劉 輝,漆 照,賈 然,沈 浩,劉 嶸
(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院,山東 濟南 250003;2.山東中實易通集團有限公司,山東 濟南 250003)
輸電線路覆冰現(xiàn)象多發(fā)生于春冬季節(jié)的雪季,是一種受微地形、微氣象和線路本身因素影響的自然現(xiàn)象[1]。輸電線路在不同因素影響下會產(chǎn)生雨凇、混合凇、霧凇、積雪、白霜等覆冰類型[2]。輸電線路覆冰會導致輸電線路機械性能、電氣性能降低,嚴重威脅電力系統(tǒng)安全運行[3]。線路嚴重覆冰還會導致倒塔、斷線,自然環(huán)境惡劣和道路不通時搶修難度大,恢復供電時間長[1]。電鐵接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分[4]。電鐵接觸網(wǎng)通常暴露在室外,容易受到覆冰影響,而接觸網(wǎng)的覆冰會破壞弓網(wǎng)關(guān)系,造成弓網(wǎng)虛接,從而引起導線燒斷、設(shè)備損壞和列車停運等后果[4]。
針對輸電線路和電鐵接觸網(wǎng)的覆冰問題,目前采取的主要手段為人工定期巡檢[3,5-6]。電鐵接觸網(wǎng)方面還會在鐵路沿線搭建觀冰站作為人工監(jiān)測。但人工巡檢存在人力需求大、排查時間長、投資成本高和不能在線監(jiān)測等問題。輸電線路方面,人工巡檢無法準確判斷線路的覆冰厚度和受力情況[3,6]?;谝陨蠁栴},國內(nèi)外提出了多種除冰和融冰方法,其中包括熱融冰、激光除冰、電脈沖涂冰、機械除冰、防冰涂料、和混合除冰等[2,7-9]。交直流融冰技術(shù)是目前消除輸電線路和電鐵接觸網(wǎng)覆冰最為有效的技術(shù)手段,屬于熱力融冰技術(shù)范疇。因此,深入研究交直流融冰技術(shù)將推動電鐵接觸網(wǎng)和輸電線路融冰問題的解決。國內(nèi)目前有大量工作在使用和改進交直流融冰技術(shù)。2008年南方大范圍冰災后,中國電科院、湖南公司、南瑞集團、許繼集團等成功研制各種輸電線路融冰裝置。2020年,國網(wǎng)山東省電力公司配置了一套用于220 kV 及以下線路的移動式直流融冰裝置,并于2021年3月在某220 kV變電站實施直流融冰作業(yè)。
重點討論交直流融冰技術(shù)在輸電線路和電鐵接觸網(wǎng)融冰中的應用。根據(jù)原理對交直流融冰技術(shù)進行分類,并結(jié)合裝置配置和應用場景介紹了交直流融冰技術(shù)優(yōu)缺點,詳述交直流融冰技術(shù)的技術(shù)實現(xiàn)與配置原則,討論交直流融冰技術(shù)在實際應用中的適用性與缺陷,為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。
1.1.1 交流融冰
交流融冰技術(shù)包括三類:常規(guī)交流融冰技術(shù)[2,10]、帶負荷交流融冰技術(shù)[11-12]和可調(diào)電容串聯(lián)補償式交流融冰技術(shù)[13-14]。
常規(guī)交流融冰技術(shù)原理如圖1所示[2],在線路的一端施加交流電源,短接線路另一端或者中間段以得到短路電流,然后使用短路電流實現(xiàn)融冰。但此方法存在需要進行線路停運的缺陷。
圖1 常規(guī)交流融冰原理
帶負荷交流融冰技術(shù)不需要線路停運。這種方法需要通過負荷調(diào)節(jié),改變覆冰區(qū)域的線路潮流來獲得融冰電流[2,10]。目前國內(nèi)外實現(xiàn)潮流控制主要通過三種方法:一是直接調(diào)度線路潮流[11];二是調(diào)整容性負荷來增加覆冰區(qū)域的無功電流;三是利用移相變壓器[12]等設(shè)備控制潮流。但是這三種方法均會影響輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定,實用性不高[13]。
