楊 芳，侯宇凝

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn)；511518；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著電力輸電線路規(guī)模的日益擴(kuò)大，線路覆冰對(duì)電力線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大干擾。覆冰嚴(yán)重會(huì)造成導(dǎo)線承載壓力超過(guò)極限值而引起導(dǎo)線斷裂。同時(shí)，由于導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)和導(dǎo)線脫冰跳躍等特殊形式的運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成線路部件損壞和絕緣間隙擊穿的事故，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2008年初，受大規(guī)模雨雪天氣的影響，南方受影響地區(qū)電力系統(tǒng)架空線路發(fā)生大規(guī)模斷線事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。

而粵北地區(qū)的地形比較復(fù)雜，架空線路覆冰時(shí)并不是全線都會(huì)覆冰，只有在山區(qū)線路中后段或者末端會(huì)嚴(yán)重覆冰，也就是說(shuō)覆冰的不均勻性使直流融冰無(wú)法在此展開(kāi)更好的應(yīng)用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了交流融冰的多種模式，并將融冰裝置置于履冰區(qū)，只對(duì)履冰區(qū)進(jìn)行融冰，實(shí)施精準(zhǔn)融冰。根據(jù)履冰區(qū)段的特點(diǎn)，選擇不同的融冰模式或多模式組合搭配，能應(yīng)用在110 kV、35 kV、10 kV線路融冰，且投資少、見(jiàn)效快。

1 交直流融冰對(duì)比

交直流融冰的原理都是利用導(dǎo)線通過(guò)電流產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)熱量足以維持導(dǎo)線表面的溫度在0 ℃以上時(shí)，導(dǎo)線表面的冰層會(huì)融化而脫落，從而起到融冰的作用[2]。

1.1 交流融冰技術(shù)簡(jiǎn)介

交流短路融冰是將融冰短接線裝在輸電線路的某一點(diǎn)上，再通過(guò)中壓配電裝置對(duì)線路輸送融冰電流，并依靠短路電流產(chǎn)生的熱量融化線路上的覆冰。交流短路融冰法可以分為三相短路融冰法和兩相短路融冰法[3]。

其中，三相短路融冰法是將線路末端三相短路，然后在首端提供融冰電源，通過(guò)三相短路時(shí)的過(guò)電流發(fā)熱使導(dǎo)線融冰。融冰電流計(jì)算如下：

式中，I為融冰的每相電流（A）；U為首端電源的線電壓（V）；r0、x0分別為每千米的電阻和電抗（Ω/km）；L為從電源端至短路端的有效距離（km）；λ為附加阻抗系數(shù)，實(shí)際工程中可取1.03。

1.2 直流融冰技術(shù)簡(jiǎn)介

該方法通過(guò)換流裝置把交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，并對(duì)覆冰線路加熱，使得線路覆冰融化，原理如圖1所示。由于直流電流在流經(jīng)輸電線路上不產(chǎn)生無(wú)功功率且線路電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電抗，因此只有換流裝置需要消耗無(wú)功。所以，對(duì)電壓等級(jí)相同的融冰電源來(lái)說(shuō)，直流電源比交流電源可輸出更大的融冰電流[4]。

圖1 直流融冰原理圖

2 交流融冰的模式

2.1 直接利用10/0.4 kV配電變壓器融冰模式

由于一些線路只是在部分線段有嚴(yán)重履冰，不需進(jìn)行全線融冰，可以考慮將融冰電源的電壓降至一個(gè)較低值0.4 kV，即可縮短融冰線路長(zhǎng)度。

