楊芳，唐小亮，周亞兵，賓潑，侯宇凝，李達(dá)義

(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．強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

2008年初，受到低溫降雪天氣的影響，我國南方地區(qū)遭受了史無前例的冰災(zāi)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，此次冰災(zāi)造成500 kV交直流倒塔678基，停運輸電線路119條，220 kV交直流倒塔432基，停運輸電線路343條[1-3]，使得電網(wǎng)大面積陷入癱瘓之中。自2008年后，輸電線路融冰技術(shù)成為研究熱點?，F(xiàn)有融冰技術(shù)雖然已經(jīng)取得了一定的成效，但是尚無可不停電融冰的工程先例，仍然以交流短路融冰和直流短路融冰為主[4]，有必要設(shè)計出一種不停電融冰裝置，進一步減少融冰期間造成的停電問題，提高電網(wǎng)可靠性，減少經(jīng)濟損失。

粵北山區(qū)是2008年冰災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其特殊的地理位置使得春冬季節(jié)時有凍雨天氣出現(xiàn)，架空電力線路易覆冰，威脅冰區(qū)設(shè)備、電網(wǎng)、供電安全，而現(xiàn)有融冰裝置主要用于線路相對較長的主網(wǎng)線路，完善配電網(wǎng)線路除冰手段是亟需解決的關(guān)鍵問題。目前的配電網(wǎng)線路融冰方法存在融冰操作復(fù)雜、長度短且需線路停電等問題，有必要開展架空線路在線融冰新技術(shù)研究，解決上述問題。

1 國內(nèi)外融冰技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期以來，國內(nèi)外對高壓輸電線路的覆冰監(jiān)測進行了長期的觀測和研究，目前，國內(nèi)外除冰技術(shù)有30余種，主要劃分為4類：交流短路融冰法、直流融冰法、機械破冰法以及其他新型除冰法[5]。

1.1 交流短路融冰技術(shù)

1976年以后，中國和加拿大Manitoba水電局一直采用短路電流融冰。1993年加拿大Manitoba水電局就已經(jīng)開展了交流短路融冰，截至目前，已經(jīng)可以實現(xiàn)數(shù)千公里線路融冰。交流短路融冰是將融冰短接線裝在輸電線路的某一點上，再利用中壓配電裝置對線路輸送融冰電流，并依靠短路電流產(chǎn)生的熱量融化線路上的覆冰。圖1所示為交流短路融冰技術(shù)原理，其中“(3)”表示末端三相短路。

圖1 交流融冰技術(shù)Fig.1 AC ice melting technology

交流短路融冰方法可以充分利用集膚效應(yīng)加速融冰，并且可以直接采用系統(tǒng)電源作為融冰電源，操作簡單，成本較低，目前是大部分地區(qū)的首選融冰方式。但是，該方法的不足之處是隨著電壓等級升高，電源的無功容量需求過大，一般只適用于220 kV及以下電壓等級線路的融冰作業(yè)[6]。

1.2 直流短路融冰技術(shù)

直流短路融冰技術(shù)通過換流裝置將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，并對覆冰線路加熱，使得線路覆冰融化。圖2所示為直流短路融冰方法原理。

圖2 直流融冰技術(shù)Fig.2 DC ice melting technology

直流電流在流經(jīng)輸電線路時不產(chǎn)生無功功率[7]，并且線路電阻遠(yuǎn)小于電抗，只有換流裝置需要消耗無功；因此對電壓等級相同的融冰電源來說，直流電源比交流電源輸出更大的融冰電流。直流融冰技術(shù)由于沒有引入大量無功，不需要大容量的無功補償裝置，但是需要可靠的整流裝置，操作不便。

1.3 機械除冰技術(shù)

機械除冰技術(shù)是指通過人工或者機器使導(dǎo)線表面覆冰脫落，以此達(dá)到除冰的目的，具體是通過使用自動機械裝置產(chǎn)生的動力來破壞線路上的冰體，從而使得覆冰從線路上脫落。機械除冰主要包括4種方式——人工除冰、滑輪鏟刮法、強力振動法和機器人除冰。圖3所示為人工除冰現(xiàn)場照片。

