DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.014

超/特高压输电线路带电直流融冰方法

罗日成¹，潘俊文¹，刘化交²，邹德华³，俞乾⁴

(1. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410114；

2. 国网湖南省电力公司娄底供电公司，湖南 娄底，417000；

3. 国网湖南省电力公司带电作业中心，湖南 长沙，410100；

4. 国网湖南省电力公司永州供电公司，湖南 永州，425000)

摘要：为了解决架空线路传统融冰方法需停电作业的问题，对采用分裂导线的超/特高压输电线路提出一种带电直流融冰方法，并进行现场试验验证。以二分裂导线和绝缘间隔棒架设的超高压输电线路为研究对象，利用ATP软件建立融冰电路的仿真模型，分析融冰电源的获取途径、安装位置和功率选取问题，以及融冰段内的直流电流对外部电路的影响。研究结果表明：三相桥式半控(全控)整流和直流发电机是获取融冰电源的有效途径；直流融冰电源装置安装在融冰区段中间位置最理想；融冰段内的直流电流不会流出融冰回路，对融冰区段外部线路电压和电流幅值及波形不产生任何影响，确保融冰线路在带负荷融冰过程中的正常、稳定运行，克服现有融冰方法中不能带电融冰的局限性。

关键词：分裂导线；带电；直流融冰；融冰回路

中图分类号：TM75          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1551-08

A living DC ice-melting approach for UHV&EHV transmission lines

LUO Richeng¹, PAN Junwen¹, LIU Huajiao², ZOU Dehua³, YU Qian⁴

(1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology,

Changsha 410114, China;

2. Loudi Electric Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Company, Loudi 417000, China;

3. Live Working Center of State Grid Hunan Electric Power Company, Changsha 410100, China;

4. Yongzhou Electric Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Company, Yongzhou 425000, China)

Abstract: In order to solve the problem of traditional deicing technologies requiring power failure when transmission lines are extremely accumulated by ice, an energized direct current (DC) ice-melting solution was proposed for high voltage (EHV) or ultra high voltage (UHV) transmission lines which used bundled conductors, and a field test was conducted. Taking a UHV transmission line with two-bundle conductors and insulating spacer as an example, the simulation model of ice-melting circuit was established by ATP software, and the problems of ice-melting power, installation position, power selection and the effects of DC current in the ice-melting period on the external circuit were analyzed. The results show that the three-phase half controlled bridge rectifier (full control) and DC generators are effective ways to obtain ice-melting power. The most ideal position of installing power supply device is the middle of ice-melting section. DC ice-melting current of melting-circuits will not flow outside, which has no effect on the amplitude and waveform of exterior line voltage and current. The method ensures the normal and stable operation in the ice-melting process with load, and overcomes the limitations existing in ice-melting methods which can not energized ice melting.

Key words: bundled conductors; energized; DC ice melting; ice-melting circuit

近年来，受全球极端气候的频繁影响，电网覆冰灾害呈增多加剧的趋势。我国疆域辽阔，一旦输电线路严重覆冰就可能引起重大的电力故障而造成大面积停电^[1-5]。输电线路在覆冰情况下杆塔载荷加重，考虑到冬季伴有大风，在风速影响下，超出标准载荷的输电线路会因为出现舞动而产生一系列破坏性影响，例如杆塔倒塌、输电线路断线等恶劣事故^[6-10]。如果事故发生在荒郊野外，大雪封山、公路冰封致使抢修异常困难，将造成长时间停电，从而对国民经济产生重大损失。因此，对超/特高压输电线路采取及时有效的融冰策略^[11-15]是减少事故、确保电力系统稳定运行的有效途径。目前，关于输电线路融冰的方法^[16-20]很多，我国南方电网对输电线路的融冰方法大体上归为3 类^[1]：交流三相短路融冰法、过电流融冰法和直流加热输电线路融冰法^[6-7]。交流三相短路融冰对系统的冲击较大，可能引起系统不稳定；过电流融冰仅适合短距离的输电线路融冰；直流融冰因其电源容量通常比交流融冰电源容量小^[21-22]而备受青睐，但现有的直流融冰技术仍存在局限性。例如陆佳政等^[8]提出的特高压直流输电线路分段直流融冰方案，其最大的局限是融冰过程必须停电作业，无法保证电网的供电可靠性。宋洁莹等^[9]提出的直流不停电融冰技术对220 kV及以上电压等级的超/特高压输电线路因容量不足而无法用于实际工程，所以，研究新型带电融冰方案具有重大意义。本文作者对采用分裂导线的超/特高压输电线路提出一种带电直流融冰方法。利用ATP软件，对采用二分裂导线的超高压输电线路建立仿真模型，并对该模型下的升压站母线电压、降压站母线电压以及融冰段内、外的电压和电流进行观测；最后用现场试验的方法模拟输电线路融冰的升温过程。