2.1.1 融冰模式的實(shí)施

（1）“固定臺(tái)變?nèi)诒蹦Ｊ?。在覆冰區(qū)首端安裝10/0.4 kV降壓配變作為融冰電源，履冰區(qū)末端將三相導(dǎo)線短路。為了減小冰災(zāi)險(xiǎn)惡環(huán)境下安裝作業(yè)量，將融冰電源及短路功能設(shè)置為固定裝置，即在融冰配變處安裝融冰方式轉(zhuǎn)換刀閘，三相導(dǎo)線短路處安裝短路刀閘，這樣融冰變?cè)诜侨诒鶢顟B(tài)時(shí)仍可作配變使用，如圖2所示[5]。融冰配變及方式轉(zhuǎn)換刀閘和短路刀閘設(shè)置于履冰區(qū)與非履冰區(qū)臨界點(diǎn)附近。融冰狀態(tài)的實(shí)施，如圖3所示。當(dāng)需要融冰的時(shí)候，使K1斷開(kāi)、K2和K3處于閉合狀態(tài)；而在非覆冰期間，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)則相反。

圖2 配變?nèi)诒惭b點(diǎn)示意圖

圖3 固定臺(tái)變短路融冰方式轉(zhuǎn)換圖

（2）“并聯(lián)導(dǎo)線+固定臺(tái)變?nèi)诒蹦Ｊ?。固定臺(tái)變模式融冰距離在1.1～2.1 km范圍內(nèi)。為了能延長(zhǎng)融冰距離，將融冰線路的三相導(dǎo)線其中兩相并聯(lián)，與另外一相組成回路，接于變壓器低壓側(cè)的兩相，使其缺相運(yùn)行。并聯(lián)導(dǎo)線可降低阻抗，從而延長(zhǎng)融冰距離1.33倍，融冰距離可達(dá)2～3 km。它的配變、方式轉(zhuǎn)換刀閘、短路刀閘等裝置的設(shè)置和安裝，與固定臺(tái)變?nèi)诒Ｊ揭粯印Ｈ绾螌?shí)現(xiàn)“并聯(lián)導(dǎo)線”融冰，即在配變低壓出線側(cè)增加一組低壓刀閘，并將其接成角形接法，如圖4所示。若要實(shí)現(xiàn)AB并聯(lián)與C相形成回路進(jìn)行融冰，拔掉K5低壓刀閘B相刀熔，合上K3即可；若要實(shí)現(xiàn)AC并聯(lián)與B相形成回路進(jìn)行融冰，拔掉低壓刀閘A相刀熔，合上K1即可；若要實(shí)現(xiàn)BC并聯(lián)與A相形成回路進(jìn)行融冰，拔掉低壓刀閘B相刀熔，合上K2即可。

（3）“配變雙向融冰”模式。若融冰變壓器處于環(huán)網(wǎng)供電線路上，即配變雙向均有電源。在上述兩模式下，將配變高低壓側(cè)導(dǎo)線對(duì)調(diào)就能實(shí)現(xiàn)雙向融冰，融冰距離相應(yīng)增加2倍，如圖5所示。

圖4 “并聯(lián)導(dǎo)線+固定臺(tái)變?nèi)诒蹦Ｊ绞疽鈭D

圖5 “配變雙向融冰”模式示意圖

2.1.2 本融冰模式的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是利用已運(yùn)行的普通變壓器，不需要任何改裝，不需要增加費(fèi)用，就可以進(jìn)行交流融冰，只是在設(shè)定的位置安裝短路刀閘[6]。解決配變?nèi)诒?，不用安裝融冰變和三相短接作業(yè)量，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和耗時(shí)；解決配變?nèi)诒鶗r(shí)，不用全線停電，減少了停電范圍；對(duì)已安裝有分支斷路器或其他開(kāi)關(guān)的10 kV支線進(jìn)行交流融冰時(shí)，不需要停T結(jié)的主干線。缺點(diǎn)是融冰距離短，只有1.1～5.6 km，不能連續(xù)可調(diào)。但是，履冰區(qū)在5 km范圍內(nèi)時(shí)，這種模式的優(yōu)點(diǎn)特別明顯。融冰裝置設(shè)置于履冰區(qū)內(nèi)融冰，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)融冰，減輕作業(yè)量，投資少，實(shí)用性強(qiáng)。

