劣后果。覆冰事故嚴重地威脅了我國電網(wǎng)電力系統(tǒng)的運行安全，解決線路覆冰是一個迫在眉睫的問題。

1.2 輸電線路覆冰的危害

輸電線路覆冰之后，對電力系統(tǒng)有十分嚴重的危害，其中最常見的為以下4種。

（1） 過負載的危害

（2） 不同期脫冰或者不均勻覆冰的危害

（3） 覆冰導(dǎo)線舞動的危害

（4） 絕緣子冰閃的危害

1.3 現(xiàn)階段常用的主要融冰方法

圖1.1 線路覆冰

輸電線路覆冰的危害很大，很容易對電網(wǎng)產(chǎn)生不可逆的后果，所以國內(nèi)外學(xué)者對輸電線路導(dǎo)線與絕緣子的覆冰特性和機理的研究從未間斷過，也有了許多的成果，目前常用的除冰方法有4類：

1.3.1 熱力除冰法

通過加大導(dǎo)線電流，如使覆冰導(dǎo)線斷路，來提高導(dǎo)線溫度，從而使堅冰融化的方法稱為熱力除冰法。熱力除冰法是現(xiàn)階段各國最常使用的除冰方法，能夠較好地融化霧凇和雨凇等不同密度的覆冰，操作簡單穩(wěn)定。

1.3.2 機械除冰法

機械除冰法是利用不同的機械進行物理的除冰。如通過滑輪鏟刮來刮掉覆冰，用強力振動來使覆冰脫落。有時也使用起重機、除冰車等不同的方式進行除冰，甚至有時候也采用人工來進行除冰作業(yè)。這種除冰方式相對于熱除冰消耗能量比較小，價格也相對較低，但是這種除冰方法在實際操作上會有較多困難，所以機械除冰方法在輸電線路上使用，存在操作困難、安全性能與穩(wěn)定性不完善等缺點，在我國輸電線路應(yīng)用較少。

1.3.3 自然被動除冰法

自然除冰法主要是依靠存在于大自然的風(fēng)能、光能、熱能，包括地球引力等的能量，加上一些輔助的器械，來使導(dǎo)線更不容易聚集覆冰。這種除冰方式非常廉價，而且在實際使用上也沒有任何困難，但是，這種除冰的方法非常依靠特定的時間和區(qū)域，如多風(fēng)的山谷等。這一嚴格的限制使得這種方法不能全面地使用于所有的地區(qū)。

圖2.2 融冰過程中的冰層旋轉(zhuǎn)

圖3.3 三項TCR電路圖

1.4 主要工作

本文主要的目的是分析覆冰的形成，并在眾多融冰方案中，針對SVC這一種新型的融冰方法進行分析，之后仿真驗證方案的可行性。闡述幾種除冰方法及應(yīng)用場合。分析覆冰形成的條件、環(huán)境影響因素、融冰過程的模型，講述SVC裝置的原理、結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)。分析整流電路這個融冰裝置的核心部分。研究相控整流電路整流原理、相控過程、波形分析等。最后基于PSCAD平臺，對一條覆冰線路進行仿真研究。

2 導(dǎo)線覆冰條件及融冰模型

2.1 覆冰的形成條件

架空導(dǎo)線發(fā)生覆冰必須是在特定條件下，基本上包括：

（1）溫度必須低于0攝氏度的結(jié)冰溫度

（2）空氣中的水蒸氣含量要較高

（3）必須有較大的風(fēng)速，至少要達到1m/s。

2.2 融冰過程的物理模型與融冰機理

這種通過短路電流發(fā)熱融冰的方法是內(nèi)部接觸式的融冰，當(dāng)導(dǎo)線上流過短路電流時，導(dǎo)線發(fā)熱，此時與導(dǎo)線直接接觸的冰層首先開始融化，這種融冰過程主要分為四個階段。

（1）升溫階段

在實際的戶外導(dǎo)線覆冰時，周圍環(huán)境的溫度都是低于0℃的，而融冰所需的溫度明顯要高于周圍環(huán)境溫度，在安裝融冰設(shè)備后，需要一段時間讓導(dǎo)線的溫度升高，在導(dǎo)線溫度上升到0℃之前冰層是不會融化的，需要一定的時間進行升溫，這個過程稱為升溫階段。

（2）冰層的旋轉(zhuǎn)階段

導(dǎo)線在融冰過程中會發(fā)生冰層旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。其原理是當(dāng)冰層內(nèi)表面溫度達到0°C之后，與導(dǎo)線接觸的那一部分冰開始融化，冰層將發(fā)生如圖2.2所示的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。主要是因為重力作用使覆冰較厚的部分向下墜，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

（3）冰層旋轉(zhuǎn)之后的融冰階段

在冰層旋轉(zhuǎn)之后，冰層比較厚的地方就會處于下方，冰層較薄的地方會處于導(dǎo)線的上方，這樣隨著時間的推移，上部冰層和導(dǎo)線之間就會出現(xiàn)空隙?？障秾絹碓酱?，直到冰層從導(dǎo)線上脫落。這個過程即為融冰階段。

（4）冰層脫落階段

隨著融冰的繼續(xù)，上表面的冰層會越來越薄，當(dāng)上表面冰層厚度到達0時，冰層就會從表面脫落。

3 融冰裝置原理

3.1 融冰裝置簡介

本文所選取的12脈動整流兼svc無功補償系統(tǒng)裝置對覆冰導(dǎo)線進行短路融冰。這種融冰方式與其他的方式相比的優(yōu)點有：

（1）融冰效率高

（2）由于整流成直流融冰，免去的感性負載所產(chǎn)生的感性無功

（3）諧波更弱，更有利于實際應(yīng)用

（4）在平時非線路覆冰階段可以使用svc裝置進行線路的無功補償，在需要進行融冰時，可以通過對系統(tǒng)電路的切換與重構(gòu)。

3.2 12脈動整流裝置的基本原理

12脈動整流電路是由兩個6脈動的換流器，在直流側(cè)通過串聯(lián)的方式連接而成。交流側(cè)則用換流變壓器，分別有三角形連接盒星形連接而成，兩者的相位相差了30°。

