朱旭東，陳 鶴，辛業(yè)春

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000;2. 東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

2008年1月，一場“百年難遇”的冰雪自然災(zāi)害悄然而來，罕見的冰凍給南方電網(wǎng)中的各類輸電線路、各種電氣設(shè)備都造成了十分嚴(yán)重的損失。輸電線路覆冰嚴(yán)重，難以提供正常電力供應(yīng)。這極大地影響了人們的日常的工作、學(xué)習(xí)和生活。

以云南地區(qū)為例，冰雪災(zāi)害造成云南省電壓等級在10～500 kV的線路累積停運(yùn)1091條，變電站累積停運(yùn)76座。110 kV及以上輸電線路倒塔(桿)120基，桿塔塔頭垮塌、損壞113基，導(dǎo)、地線斷線137條。這導(dǎo)致了205個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)面臨停電，影響電量累計(jì)可達(dá)1.88億kW·h，造成2156戶工業(yè)停工，85.4萬戶居民家庭停電，累計(jì)涉及人口可達(dá)429.5萬人，造成了極大的損失。因此，解決寒潮天氣狀況下的冰凍問題十分重要[1]。

為了避免冰雪災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響，各種各樣的融冰技術(shù)、形形色色的融冰裝置也受到人們的廣泛關(guān)注。常見的融冰方式主要有：交流短路融冰法、直流融冰法、電磁脈沖融冰法、高頻電壓激勵(lì)融冰法及機(jī)械除冰法等。這些方法有一個(gè)相似的特點(diǎn)就是：通過使輸電線路中電流的急劇增加或其他機(jī)械方法，使導(dǎo)線本身產(chǎn)生大量的焦耳熱，促使周圍的冰層融化脫落，達(dá)到除冰的目的。生活中常見的除冰方法或多或少包含著缺點(diǎn)。對于交流短路融冰法，在電壓等級為500 kV及以上等級時(shí)，需要的無功很多，難以找到滿足要求的電源，融冰時(shí)間往往長達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)。對于高頻電壓激勵(lì)融冰法，高頻高壓的條件會導(dǎo)致通信受到干擾，設(shè)備成本高昂，除冰距離有限。對于機(jī)械除冰法，必須要將需除冰的部分停電處理，以保證人員安全；其次，機(jī)械除冰耗時(shí)費(fèi)力，也不允許電氣設(shè)備的機(jī)械損壞的狀況發(fā)生。對于直流融冰，必須要求融冰線路與電網(wǎng)斷開，融冰結(jié)束后，該裝置作為就地?zé)o功補(bǔ)償裝置，使用頻率低，占地面積大，但直流融冰產(chǎn)生熱量均勻，融冰效果好。

該文主要論述如何將直流融冰與無功補(bǔ)償二者協(xié)同運(yùn)行，一方面使該裝置的融冰操作有效進(jìn)行；另一方面使裝置在融冰結(jié)束后，仍可并入電網(wǎng)，為電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)提供無功，以達(dá)到電壓實(shí)時(shí)平衡的目的。

1 直流融冰的原理及特點(diǎn)

1.1 直流融冰的原理

直流融冰主要是指交流電壓通過換流站轉(zhuǎn)化為直流電壓，連接在待融冰線路兩端，由于短路作用，電流數(shù)值急劇增加至正常工作電流以上，導(dǎo)線溫度也隨之上升，從而使附著在導(dǎo)線上的冰層融化脫落，最終達(dá)到去除的目的。

通常情況下，將裝置中包含整流變壓器的融冰裝置稱為固定式融冰；反之，不含有整流變壓器的融冰裝置稱為移動式融冰[2-4]。在融冰的過程中，線路的連接也有兩種方式：一種是1-1方式接線，是指在融冰的過程中，在三相(A相、B相、C相)導(dǎo)線中任取其中兩相直接接在直流電壓的兩端，構(gòu)成短路回路進(jìn)行融冰，如圖1所示；另一種是1-2方式接線，是指在融冰過程中，將三相導(dǎo)線中的其中兩相并聯(lián)后接到直流裝置的其中一極，將導(dǎo)線中剩余的一相接到另外一極，形成融冰回路，如圖2所示。

圖1 1-1方式接線示意圖

圖2 1-2方式接線示意圖

1.2 直流融冰的特點(diǎn)

1)在需要融冰的線路上，不用考慮電感的損耗，故不需要無功功率來使效率提高、電壓穩(wěn)定，因此系統(tǒng)容量不用很大。

2)線路上通入直流電流，穩(wěn)定性不會隨長度的變化而有明顯的影響；同時(shí)，導(dǎo)線中電流密度分布均衡，產(chǎn)生的焦耳熱的大小也比較均勻。

3)直流融冰的倒閘操作相對于交流融冰而言更加簡單，但是往往需要特定的換流裝置來進(jìn)行操作。

4)移動式融冰需要將裝置運(yùn)到融冰現(xiàn)場來操作，需要進(jìn)行臨時(shí)接線，耗費(fèi)時(shí)間。

2 SVC裝置的原理及分類

2.1 SVC裝置的原理

靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)通常包含一個(gè)電抗器和一個(gè)電容器，電抗器用來調(diào)節(jié)電感的大小，電容器用來濾出產(chǎn)生的高次諧波。此裝置往往能夠識別出電力系統(tǒng)中無功功率的實(shí)時(shí)波動情況，從而迅速地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)中的無功功率滿足要求，電能質(zhì)量也有所提高。

在實(shí)際應(yīng)用中，SVC裝置對于解決不同類型的負(fù)載所產(chǎn)生的無功功率的變化效果十分明顯。該裝置的應(yīng)用使系統(tǒng)的功率因數(shù)得到明顯的提升，電壓的波動得到了抑制，電壓和電流的三相不平衡度也有所降低，是一種擁有高水平技術(shù)、明顯的經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能裝置。