可調(diào)電容串聯(lián)補償式交流融冰技術(shù)在線路上串聯(lián)電容補償器,電容補償器的電容參數(shù)選取需要配合融冰電源規(guī)格和線路的特征參數(shù)[14]。這種方式對電容補償器的要求比較高。一方面使用電容補償器調(diào)節(jié)的融冰電流需要足夠大以獲得良好的融冰效果;另一方面,調(diào)節(jié)后的融冰電流不能過大,才可以保證線路安全。此外,不同融冰電源和覆冰線路需要使用不同容抗的電容補償器,因此這種方式還要求電容補償器有較大范圍的容抗調(diào)整裕度和必要的調(diào)整精度。目前該技術(shù)應用不多。
1.1.2 直流融冰
直流融冰技術(shù)主要包括不增加設(shè)備的直流融冰技術(shù)和增加額外設(shè)備的直流融冰技術(shù)[15-16]。
不增加設(shè)備的直流融冰技術(shù)主要改變系統(tǒng)自身的性能與運行狀況,提高線路電流以實現(xiàn)融冰。這種融冰方式將直接受到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的制約。
增加額外設(shè)備的融冰技術(shù)則使用設(shè)備來改良直流線路性能??梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)設(shè)備對融冰電流進行控制,同時也能進一步提高線路融冰電流的容量。
直流融冰裝置的接線方式主要有兩種,其中包括:兩相串聯(lián),即“一去一回”方式[17],其融冰原理如圖2 所示;兩相并聯(lián)后與第三相串聯(lián),即“一去兩回”方式[17],其融冰原理如圖3所示。
圖2 兩相串聯(lián)直流融冰原理
圖3 兩并一串直流融冰原理
在部分特定場合下,直流融冰技術(shù)還會結(jié)合特制的導線和應用場景進行調(diào)整,李仁杰等[18]使用直流融冰技術(shù)對特制的導線進行了仿真與實驗,驗證了整個系統(tǒng)的融冰效果。
1.2.1 交流融冰
接觸網(wǎng)交流融冰回路如圖4 所示[19]。交流融冰技術(shù)的融冰電源一般使用牽引變電所的變壓器,電鐵接觸網(wǎng)上行接觸線連接牽引變電所饋線,下行接觸線連接變電所地線以形成融冰回路[19-20]。同樣的,融冰電流應該足夠大以實現(xiàn)融冰,同時也應該調(diào)整線路參數(shù)來約束融冰電流,避免電流過大損毀線路與設(shè)備[19-20]。
圖4 接觸網(wǎng)交流融冰回路
1.2.2 直流融冰
接觸網(wǎng)直流融冰技術(shù)原理圖如圖5 所示[2,8],直流融冰技術(shù)在交流融冰上需要額外整流。使用牽引變電所的牽引變壓器提供融冰電力,使用配套的整流裝置將電鐵接觸網(wǎng)與融冰線路連接。整流裝置可以采用基于絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的設(shè)備等進行配置。
圖5 接觸網(wǎng)直流融冰技術(shù)原理
1.2.3 在線融冰
西南交通大學提出了一種應用于交流鐵路接觸網(wǎng)的融冰方式。其特點為不需要線路停運,可以實現(xiàn)在線融冰[21]。接觸網(wǎng)在線融冰原理如圖6 所示[21],在接觸網(wǎng)的兩端安裝靜止無功補償器(Static Var Compensator,SVG),由終端控制器判斷機車通過狀態(tài)并控制首末端SVG 的無功調(diào)節(jié)行為,保證鐵路網(wǎng)的功率因數(shù),由此控制接觸網(wǎng)中的無功融冰電流。