2.1.3 本融冰模式的選擇

利用10/0.4 kV降壓配變作為融冰電源，融冰距離如表1所示。融冰時(shí)首先考慮最大允許截面電流，設(shè)定融冰電流I的范圍，依據(jù)導(dǎo)線復(fù)阻抗推算出融冰距離，即：

ρ可查表得出或以導(dǎo)線幾何均距計(jì)算得出，再依融冰電流計(jì)算得融冰容量：

常用單導(dǎo)線融冰距離詳見(jiàn)表1。

2.2 10 kV專(zhuān)用降壓變壓器融冰模式

上述直接利用10/0.4 kV配電變壓器融冰模式，融冰距離在1.1～5.6 km范圍內(nèi)。為進(jìn)一步延長(zhǎng)融冰距離，可提高融冰電壓。

2.2.1 本融冰模式的實(shí)施

將10 kV降壓變壓器的二次側(cè)電壓改造為2.0 kV、1.8 kV、1.6 kV、1.4 kV、1.2 kV電壓等級(jí)作為融冰電源，分五檔以提高融冰變壓器的應(yīng)用范圍。保留0.4 kV，在非融冰狀態(tài)時(shí)仍可作配變使用，融冰距離在3.59～10.8 km，具體如表2所示[7]。它的配變、方式轉(zhuǎn)換刀閘、短路刀閘等裝置的設(shè)置和安裝與固定臺(tái)變?nèi)诒Ｊ揭粯?，同樣可進(jìn)行“并聯(lián)導(dǎo)線”和“雙向”融冰，這里不做復(fù)述。

表1 0.4 kV配變交流融冰距離一覽表

2.2.2 本融冰模式的優(yōu)缺點(diǎn)

將降壓變壓器的二次側(cè)電壓設(shè)置為2.0 kV以下，是考慮了融冰變戶(hù)外安裝方便、電壓過(guò)高、容量大、體積大且笨重，不便戶(hù)外安裝。另外，2.0 kV以下有五個(gè)檔位，基本履蓋了融冰距離要求。同時(shí)，考慮對(duì)線路施加電壓小于5 kV時(shí)，可以不斷開(kāi)配變進(jìn)行融冰，以減少操作量和停電范圍。若不考慮融冰變戶(hù)外安裝，融冰電壓可設(shè)置在5 kV以?xún)?nèi)。本模式具有20/0.4 kV配電變壓器融冰模式所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)融冰距離較長(zhǎng)，可達(dá)11 km，且融冰距離在一定范圍內(nèi)可調(diào)。缺點(diǎn)是履冰區(qū)大于11 km時(shí)無(wú)法融冰，但履冰區(qū)在11 km內(nèi)時(shí)優(yōu)點(diǎn)明顯、投資少。

2.2.3 本融冰模式的選擇

履冰區(qū)在11 km內(nèi)時(shí)優(yōu)先選擇本模式，融冰時(shí)首先考慮最大允許截面電流，設(shè)定融冰電流范圍，依據(jù)導(dǎo)線復(fù)阻抗推算出融冰距離，再依融冰電流計(jì)算得融冰容量。融冰距離計(jì)算與選擇同上述一致，表2為選擇參考。若利用本模式融電壓等級(jí)超10 kV的主網(wǎng)線路，則在融冰變和短路刀閘前安裝主網(wǎng)線路額定電壓的隔離刀閘即可。這樣既保證了融冰裝置在主網(wǎng)線路運(yùn)行時(shí)不受影響，又保證了融冰時(shí)不用安裝融冰裝置的作業(yè)量，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和耗時(shí)。

表2 10 kV降壓專(zhuān)用融冰變壓器融冰距離一覽表

2.3 直接利用10 kV電源進(jìn)行交流融冰模式

上述兩種融冰模式，融冰距離限制在11 km內(nèi)。本模式是直接取10 kV交流電源作為融冰電源，將10 kV電壓加在融冰線路上，在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b三相短路裝置。其他與配變?nèi)诒粯?，融冰距離的計(jì)算與上述一致，表3為選擇參考。