圖3 人工除冰技術(shù)Fig.3 Artificial de-icing technology

人工除冰需要人員現(xiàn)場操作并執(zhí)行，且需要視冰層的厚度選擇不同的工具。當(dāng)需要停電融冰時，可以通過竹竿敲打法等多種手工除冰方法[8]。該方法的優(yōu)點是方便易用，但是效率不高且安全性極差。

1.4 高頻激勵融冰技術(shù)

McCurdy J.D.等人于20世紀(jì)末提出了高頻激勵融冰技術(shù)。高頻激勵融冰雖然也屬于熱力融冰的范疇，但在原理上又有一定的區(qū)別。當(dāng)對覆冰導(dǎo)線產(chǎn)生1個高頻交變電流時，冰會成為有損的電介質(zhì)，高頻電場對其進行反復(fù)極化，同時流經(jīng)導(dǎo)線的高頻電流也會在導(dǎo)線中產(chǎn)生焦耳熱[9-12]。圖4所示為高頻激勵融冰技術(shù)原理。研究表明，電介質(zhì)在進行高頻加熱時，其單位體積吸收的熱功率

H=(1.33fpsE2εrtanδ)×10-13.

(1)

式中：fps為高頻激勵電源的頻率；E為電場強度；εr為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)；tanδ為電介質(zhì)損耗角度的正切值。

該方法雖能耗低，但是過高的頻率會對公共空間造成嚴(yán)重的電磁干擾，選擇合適的頻率十分重要，目前主要停留在理論研究階段。此外，陸續(xù)出現(xiàn)了利用化學(xué)涂料防冰、智能機器人除冰、微波加熱霧滴等的融冰和防冰技術(shù)，但是很多也都停留在理論階段[13-15]。

圖4 高頻激勵融冰示意圖 Fig.4 Schematic diagram of high-frequency excitation ice melting

以上融冰技術(shù)都有獨特的應(yīng)用場景與優(yōu)勢，但始終無法解決融冰時的停電問題。為此，本文設(shè)計了接地變壓器與可調(diào)電抗器相配合的在線融冰系統(tǒng)，在線路末端通過避雷線構(gòu)成零序回路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器的電抗大小來實現(xiàn)融冰電流可控，以及融冰期間線路不停電。

2 在線融冰原理

在配電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，三相之間的線電壓保持不變，僅三相對地電壓發(fā)生變化，可以帶負(fù)載持續(xù)運行2 h[16]，而當(dāng)線路達(dá)到臨界融冰電流時，完成融冰僅需要1 h，基于此可以實現(xiàn)不停電融冰。根據(jù)電力系統(tǒng)各元件的零序等值電路，變壓器二次側(cè)以及負(fù)載側(cè)均為三角形連接，無法構(gòu)成零序回路，因此零序回路只能在圖5所示的零序融冰回路中流通。通過智能轉(zhuǎn)換刀閘，在非融冰期間，線路為非有效接地方式運行，在融冰期間，智能刀閘切換至零序電抗一體裝置。本文通過接地變壓器與可調(diào)電抗器相配合，并通過避雷線或大地作為零序電流的回路，融冰時對負(fù)載側(cè)不產(chǎn)生影響，從而實現(xiàn)不停電融冰。

導(dǎo)線所需的融冰電流隨著線徑增大而上升，因此需要計算出當(dāng)可調(diào)電抗器處于某一檔位時的在線融冰電流數(shù)值，比較當(dāng)前檔位的融冰電流數(shù)值與融冰線路的臨界融冰電流的大小，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器的檔位來改變阻抗大小，在不超過線路在覆冰期間允許的最大融冰電流的條件下，調(diào)節(jié)至滿足所需融冰電流Im，即

圖5 基于零序電抗裝置的不停電融冰示意圖Fig.5 Schematic diagram of uninterrupted power ice melting based on zero-sequence reactor

(2)

式中：USYS為系統(tǒng)相電壓有效值；ZL為每相線路阻抗；ZB為避雷線阻抗；ZGR為接地變壓器阻抗；Za為可調(diào)電抗器的阻抗。圖6所示為線路融冰電流隨導(dǎo)線型號變化曲線。

圖6 線路融冰電流變化曲線Fig.6 Ice melting current curves

2.1 融冰電流計算

在實際融冰工程中，融冰電流并不是任意數(shù)值均可，需要在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。因此，需要通過確定可調(diào)電抗器的阻抗來確定融冰電流[17]，且融冰電流必須大于臨界融冰電流；同時，在保證融冰速度的條件下，不得超過線路允許的最大容許電流。導(dǎo)線脫冰前的最大容許電流