圖6 接觸網(wǎng)在線融冰系統(tǒng)原理
長線路交流融冰的三種方法都存在一些不足:
1)常規(guī)交流融冰的融冰線路有線路短接操作,需要線路停運。
2)帶負荷融冰需要調(diào)整線路潮流,負荷的參數(shù)選擇也需要進行參數(shù)匹配,系統(tǒng)安全性不高。
3)可調(diào)電容式串聯(lián)補償式交流融冰技術(shù)需要電網(wǎng)提供非常大的容量,融冰前需要轉(zhuǎn)供的負荷較多,對電網(wǎng)的運行方式影響較大。
4)融冰電流的功率需求不斷擴大,但受限于線路額度與系統(tǒng)安全性,難以達到很高的融冰電流[13]。
5)在遇到類似2008 年的南方電網(wǎng)覆冰問題時,由于短路融冰排隊線路多,難以完成全部的融冰任務[13],同時大面積的融冰任務對融冰技術(shù)與相關(guān)設(shè)備的調(diào)度、調(diào)節(jié)能力要求高,現(xiàn)階段的技術(shù)與設(shè)備難以滿足。
相對的,直流融冰的優(yōu)點有:適用范圍較廣,融冰時沒有線路短接操作;不需要考慮線路的無功潮流;需要提供的容量小,只有交流融冰的1/6左右[2]。
但另一方面,交流融冰技術(shù)與現(xiàn)有交流電網(wǎng)兼容性強。直流融冰裝置容易帶來線路絕緣和老化問題[22],因此需要開發(fā)新的實用新型交直流融冰技術(shù)。
開發(fā)新型交直流融冰技術(shù),一方面應該加強融冰裝置的可移動性和適配性,保證融冰裝置和融冰技術(shù)既能滿足大部分工程要求的融冰能力,又能實現(xiàn)必要的可調(diào)度、可控制性能;另一方面,融冰裝置還應該加強其對輸電線路、系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實現(xiàn)在線融冰的同時保證線路潮流的穩(wěn)定。例如在直流融冰過程中,可以使用合適的整流電路結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對線路潮流控制的同時提供無功支撐,穩(wěn)定線路電壓,提高融冰線路電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性[23]。
接觸網(wǎng)交流融冰裝置需要直接與牽引變電所相連組成回路,因此大多受到牽引變電所地理區(qū)域限制,使用的地理范圍受限,并且相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的維護工作量大。
接觸網(wǎng)的直流融冰不直接與牽引變電所地線相接,因此對牽引變電所的抗電磁干擾能力強,同時相對交流融冰方法機動性更強,應用的地理范圍更大;裝置容量比交流融冰方式?。豢梢允褂谜髟O(shè)備進行融冰電流的控制,其對不同線路與融冰電源的適應性更高,融冰電流的調(diào)節(jié)能力與穩(wěn)定性更好。
對于新建輸電線路,應遵循以“抗為主、融為輔”或“融、抗結(jié)合”的原則,可結(jié)合電壓等級和線路類型考慮配置融冰裝置。相關(guān)的配置原則可以參考標準Q/GDW 716—2012《國家電網(wǎng)公司輸電線路電流融冰技術(shù)導則》[24-25]。在實際應用場景中,應該根據(jù)實際情況進行融冰裝置的配置與選擇。
某運維單位根據(jù)線路覆冰區(qū)域的冰層厚度,結(jié)合現(xiàn)場風速等氣象因素和線路類型,使用了系統(tǒng)電源供電的可控硅直流整流融冰技術(shù)[23]。
對于新建特高壓交流輸電線路,遵循“抗(冰)為主、融(冰)為輔”,盡量滿足100 年重現(xiàn)期設(shè)計冰厚要求,難以達到時,應配置融冰裝置。對于已建特高壓交流輸電線路,按規(guī)定設(shè)計重現(xiàn)期核算的標準覆冰厚度超過設(shè)計冰厚時,應配置融冰裝置[24]。特高壓交流輸電線路距離長,融冰所需容量大,應優(yōu)先使用固定式直流融冰裝置。