每個相鄰的晶閘管導(dǎo)通間隔為30°，而每個獨立的橋內(nèi)的循環(huán)和六脈動完全一致，皆為60°間隔導(dǎo)通。

整流器在工作狀態(tài)中的兩個6脈動橋的分別電壓波形是與他們各自工作的時候波形是完全相同的。

對12脈動整流電路電流進行傅里葉展開式可以知道，交流系統(tǒng)中含有的諧波為12k±1次，就是說含有11、13……次的諧波，12脈動整流電路的諧波數(shù)量遠遠小于單橋6脈動整流電路的諧波含量。所以在使用直流融冰的時候，應(yīng)該選取12脈動整流電路，可以高效低損耗地進行融冰作業(yè)。

3.3 svc裝置的基本工作原理

3.3.1 晶閘管控制電抗器（TCR）式svc的簡介

晶閘管控制電抗器，俗稱TCR，是一種能力連續(xù)調(diào)節(jié)無功，對系統(tǒng)進行無功補償?shù)摹＿@種方法可以令補償點的電壓接近保持不變。TCR最重要的特點就是可以保持在一些沖擊變化中端電壓不發(fā)生變化。所以在一些很大型的沖擊上的無功補償是非常有效的。

3.3.2 TCR裝置的基本原理

三相的TCR線路接法如圖3.3。

三相的TCR是由三個單項的TCR通過三角形連接接入到三相電網(wǎng)中的。三角形連接可以令3的倍數(shù)次諧波互相抵消，不會流入電網(wǎng)，從而使得諧波數(shù)量減少。TCR的優(yōu)勢十分明顯，它可以連續(xù)地進行感性的無功的調(diào)節(jié)，使用TCR進行無功補償是十分好用的裝置。

3.4 融冰過程與svc過程的切換模式簡介

本裝置的優(yōu)勢在于可以在非融冰時期進通過TCR式SVC進行無功的補償，在融冰時期通過對拓撲結(jié)構(gòu)的切換，將線路功能轉(zhuǎn)變?yōu)?2脈動的整流融冰電流，能夠進行對覆冰線路的融冰功能。下面通過對其中一個TCR的變換來講解其拓撲結(jié)構(gòu)的改變。

如圖3.4.1三相橋式整流電路圖所示，以一個基本的6脈動橋式整流線路為例子，對其中一組晶閘管的拓撲結(jié)構(gòu)修改如圖3.4.2切換過程示意圖。

將VT1的陰極與VT4的陽極短路，此時，圖3.4.2中紅標(biāo)部分電路可以等效成如圖3.4.3TCR示意圖電路。

通過上圖可以明顯看出，通過這個改動，置整流電路的一個部分變成了TCR無功補償?shù)木€路，同理，12脈動整流融冰電路在經(jīng)過類似一系列的變換之后，可以與SVC無功補償線路進行自由的切換。

4 12脈動電路仿真

4.1 仿真電路圖

圖3.4.1 三相橋式整流電路圖

圖3.4.2 切換過程示意圖

圖3.4.3 TCR示意圖

圖4.2 仿真結(jié)果波形

本文使用PSCAD軟件進行仿真工作，仿真過程的電路圖由12脈動整流電路的主電路圖、鎖相裝置圖、延遲部分裝置圖、觸發(fā)脈沖部分裝置圖和輸出裝置圖等幾個部分組成。由12個晶閘管組成的整流電路是整個仿真電路的重點，可以通過輸出裝置來看到起整流的波形，從而可以說明12脈動整流波形的融冰的可行性。

4.2 仿真實驗的結(jié)果

仿真實驗的波形如圖4.2。

圖中即為仿真結(jié)果，可以看出，在相間電壓Eab的一個周期中，輸出電壓Es總共經(jīng)歷了12個周期，即仿真電路產(chǎn)生了12脈動的電壓波形。

5 總 結(jié)

線路覆冰對電網(wǎng)有著十分巨大的危害，它可以造成桿塔倒塔，線路短路、損毀，閃絡(luò)短路等嚴重后果，甚至可以導(dǎo)致惡劣的電網(wǎng)大面積停電事故，嚴重地影響了我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

本文中具體使用的電流融冰裝置是具有12脈動整流功能的svc裝置。12脈動整流裝置產(chǎn)生直流融冰電流，通過短路導(dǎo)線產(chǎn)生熱量來進行融冰。本文所使用的融冰裝置是基于svc無功補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，通過一系列的邏輯開關(guān)切換，得到整流電路融冰。這種方式的好處是在非融冰期間可以通過TCR式SVC對電網(wǎng)進行無功補償，而需要融冰只需要幾個簡單的切換就可以使線路具有融冰功能，不會浪費線路功用，經(jīng)濟性好。

本文還就12脈動整流電路通過PSCAD軟件進行了仿真，以證實整流電路可以產(chǎn)生足夠融冰的直流電流，在需要時進行融冰。

基于SVC的12脈動整流電路有著其他整流方法無法相比的優(yōu)勢與發(fā)展前景，本文只是對其基本原理進行了探究，拋磚引玉，讓更多的人來對這一融冰方法進行研究與改進，保護我國的電網(wǎng)安全。

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