1  融冰原理

1.1  直流融冰回路构成原理

该融冰方法主要针对采用分裂导线和用绝缘间隔棒架设的超/特高压输电线路。利用分裂导线各相子导线电位相等的原理，将分裂导线的子导线(或者是子导线的组合)、直流融冰电源和短路棒构成直流融冰回路，利用直流电流和线路负荷电流共同对融冰段内的导线加热，进而达到融冰的目的。为说明问题方便，以采用二分裂的输电线路为例，其融冰回路构成原理如图1所示，设L₁和L₂分别为输电线路某一相(本文以C相为例)所对应的2根子导线，AB和EF是2根良导体制成的短路棒，安装在需要融冰段的两端，主要起引渡直流电流的作用。为了防止融冰电流流出融冰回路，短路棒的电阻率要求越小越好。C和D 2点分别联接直流融冰电源的正负电极，D-A-B-C-D构成1个直流回路，D-F-E-C-D构成另1个直流回路。对采用四分裂导线的输电线路而言，融冰回路的构成与二分裂导线略有不同，如图2所示，L₁，L₂，L₃和L₄为输电线路某一相所对应的4根子导线，将L₁和L₂并联，L₃和L₄并联，把并联后的2段(L₁和L₂构成1段，L₃和L₄构成1段)用2根短路棒串联起来，再将直流融冰电源连接到融冰段的中间位置。图1和图2所示分别为二分裂、四分裂输电线路单相融冰回路的构成原理图，若要实现三相输电线路同时融冰，则只要将A，B相与C相线路融冰电路搭建方式相同即可。

图1  直流融冰回路原构成原理图

Fig. 1  Principle diagram of DC ice-melting circuit

1.2  直流融冰电源

1.2.1  融冰电源的获取

直流融冰电源的获取有2种方案^[23-27]：1) 利用三相桥式半控(或全控)硅整流获取；2) 通过直流发电机获取。利用三相桥式半控(或全控)硅整流获取直流融冰电源的原理如图3所示，融冰段内的融冰电流由负载电流i₁，整流桥入口端交流电流i₂和整流桥输出端的直流电流i₃的一半(i₃/2) 3部分构成，与传统停电融冰方案相比，本文提出的融冰方法充分利用了线路负荷电流的作用，可较大程度地降低融冰电源的容量(功率)、减小融冰装置体积和质量。

图2  四分裂导线直流融冰回路构成

Fig. 2  Diagram of DC melting ice circuit with four-bundled conductor

图3  直流融冰电源装置原理图

Fig. 3  Principle diagram of power source of DC ice-melting system

1.2.2  融冰电源可行性原理

以直流发电机(正常工作时输出的直流电压设为U₁)作为融冰电源、以二分裂导线的交流输电线路为例进行说明。直流发电机放置在地面上，在非工作状态下，其各部分对地电势均为0 V，在工作状态下，其正极性端对地电势为U₁；现假设把1台直流发电机放在1个Acos(314t+ θ) V的交变等电势面上，那么这台发电机仍能正常工作，且它正极性端的对地电势变为[U₁+Acos(314t+θ)] V。对220 kV输电线路而言，其单相线路上的对地电势为179.6cos(314t+θ) kV，每相线路所对应的2根子导线之间等电位，且将它看成等势面，若直流发电机在非工作状态则使其正、负电极分别与2根子导线相连，如图1所示。发电机或整流桥一旦工作就会有直流电流沿着融冰回路D-A-B-C-D和D-F-E-C-D流动，且直流电流不会流出融冰回路外部。

2  带电直流融冰方案的实施

2.1  融冰方案的实施步骤

该方案的实现主要包括以下步骤：1) 安装绝缘间隔棒。严格地说，这一步骤应该在输电线路架设时就应该事先安装好，它的主要作用是使融冰线路档距内的分裂子导线相互绝缘。2) 确定融冰距离。根据灾情的不同，可以对重灾区进行优先融冰，同时，融冰距离决定了融冰电源的功率。3) 根据融冰电流的影响因素，例如风速、环境温度和覆冰厚度等因素确定融冰电流、融冰电源的功率等参数。

按照以上步骤，用ATP软件对该方案进行仿真分析，仿真参数如下：1) 以某一电压等级的二分裂输电线路为原型；2) 输电线路导线的型号为LGJ-300/40，总长度取为220 km，假设该线路覆冰段长度为20 km；3) 用RLC串联电路模拟负载；4) 分裂导线间距为 400 mm。