(3)

式中：R90為導(dǎo)線在90 ℃時的電阻；tout為外界溫度；v為風(fēng)速，單位為m/s；D為冰層直徑，單位為cm；Σd為輻射系數(shù)，冰取0.64，霜取0.32，銅取0.6，鋁取0.11，鐵取0.25。

臨界融冰電流也叫最小融冰電流，是指保持導(dǎo)線溫度在0 ℃以上，剛好不使導(dǎo)線處于覆冰狀態(tài)時的最小電流。此時，導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱與輻射散熱、對流消耗等消耗的熱量相互平衡，計算公式如下：

(4)

式中：Ic為導(dǎo)線電流；R0為0 ℃時單位長度導(dǎo)線電阻；t1為導(dǎo)線不結(jié)冰的溫度，一般取t1=2 ℃。

在實際工程中，無法精確測量出導(dǎo)線的各項數(shù)據(jù)，在導(dǎo)線周圍環(huán)境因素變化不大的條件下，最大容許融冰電流和最小融冰電流也基本不變。因此，在融冰工程中，各導(dǎo)線型號的融冰電流可以見表1[18]。

表1 幾種導(dǎo)線的最大和最小融冰電流Tab.1 The maximum and minimum ice melting currents of several wires

由表1可以看出：最小融冰電流與最大融冰電流之間相差幾百安，實際工程中只需要調(diào)節(jié)可調(diào)電抗器使得融冰電流在該區(qū)間內(nèi)即可。由于融冰作業(yè)對精度要求不高，在實際工程中對照表1選取融冰電流即可，可根據(jù)實際所需的融冰時間來調(diào)節(jié)融冰電流，電流數(shù)值越大，融冰時間越短。

2.2 導(dǎo)線覆冰動態(tài)模型

針對覆冰從導(dǎo)線上的脫落條件，Valgas和Bejan對1個冰套筒在水平加熱圓柱體上的接觸融冰問題進行了理論和實驗研究，表明若覆冰形狀為圓形截面，此時融冰時間與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系為[19]

(5)

式中：t為融冰時間，單位為s；ρi為冰的密度，單位為kg/m3；Lf為冰的融化熱，單位為J/(kg·K)；cpi為冰的比熱容；tice為冰面溫度；Vmelt為融冰體積，單位為m3；Rc為單位長度導(dǎo)線電阻；Psol、Pc、Ps分別為日光、對流和輻射傳熱功率，單位為W。

3 在線融冰實驗裝置的參數(shù)設(shè)計

3.1 基于Maxwell 3D的融冰電流仿真

為了更為準(zhǔn)確地驗證實際系統(tǒng)中在線融冰裝置的作用，采用ANSYS軟件，基于實際接地變壓器模型建模。為了驗證本裝置在極端工況下的工作情況，對10 kV配電網(wǎng)架空線路進行仿真分析，選取線路參數(shù)為：導(dǎo)線型號LGJ-95，長度1.5 km；主變壓器8 000 kVA；前端負(fù)載4 000 kVA；末端負(fù)載20 kVA。線路正常工作時，末端線路電流僅為1 A左右，而導(dǎo)線LGJ-95的線路融冰電流則需要達(dá)到300 A以上，因此，此次仿真驗證在極端工況下的融冰效果。圖7所示為依據(jù)實際尺寸所搭建的接地變壓器模型，圖8所示為接地變壓器激勵電壓和電流曲線，圖9所示為Z型接地變壓器接線圖。

圖7 接地變壓器1/4模型Fig.7 Ground transformer model

圖8 接地變壓器激勵電壓、電流Fig.8 Excitation voltage and current of ground transformer

圖9 Z型接地變壓器接線圖Fig.9 Z-typed ground transformer wiring diagram

在工程設(shè)計中，往往根據(jù)變壓器的尺寸以及繞組的匝數(shù)半徑等參數(shù)估算系統(tǒng)的零序阻抗X0[20]，

(7)