對于已建500 kV(750 kV、330 kV)交流輸電線路,按規(guī)定設(shè)計重現(xiàn)期核算的標準覆冰厚度超過設(shè)計冰厚時,應配置融冰裝置。500 kV(750 kV、330 kV)交流輸電線路不宜采用交流融冰方法,應優(yōu)先配置固定式的直流融冰裝置。變電站需要無功補償時,融冰裝置可配置無功補償功能,也可根據(jù)建設(shè)經(jīng)濟性,分別配置融冰裝置和無功補償裝置。
對于新建220 kV交流輸電線路,以“融、抗結(jié)合”為原則,可適當降低輸電線路設(shè)計覆冰厚度,同時配置融冰裝置。
對于已建220 kV 交流輸電線路,按規(guī)定設(shè)計重現(xiàn)期核算的標準覆冰厚度超過設(shè)計冰厚時,應配置融冰裝置[24-25]。220 kV 和110(66)kV 交流輸電線路可采用中低壓交流融冰方法、高壓交流融冰方法或直流融冰方法,優(yōu)先采用中低壓交流融冰,其次采用直流融冰,最后采用高壓交流融冰。
變電站有無功補償需求時,可配置兼作無功補償功能的融冰裝置,也可根據(jù)建設(shè)經(jīng)濟性,分別配置融冰裝置和無功補償裝置。進出變電站輸電線路中有5 回及以上覆冰嚴重的輸電線路或有重要輸電線路且覆冰較為嚴重時,宜配置固定式融冰裝置;其他情況可配置移動式直流融冰裝置。
對于新建直流輸電線路,遵循“以抗為主、融為輔”原則,盡量滿足規(guī)定的重現(xiàn)期設(shè)計冰厚要求,難以達到要求時,應設(shè)計利用本線路直流系統(tǒng)進行融冰。直流輸電線路距離長、融冰所需容量大,不宜采用交流融冰方法。對于已建直流輸電線路,按規(guī)定重現(xiàn)期核算的覆冰厚度超過設(shè)計覆冰厚度時,利用本線路直流系統(tǒng)融冰或配置獨立的融冰裝置。
輸電線路直流融冰裝置結(jié)構(gòu)包括融冰電源、整流變壓器等整流器件、電容調(diào)節(jié)器與濾波器等[15]。融冰電源一般直接使用線路附近的交流電力系統(tǒng),使用整流相關(guān)裝置產(chǎn)生直流融冰電流,同時配合相關(guān)的調(diào)節(jié)期間控制直流融冰電流的大小與穩(wěn)定性,經(jīng)過濾波裝置改善直流融冰電流的波形,消除諧波[15]。
直流融冰裝置根據(jù)機動性分為固定式和移動式兩種[26],固定式建于變電站內(nèi),主要用于500(330)kV及以上電壓等級線路和長距離線路的直流融冰,如圖7所示。
圖7 500 kV固定式直流融冰裝置(最大融冰長度230 km)
移動式可根據(jù)需要靈活移動部署,主要應用于不超過220 kV 線路,因此也更多地應用于配網(wǎng)線路[26],如圖8所示。
圖8 220 kV移動式直流融冰裝置(最大融冰長度150 km)
農(nóng)配網(wǎng)直流融冰裝置采用移動式和便攜式。移動式解決5 km 及以下長度農(nóng)配網(wǎng)線路的融冰問題,如圖9 所示。便攜式采用汽油發(fā)電機供電,配備大電流快速接線夾,如圖10所示。
圖9 農(nóng)配網(wǎng)移動式直流融冰裝置(最大融冰長度5 km)
圖10 農(nóng)配網(wǎng)便攜式直流融冰裝置
移動式裝置在使用中有部分缺點,一方面移動式裝置難以應用于結(jié)構(gòu)復雜的情況,且在使用的時候需要進行設(shè)備安裝,工作量大,時間長;另一方面移動式裝置一般都是現(xiàn)場作業(yè),在環(huán)境差時,人工作業(yè)的風險非常大[26]。