220 kV二分裂输电线路采用的导线型号一般为LGJ-300/40型导线，其单位长度电阻为92.11 mΩ/km，建立的仿真模型如图4所示。图4中，R_1i=R_4i=9.2Ω(i取1~6)分别代表2段100 km的非融冰线路的电阻，R_2i=R_3i=0.92Ω(i取1~6)分别等效2段10 km的融冰线路的电阻。

图4  融冰模型

Fig. 4  Ice-melting model

2.2  融冰电流的选取

对线路进行融冰时，应确定输电线路的临界融冰电流和最大允许电流^[25-27]。临界融冰电流是指通过融冰线路(单根子导线)上的电流在当时的环境下可以使覆冰融化的最小电流；最大允许电流是指在融冰过程中允许线路达到最高温度(90 ℃)时所通过的电流；保线电流是指导线的温度在冰点以上使输电线路不覆冰的最小电流。

表1所示为当环境温度为-5 ℃、覆冰厚度为10 mm、风速为5 m/s时，常见型号导线的最小直流融冰电流^[27]和最大允许电流。

表1  常用导线的最小直流融冰电流和最大允许电流

Table 1  Minimum DC ice-melting current and maximum current of typical lines             A

由表1可知：该模型的融冰电流(单根子导线上的电流)可在731.8~1 419.6 A内任意选择，该区间内的电流既可满足融冰的需求又不会因为线路上的电流过大而破坏线路的物理特性。

2.3  融冰时间与融冰电流的关系

融冰时间是融冰电流的非线性函数，即融冰时间T是电流I²的单调减函数^[27]。表2所示为在环境温度为-5 ℃、覆冰厚度为10 mm、风速为5 m/s情况下，典型导线的融冰时间与融冰电流的关系。

表2  典型导线的融冰时间与融冰电流的关系

Table 2  Relationships between ice-melting time and deicing current of typical lines

由表1和表2可知：取该模型运行电流为600 A，即单根子导线上的交流电流为300 A(有效值)，单根子导线上融冰电流(直流电流和交流负荷电流叠加后的有效值)为900 A进行仿真。

2.4  融冰容量的选择

在图4所示的仿真模型中，需要确定融冰距离为20 km时直流融冰电源提供的有功功率。一般而言，220 kV输电线路满负荷运行时的载流量约为2 kA，此时需要的直流融冰电流最小；但在实际运行中，输电线路上的电流只有几百A，在夜间用电低谷期线路几乎空载，为了配置适当的融冰电源，表3所示为当线路的运行电流(交流)为100 A时，不同融冰电流(直流和交流叠加后的有效值)所对应的融冰电源输出功率。

表3  融冰电流与融冰电源输出功率的关系

Table 3  Relationships between ice-melting current and capacity of DC source

3  仿真分析与结果

为了分析直流融冰电流是否会流到融冰回路外部而造成非融冰段的电压发生偏移，升压站母线上的出线不止1回，为了明确对其中某一回出线进行融冰操作时直流电流对其他出线电压质量的影响，需对升压站母线上电压波形进行观测；另一方面，用户端的电压不能出现太大的偏移，否则会影响用户的用电质量，所以，也需要对降压站母线上的电压波形进行观测。升压站母线端的电压波形如图5所示，降压站母线上的电压波形如图6所示。

由图5和图6可知：融冰段内的直流融冰电流不会造成升压站母线上的电压畸变或偏移，因此，其他出线上的电能不会受直流融冰电流的影响。同时，降压站的电能也不会受到影响。

图5  升压站母线电压波形

Fig. 5  Waveform of voltage on step-up substration bar

图6  降压站母线电压波形

Fig. 6  Waveform of voltage on step-down substration bar

若进行单相融冰操作，则需要对融冰段内的电压电流波形进行观测，一方面是为了确保融冰电流介于临界融冰电流和最大融冰电流之间；另一方面，直流融冰电流会使融冰段内部的电压抬高，需要对融冰段内电压波形进行观测，看其是否会引起线路的绝缘问题。当单相带负荷融冰时，融冰段内电流的波形如图7所示，融冰段内的电压(相电压)波形如图8所示。若三相同时带负荷融冰时，则不需要观测融冰段内的电压波形，因为每段融冰线路内部电压被抬高的程度相同，相间电压(线电压)保持不变。

图7中：i_c为融冰段内的电流波形；i_a和i_b分别为同一位置处非融冰相(A相和B相)的电流波形。由图7可知：融冰段内的电流明显高于非融冰段的电流，且融冰段内的电流可以在临界电流和最大融冰电流之间任意调节，能够满足融冰需要。