2.4 就地利用小水電電源進(jìn)行交流短路融冰模式

上述三種融冰模式前提是必須有電源提供。本模式就地利用小水電電源作為融冰電源，其原理與上述一致。小水電電源接入方式有幾種?；洷鄙絽^(qū)小水電裝機(jī)容量較小，一般采用發(fā)電機(jī)升壓零起升流融冰，即指將發(fā)電站升壓變接入，高壓側(cè)線路的末端三相短路，低壓側(cè)由發(fā)電機(jī)零起升流作為融冰電源。在融冰線路、發(fā)電機(jī)、升壓變連成電氣回路的狀態(tài)下，通過(guò)緩慢增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流逐步提高線路電流至一定數(shù)值，從而令線路發(fā)熱融冰。此融冰方式適用于有聯(lián)接小水電的35 kV、10 kV線路融冰，融冰距離決定于融冰電壓和水電機(jī)組容量，計(jì)算方法與上述一致，升流大小和速度可控。

表3 10 kV交流短路融冰距離一覽表

3 交流融冰模式的選擇應(yīng)用

冰災(zāi)來(lái)襲，單一的固定式直流融冰模式不能滿(mǎn)足要求。一是固定式直流融冰能耗太大不能滿(mǎn)足多條線路同時(shí)融冰；二是固定式直流融冰慢不能滿(mǎn)足融冰的速度要求。因此，如何利用現(xiàn)有的資源選擇不同的融冰模式顯得尤為重要。

根據(jù)履冰區(qū)的分布情況，選擇接近中心位置的變電站作為融冰中心站。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和履冰區(qū)離中心站距離，確定是否設(shè)置固定式融冰裝置。若線路的履冰區(qū)離中心站距離大于40 km且與相鄰變電站距離大于40 km，可選擇安裝固定式直流融冰裝置。若線路的履冰區(qū)離中心站距離小于40 km且履冰區(qū)占全線長(zhǎng)度的30%以上，可選擇直接利用變電站10 kV電源進(jìn)行交流融冰，不用安裝專(zhuān)用的融冰電源裝置，在變電站設(shè)置方式轉(zhuǎn)換裝置即可。若線路的履冰區(qū)離中心站距離小于40 km且履冰區(qū)占全線長(zhǎng)度的30%以下，變電站內(nèi)可不設(shè)融冰裝置，將融冰裝置置于線路履冰段，實(shí)施精準(zhǔn)交流融冰。當(dāng)融冰中心站容量不足時(shí)，可選擇精準(zhǔn)交流融冰模式作為補(bǔ)充，也可利用附近小水電站作為融冰電源，彌補(bǔ)容量不足的缺口。綜上所述，多模式并舉，充分利用現(xiàn)有資源解決問(wèn)題，節(jié)省融冰投資，同時(shí)方便了融冰的實(shí)施。

若線路履冰區(qū)在表1數(shù)據(jù)以?xún)?nèi)，可選擇固定式配電變壓器融冰模式，依據(jù)不同的導(dǎo)線線徑選擇計(jì)算融冰距離，也可采用“并聯(lián)導(dǎo)線+固定臺(tái)變?nèi)诒蹦Ｊ?，在配電變壓器融冰基礎(chǔ)上延長(zhǎng)融冰距離1.33倍。若有雙向電源供電可選擇雙向融冰模式，融冰距離可再增加2倍[8]。具體參照表1。

若線路履冰區(qū)在表2數(shù)據(jù)以上且在40 km內(nèi)，同時(shí)履冰區(qū)占全線長(zhǎng)度的30%以上，即選擇10 kV電源進(jìn)行交流融冰模式，具體參照表3。