目前國網(wǎng)山東省電力公司部署了一套移動式直流融冰裝置,型號為HZR-Y12,可滿足220 kV 及以下輸電線路融冰工作需要,如圖11所示。
圖11 HZR-Y12型移動式直流融冰裝置
4.3.1 裝置主要參數(shù)
HZR-Y12 型直流融冰裝置的額定容量為14.2 MW;額定輸入交流電壓為35 kV;額定輸出直流電壓為10 000/5 000 V(兩橋串聯(lián)/兩橋并聯(lián));額定輸出直流電流為2 000 A;冷卻方式采用強迫風冷,融冰線路長度為4.1~119 km。針對HZR-Y12 型直流融冰裝置,列舉不同型號和長度的輸電線路融冰距離如表1所示。
表1 HZR-Y12型直流融冰裝置融冰距離 單位:km
4.3.2 融冰的啟動與終止條件
融冰過程需要消耗線路能量,并且會帶來線路發(fā)熱等問題,通常在線路覆冰厚度達到一定要求時才會啟動融冰裝置,HZR-Y12 型直流融冰裝置的輸電線路導線覆冰厚度啟動條件如表2所示。
表2 HZR-Y12設(shè)備啟動的覆冰厚度規(guī)定值 單位:mm
當輸電線路導線覆冰達到表2 的厚度,且氣象預報后續(xù)一段時間內(nèi)覆冰會繼續(xù)增長,應開展融冰工作。當多回輸電線路需要同時融冰時,應根據(jù)輸電線路重要程度等級決定融冰實施順序。融冰啟動前,應校核融冰電源容量和融冰回路是否滿足融冰需求。
當出現(xiàn)下列情況之一,應終止融冰:融冰過程中輸電線路覆冰已脫落;導線某處升溫異常;融冰回路中某個或多個設(shè)備溫度超過允許范圍;融冰裝置發(fā)生過熱、燃燒、放電等異常現(xiàn)象或出現(xiàn)報警。
4.3.3 裝置的實際應用
2021-02-28T23:57:00至2021-03-01T06:10:00,雨雪冰凍災害天氣導致山東某地區(qū)4 條220 kV 線路跳閘10 次,均為覆冰舞動。3 月1 日,運維單位在某220 kV 變電站試用該套裝置,用于某220 kV覆冰線路的融冰作業(yè),該直流融冰裝置場地布置如圖12所示。
圖12 HZR-Y12型直流融冰裝置場地布置
輸電線路交流融冰也可用固定式融冰裝置和移動式。國內(nèi)的輸電線路以交流形式為主,其覆蓋面積廣,線路長,使用交流融冰技術(shù)可以就地取材,因此對于主網(wǎng)和固定覆冰嚴重區(qū)域可以使用固定式的交流融冰裝置。
固定式交流融冰方式融冰容量大,效果顯著,國網(wǎng)湖南省電力有限公司開發(fā)的農(nóng)村配電網(wǎng)交流融冰配電變壓器自動分合閘裝置線路如圖13 所示[27]。其通過各開關(guān)的動作完成整個裝置的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并在工作時提供足夠的融冰電流。通常固定式的裝置往往受到環(huán)境限制,并且需要周邊電力的長期供應。
圖13 用于農(nóng)村配電網(wǎng)交流融冰的配電變壓器自動分合閘裝置
移動式的交流融冰裝置則更為方便快捷,經(jīng)濟效益高。移動式交流融冰裝置主要由裝置收納柜、可調(diào)電抗器、細絲軟銅線及線圈、電力保護裝置、組裝器件與運載車組成[28]。移動式交流融冰裝置特點為:
1)裝置使用機動性強,操作簡單,融冰電流可以根據(jù)可調(diào)電抗器進行調(diào)節(jié),必要地可以配合變壓器等,其適用性更強。
2)使用時需要現(xiàn)場接線,曹琪等[28]采取插接式快速組裝線路支架,配合相關(guān)的組裝器件可以簡化融冰裝置的組裝,操作方便。
3)裝置的制作成本低,除冰效率高,除冰用時短,覆冰線路能快速重新運行,經(jīng)濟效益高。
某66 kV 的交流融冰裝置如圖14 所示[28]。該裝置使用66 kV變電站提供融冰電源,根據(jù)線路相關(guān)參數(shù)改變可調(diào)電抗器與保護裝置配置,從而提供需要的融冰電流實現(xiàn)融冰。