图7  融冰过程中电流波形

Fig. 7  Waveform of current in ice-melting period

图8  融冰过程中电压波形

Fig. 8  Waveform of voltage in ice-melting period

图8中：U_c为融冰段内的电压波形，U_a和U_b分别为同一位置处非融冰相(A相和B相)电压波形。由图8可知：当融冰段内部的电流达到900 A左右时，融冰段内部的电压没有出现明显的抬高现象。对图8中波形的波峰进行放大，如图8中右上角所示，融冰段内的正弦电压波形整体向上平移了0.79 kV，相对于220 kV而言，被抬高的这部分电压显得很小。在通常情况下，高压、超高压输电线路为了防止操作过电压带来的绝缘问题，相邻的相与相之间留有一定的绝缘裕度，所以，这部分抬高的电压仍然在绝缘安全的裕度以内。

图9所示为直流融冰电源出线端的电流波形和2根短路棒上的电流波形。由图9可以看出：直流融冰电源出线端的电流在每一时刻恰好等于短路棒1上的电流和短路棒2上的电流之和，当融冰电源接在融冰段的中间位置时，短路棒1上的电流波形和短路棒2上的电流波形完全一致(重合)。由此可知：融冰电源的理想安装位置是融冰线路的中间位置，这样可使2个融冰回路内的电流相等，达到尽可能同时结束融冰的目的；直流融冰电源提供的直流融冰电流只会在融冰回路内部流动(图1中箭头所示方向)，不会流出融冰回路；即使有少量直流融冰电流沿着线路逆向流入母线，也会沿该相输电线路的另一根子导线注入融冰电源的负极，且这部分电流小到可忽略不计。

图9  短路棒上的电流波形

Fig. 9  Waveforms of current on short-circuit bar

4  现场实验

为进一步了解直流融冰电流的融冰效果以及对用户电能质量的影响，对输电线路融冰的升温过程进行模拟实验，实验原理如图10所示。

图10中：T₁为模拟升压站的主变压器；T₂为融冰变压器；T₃为模拟降压站的主变压器。380 V的电压经升压变压器T₁变为10 kV后接到母线上，再通过输电线路传送到降压站，降压站母线上10 kV的电压经过降压变压器T₃变为380 V供给用户，用1台额定电压为380 V的电动机模拟负载。融冰变压器T₂主要起降压作用，为整流桥输送交流电。融冰变压器T₂和整流桥安装在绝缘架上。将图10所示的原理图连接成现场实物图，在试验过程中慢慢调节整流桥触发角，从而控制整流桥的直流输出电压，随着直流融冰电流

图10  现场试验原理图

Fig. 10  Principle of field test

的增大，用来支撑融冰相输电线路的小木条由于融冰电流的作用而冒烟，继续调节整流桥的触发脉冲角可看到小木条因温度过高而烧糊，在此过程中，非融冰相的输电线路没有任何异常现象，模拟负载的电动机始终正常运行。表4所示为整个升温过程中不同时刻电动机AC相电压的有效值。

表4  负载电压与融冰电流之间的关系

Table 4  Relationship between ice-melting current and load voltage

由表4可知：在整流桥输出端电压从0~100 V的过程中，测量负载电压的电压表指针基本没有变化，验证了带电融冰时直流融冰电流对用户的正常供电不会造成负面影响。

在实际工程应用中，为了使融冰过程能够安全进行，对绝缘支架的高度有不同的要求。若用瓷质材料作为绝缘支架的材料，则对110 kV输电线路融冰时，绝缘支架的高度不应低于1.2 m；对500 kV输电线路融冰时，绝缘支架的高度不应低于2 m，总而言之，电压等级越高，绝缘支架的高度也越高，在实际工程中这容易做到。

5  结论

1) 融冰回路内部的直流融冰电流不会流出融冰回流，对融冰区段外部线路电压和电流的幅值及波形不产生任何影响。

2) 直流融冰电源最好安装在融冰区段的中间位置，使融冰线路上的电流处处相等，达到2个融冰回路尽可能同时结束融冰的效果。

3) 通过对直流融冰电源电压的控制可实现对融冰电流的控制从而控制融冰时间。

4) 该方法适用于所有带绝缘间隔棒且采用分裂导线架设的交直流高压、超高架空线路的融冰；但对采用分裂导线架设的直流输电线路而言，融冰电源无法从本线路直接获取，直流发电机可作为融冰电源的有效备选方案之一。

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 (编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-06-30；修回日期：2015-09-24

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50977003)；电力与交通安全监控及节能技术教育部工程研究中心基金资助项目(2010#03) (Project(50977003) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2010#03) supported by the Power and Traffic Safety Monitoring and Energy Saving Engineering Research Center of Ministry of Education Fund Code)

通信作者：罗日成，博士(后)，副教授，从事电力系统过电压、电力设备绝缘在线监测与故障诊断、电力设备状态评价与风险评估等研究；E-mail: luorich@126.com