式中：fs為電力系統(tǒng)頻率；Wh1為被計算的漏磁繞組的高壓線圈匝數(shù)；Hd為橫向漏磁等效高度，單位為cm；r1為高壓線圈平均半徑，單位為cm；p1為橫向漏磁洛氏系數(shù)；K為高壓線圈漏磁組數(shù)；a1為高壓線圈電抗寬度。

根據(jù)Z型接地變壓器的接線圖，分析其磁路聯(lián)系，得到如圖10的向量圖[21]。其中：a1、a2表示高壓側(cè)A相上下繞組，b1、b2表示高壓側(cè)B相上下繞組，c1、c2表示高壓側(cè)C相上下繞組。

圖10 Z型接地變壓器向量圖Fig.10 Vector diagram of Z-typed ground transformer

接地變壓器每柱的2個線圈(高壓內(nèi)外線圈)正序電流有120°的相角差，零序電流為180°相角差，常規(guī)變壓器每柱的2個線圈(高低壓線圈)正序電流為180°相角差；因此接地變壓器因同柱上兩繞組流過相等的零序電流而呈現(xiàn)低阻抗。圖11和圖12所示分別為接地變壓器磁感強度分布及空載電流。

圖11 接地變壓器磁感應(yīng)強度分布Fig.11 Magnetic induction intensity distribution of ground transformer

圖11 接地變壓器空載電流Fig.12 No-load current of ground transformer

可調(diào)電抗器壓降為4.621 4 kV，A相融冰電流為364.7 A，由此可以計算出可調(diào)電抗器的阻抗為12.67 Ω，電感約為40.4 mH。圖13所示為接地變壓器三相電流。

圖13 接地變壓器三相電流Fig.13 Three-phase current of ground transformer

圖14所示為在線融冰時三相線路的電流情況，從仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)A相末端與零序電抗一體裝置連接之后，A相線路電流為364.7 A，B、C兩相電流為1.1 A，與正常運行時線路電流相同。該極端工況下的仿真驗證了所設(shè)計的在線融冰裝置可實現(xiàn)在線融冰作業(yè)。

圖14 在線融冰時三相線路的電流Fig.14 Current curves of three-phase line during online ice melting

3.2 其他負(fù)載條件下的融冰工況

為了更進一步說明在線融冰思路在多種工況下的可行性，分別對不同負(fù)載容量進行仿真，驗證各種工況下的融冰效果，不同融冰工況見表2，多種負(fù)載條件在融冰期間對負(fù)載側(cè)的電壓、電流不產(chǎn)生影響，因此，在融冰期間可對用戶正常供電，實現(xiàn)不停電融冰。

表2 多種負(fù)載條件的融冰工況Tab.2 Ice melting conditions under various load conditions

3.3 接地變壓器的加工與測試

根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)計出容量為2 500 kVA、零序阻抗為1.25 Ω的接地變壓器，零序阻抗與設(shè)計值誤差很小，可認(rèn)為設(shè)計成功，裝置已運至融冰實驗線路，將在冬季開展實驗驗證。

由于首次設(shè)計該類型在線融冰裝置，為了保證安全性，需充分考慮各種可能的意外情況才可進一步開展掛網(wǎng)實驗。圖15所示為測試實物圖，表3為2組實驗測試結(jié)果，實驗位置均為三相中性點處。

圖15 接地變壓器單相阻抗測試Fig.15 Ground transformer single-phase impedance test

表3 接地變壓器測試結(jié)果Tab.3 Ground transformer test results

在實際融冰工作中，接地變壓器不需要二次側(cè)繞組，做成接地電抗器的形式，經(jīng)濟性更高。

4 結(jié)論

針對本文所研制的基于接地變壓器和可調(diào)電抗器的不停電融冰裝置，通過理論分析與仿真驗證，得出以下結(jié)論：

a)通過零序電抗一體裝置與避雷線構(gòu)成零序融冰回路，在融冰期間負(fù)載側(cè)的電壓、電流幾乎沒有變化，可實現(xiàn)不停電融冰，從而有效解決現(xiàn)有融冰時的停電問題，大大提高電網(wǎng)運行的可靠性，減少因停電造成的經(jīng)濟損失。

b)可調(diào)電抗器可以實現(xiàn)融冰檔位的調(diào)節(jié)，避免線路覆冰和融冰不當(dāng)造成的輸電設(shè)施損傷問題，有效保障輸電線路的安全，大大提高電網(wǎng)供電的可靠性。