2.2 SVC裝置的分類

2.2.1 晶閘管控制電抗器型(TCR型)

采用反向并聯(lián)兩支晶閘管，再與電抗器串聯(lián)，如圖3所示。通過改變觸發(fā)角的大小來對此裝置進(jìn)行改變，本質(zhì)上來說，此操作改變了等值電納，因此裝置的無功輸出也發(fā)生了改變。該裝置響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)過程平滑連續(xù)，自動實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖3 TCR型無功補(bǔ)償裝置

2.2.2 晶閘管投切電容器型(TSC型)

利用反并聯(lián)晶閘管作為無功補(bǔ)償裝置，它利用晶閘管具有單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)，迅速并平穩(wěn)地對電容器進(jìn)行投切，如圖4所示。投切具體時(shí)間可以精準(zhǔn)把控，能立刻將電容器并入電網(wǎng)，大大降低了投切時(shí)的電壓沖擊，減少了諧波的產(chǎn)生。

圖4 TSC型無功補(bǔ)償裝置

2.2.3 帶濾波器的晶閘管控制電抗器型(TCR+FC型)

一種組合補(bǔ)償形式，通過控制裝置中反并聯(lián)的二極管的觸發(fā)角，來實(shí)現(xiàn)將TCR的補(bǔ)償范圍從感性擴(kuò)展到容性區(qū)域，既可以供給感性無功，又可以供給容性無功。這種組合是對TCR型裝置功能的完善。內(nèi)部的電容器起到濾波作用，減少了諧波的產(chǎn)生，是當(dāng)前SVC的一種較為常見的方式，如圖5所示。

圖5 TCR+FC型無功補(bǔ)償裝置

3 直流融冰兼SVC裝置

傳統(tǒng)的直流融冰方式中融冰裝置每年工作的時(shí)長有限，其余時(shí)間內(nèi)，該裝置大多處于閑置狀態(tài)，可利用率很低。將直流融冰裝置與SVC裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在需要融冰時(shí)當(dāng)作融冰裝置；在融冰結(jié)束后，直接并入電網(wǎng)中，對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的無功功率補(bǔ)償，提高了設(shè)備的利用率以及整體的經(jīng)濟(jì)性。常見的直流融冰兼SVC裝置類型有TCR型和可控整流器型兩種。

3.1 TCR型直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置

該裝置的原理是通過改變6個(gè)晶閘管的連接方式，從而使整個(gè)裝置可以在直流融冰和無功補(bǔ)償兩種狀態(tài)進(jìn)行切換。當(dāng)裝置處于融冰狀態(tài)時(shí)，ABC三相均連接了反并聯(lián)晶閘管的其中一端，另一端3個(gè)共陰極組相連作為融冰線路的正極，3個(gè)共陽極組相連作為融冰線路負(fù)極。當(dāng)裝置處于無功補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，任意兩相之間加入反并聯(lián)的2支晶閘管。不同狀態(tài)時(shí)的電路原理圖如圖6、圖7所示[5]。

圖6 直流融冰狀態(tài)原理圖

圖7 無功補(bǔ)償狀態(tài)原理圖

3.2 可控整流器型直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置

該裝置的主要原理是通過改變末端開關(guān)的關(guān)斷與閉合，將待融冰部分與電路相連和斷開，實(shí)現(xiàn)融冰和無功補(bǔ)償?shù)那袚Q[6]，如圖8所示。其中S1、S2為隔離開關(guān)，當(dāng)S1斷開，S2閉合時(shí)，待融冰線路上通以直流電流，裝置運(yùn)行在直流融冰模式。當(dāng)S2斷開，S1閉合時(shí)，整流裝置的直流側(cè)經(jīng)電抗器直接短接，由于電抗器的電感值極大，此時(shí)，整流裝置上消耗的無功功率遠(yuǎn)大于有功功率，該裝置等效為感性無功補(bǔ)償裝置，并可通過改變整流裝置觸發(fā)角的大小實(shí)現(xiàn)消耗無功功率大小的調(diào)節(jié)。

圖8 可控整流器型直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置原理圖

3.3 二者優(yōu)缺點(diǎn)分析

TCR型直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是在工作的過程中，產(chǎn)生的諧波較小，無功補(bǔ)償及時(shí)，電能質(zhì)量好，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定；缺點(diǎn)是由于此種形式的裝置主要是通過改變晶閘管連接方式調(diào)節(jié)的，切換過程操作復(fù)雜，工作量較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

可控整流器型直流融冰兼無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過程中，并未改變晶閘管的連接方式，僅靠更改外部開關(guān)通斷，切換過程操作簡單，增加了系統(tǒng)的可靠性；缺點(diǎn)是無功補(bǔ)償時(shí)會產(chǎn)生相對比較明顯的諧波，補(bǔ)償速度也會相對較慢。

4 結(jié) 語

闡述了直流融冰以及無功補(bǔ)償裝置原理，并分析了兩種常見的直流融冰兼SVC裝置。通過原理分析以及優(yōu)缺點(diǎn)的對比可發(fā)現(xiàn)，該裝置可以良好地解決寒潮時(shí)期的冰凍問題，增加了裝置的利用率，提高了經(jīng)濟(jì)性，使該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得以顯現(xiàn)。但是，操作方便與諧波含量少二者之間仍難以兼顧。隨著直流融冰的普及與發(fā)展，可想辦法將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，優(yōu)化操作過程，或者選取穩(wěn)定性更高的半導(dǎo)體元件。這樣，直流融冰方法得到更好應(yīng)用。