若線路履冰區(qū)在表2數(shù)據(jù)以?xún)?nèi)且只有一段履冰區(qū)，同時(shí)履冰區(qū)占全線長(zhǎng)度的30%以下，如圖6所示。若89#～108#為履冰區(qū)，則選擇此方案。在履冰區(qū)與非履冰區(qū)臨界點(diǎn)附近選擇111#桿安裝10 kV降壓專(zhuān)用融冰變壓器，90#桿安裝短路刀閘，由110 kV站側(cè)向線路施加10 kV交流電壓進(jìn)行融冰。

若一回主網(wǎng)線路有兩個(gè)履冰區(qū)且履冰區(qū)均在表2數(shù)據(jù)以?xún)?nèi)，同時(shí)履冰區(qū)占全線長(zhǎng)度的30%以下，如圖7所示。若89#～108#和62#～78#為履冰區(qū)，則選擇此方案。在履冰區(qū)與非履冰區(qū)臨界點(diǎn)附近選擇83#桿安裝10 kV降壓專(zhuān)用融冰變壓器，61#桿安裝短路刀閘，由110 kV站側(cè)向線路施加10 kV交流電壓，融62#～78#段的履冰。在112#桿安裝短路刀閘，由35 kV站側(cè)向線路施加10 kV交流電壓，融89#～108#段的履冰。

圖6 線路單履冰區(qū)示意圖

圖7 線路雙履冰區(qū)示意圖

若融冰中心站附近有合適的小水電站或者履冰線路有聯(lián)接小水電站，可采用小水電交流短路融冰模式。融冰距離和容量計(jì)算，與上述一致。

4 結(jié) 論

本文所述的交流融冰具有6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）投資少，即利用已運(yùn)行的普通變壓器，不需要任何改裝，不需要增加費(fèi)用，就可以進(jìn)行交流融冰，在設(shè)定的位置安裝短路刀閘即可；

（2）便利快捷，即解決配變?nèi)诒埃挥冒惭b融冰變和三相短接作業(yè)量，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和耗時(shí)；

（3）操作量少，降低冰災(zāi)天氣的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，即解決配變?nèi)诒鶗r(shí)不用全線停電，減少停電范圍；對(duì)已安裝有分支斷路器或其他開(kāi)關(guān)的支線進(jìn)行交流融冰時(shí)，不需要停T結(jié)的主干線；

（4）將融冰裝置設(shè)置于履冰區(qū)內(nèi)，只對(duì)履冰段進(jìn)行融冰，實(shí)施精準(zhǔn)融冰，大大降低融冰能耗；

（5）將融冰裝置設(shè)置于履冰區(qū)與非履冰區(qū)臨界點(diǎn)附近，避免冰凍天氣開(kāi)關(guān)設(shè)備凍結(jié)難操作；

（6）出現(xiàn)冰災(zāi)變電站融冰裝置“忙不過(guò)來(lái)”或容量不足時(shí)，用交流變壓器融冰或小水電站融冰作為直流融冰的補(bǔ)充，既可用于配網(wǎng)，又可用于主網(wǎng)，有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

交流電有“集膚”效應(yīng)，履冰正好在導(dǎo)線表面，故交流融冰發(fā)熱效率高?！凹w”效應(yīng)與頻率有關(guān)，基于這點(diǎn)交流融冰可應(yīng)用于地線融冰和OPGW光纜融冰。采用交流變頻融冰可設(shè)置在諧振點(diǎn)融冰，以降低線路阻抗，增強(qiáng)“集膚”效應(yīng)[9]。融冰裝置的接入方式與配網(wǎng)一致，將融冰裝置置于履冰區(qū)與非履冰區(qū)臨界點(diǎn)附近，提高融冰效率和速度，降低融冰能耗。本文所述交流融冰融冰快、效果好，作業(yè)量少、風(fēng)險(xiǎn)低，投資和維護(hù)量也少，有較大的應(yīng)用前景。