圖14 66 kV交流融冰裝置
5.2.1 裝置主要結(jié)構(gòu)和配置
某運維單位使用的交流融冰裝置實物圖如圖15所示[29]。使用東風牌8X4 大運N8 重卡輪式卡車為載具,操作時,繼電保護等保護裝置和可調(diào)電抗器固定在載具上,使用滿足安全需求的電纜和配套的支架等連接器件進行融冰電路的組裝[29]。
圖15 某融冰裝置實物
5.2.2 裝置的實際應用
圖15 所示裝置在覆冰季節(jié)某220 kV 變電站的某66 kV 線路進行了試驗[29],根據(jù)計算得到的融冰電流實現(xiàn)了現(xiàn)場模擬融冰。結(jié)果表明其對該地區(qū)單電源的輸電線路融冰距離大于40 km[29],融冰溫度大約維持在22 ℃,符合實際需要。
電鐵接觸網(wǎng)交直流融冰裝置在國內(nèi)外展開了廣泛研究,其特點和輸電線路交直流融冰裝置十分相似。其中,國網(wǎng)山東省電力公司所部署的移動式直流融冰裝置與電鐵接觸網(wǎng)直流融冰裝置的原理是完全一致的,區(qū)別在于輸入電源的不同,一個取自變電站內(nèi)的35 kV 或者10 kV 交流電源,一個取自牽引變電所的27.5 kV交流電源。
北京交通大學[30]提出了電鐵接觸網(wǎng)的交直融冰技術(shù),原理如圖16 所示。該融冰裝置安裝在融冰線路的中間位置車(包括降壓變電所)和首末站(牽引變電所),融冰電源使用三相交流電網(wǎng)[30]。融冰裝置的輸出端接在電鐵接觸網(wǎng)上行、下行線路的中點處形成融冰通路。該交流融冰裝置可以避免接觸網(wǎng)干擾,同時不影響接觸網(wǎng)的正常使用,并且能夠起到覆冰預防作用[30]。
圖16 交流電鐵網(wǎng)融冰裝置
直流電鐵接觸網(wǎng)融冰技術(shù)機動性更強。為了適應不同的融冰環(huán)境,其融冰電流的輸出能力應該具有容量大、精度高和可調(diào)節(jié)性強等特點;同時應該配置更完善的保護系統(tǒng),預防電壓電流失穩(wěn)、溫度過高等現(xiàn)象;具有完善的監(jiān)測、通信與控制功能,可以遠程操作并預警[2]。
北京交通大學所研究直流融冰技術(shù)[31]的原理如圖17 所示。設(shè)備在鐵網(wǎng)線路的安裝位置與交流設(shè)備相同。
圖17 直流電鐵網(wǎng)融冰裝置
直流融冰設(shè)備的交流融冰電源也可以使用附近的三相交流電網(wǎng),輸出的正、負極端口分別接在融冰線路的上、下行接觸網(wǎng)的中點處,形成融冰回路[31]。該融冰裝置能避免接觸網(wǎng)干擾,同時不影響接觸網(wǎng)的正常使用[31]。
覆冰問題對電鐵網(wǎng)線路和輸電線路危害巨大,交直流融冰技術(shù)在解決覆冰問題的工程應用和理論研究中發(fā)揮著重要作用,并已有一定發(fā)展,技術(shù)相對成熟。
對交直流融冰技術(shù)在電鐵網(wǎng)線路和輸電線路的融冰應用進行了全面的綜述,結(jié)合電路和相關(guān)理論分析了不同技術(shù)的優(yōu)勢與不足。但對各技術(shù)的不足之處只提供了理論的改進建議與措施,并沒有結(jié)合實際應用場景提出問題的解決方案。
結(jié)合交直流技術(shù)的實地應用,對交直流融冰設(shè)備的配置與運營進行了分析,雖然各交直流融冰設(shè)備能夠解決對應的實際問題,但各融冰設(shè)備在不同自然環(huán)境、不同應用場景的適用性、機動性等問題仍需解決。在之后的研究中,可以通過使用不同的融冰電路,提高交直流融冰設(shè)備的融冰性能與運營穩(wěn)定性;此外,還應該注重提高融冰設(shè)備在不同覆冰條件、不同自然環(huán)境下的適用性和機動性,進一步擴大融冰設(shè)備的實際應用價值。