（电气工程专业论文）基于500kv线路直流融冰装置应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i c e c o v e r e dt r a n s m i s s i o nl i n e sc a u s e db yb r o k e nd o w nt o w e ro f a c c i d e n t so nt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mc a u s e db yas e r i o u st h r e a t i c i n go n t h et r a n s m i s s i o nl i n ea th o m ea n da b r o a d ，a n t i i c e ，m e l t i n gi c eh a du n d e r t a k e n e x t e n s i v er e s e a r c h ，i c i n ga g a i n s tal a r g et o w e ro fa l la c c i d e n tc a u s e db yb r e a kd o w n l e s so np r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e s a th o m ea n da b r o a do nt h e2 2 0 k va n db e l o w , t h ee x c h a n g eo fm e l t i n gi c ei c e dl i n et e c h n o l o g yi sm o r em a t u r e ，b u tf o re h v t r a n s m i s s i o nl i n e sa ca n dd cs h o r tc i r c u i ts t u d yo fi c e - m e l t i n gl i t t l ep r e v e n t i o na n d c o n t r o lm e a s u r e s i no r d e rt op r e v e n ti c i n ga c c i d e n t sc a u s e db yb r o k e nd o w nt o w e r , i nt h i sp a p e r ，an e wr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb a s e do ni n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ( i g b t ) o ft h em o b i l ei c e - m e l t i n gd e v i c ei n5 0 0 k vd ct r a n s m i s s i o nl i n e t h er o a df o ras h o r t c i r c u i td e b u g g i n ge x p e r i m e n t a ls t u d yo fi c em e l t i n g ，t op r e v e n t l a r g e - s c a l ed i s a s t e rc a u s e db yt h ei c eh a sa ni m p o r t a n tf a u l ti np o w e rs y s t e m e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h b a s e d ，d ci c e m e l t i n gd e v i c e so f m o b i l eo nt h e5 0 0 k vm e n g s h a n y o n g x i ul i n e sw e r ei c e - m e l t i n gt e s t ，m a j o rs t u d yo f t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 0 3 5 k vs u b s t a t i o no nt h e5 0 0 k vi c e m e l t i n gi n t e r v a la n db a s e do nt u m o 仃 s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ( i g b t ) d cm e l t i n gi c eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e s ，t h e c o n t r o ls y s t e mw a sd e b u g g e ds t u d y , t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l s y s t e m si ng o o dc o n d i t i o n ，b ea b l et or e l i a b l yi m p l e m e n tt h ev a r i o u sp r o t e c t i o n o nas i n g l em o b i l ed e v i c ed c m e l t i n gi c e 1 0 a dv e h i c l e si nt h ec i r c u m s t a n c e s o ft h ed co u t p u tv o l t a g et od e b u gt e s t ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a te n a b l e sd co u t p u t v o l t a g e0 - 4 5 0 0 vs m o o t ha d j u s t m e n t ( 查) p a i r so ff o u rm o b i l ed e v i c e sc a rd c i c e m e l t i n go p e r a t i o nc a r r i e do u tp a r a l l e l t e s t s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r er e a c h e d7 ，c a nb a s i c a l l y s a t i s f yt h el e n g t ho fn o tm o r et h a nlo o k mo f5 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n ew h e nt h e i c e m e l t i n gi c ec o v e rr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ；d c ；i c e - m e l t i n g ；t r a n s m i s s i o nl i n e u 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签名( 手写) ：健簟签字日期如7 钳堋丫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 瑚：他j i 蕾午 签字日期：如嵋年、 月) 7 日 辩聃：1 一月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 覆冰是美丽的自然景观，但输电线路覆冰是一种严重的自然灾害，是危害 输电线路安全运行的主要问题之一，常造成输电线路倒塔( 杆) 、断线、金具损坏、 绝缘子串闪络等严重事故，甚至电网瘫痪。冰灾防治是我国电网发展的重点攻 关技术之一。国内外虽然研究和探讨了几十种防冰、除冰的方法和技术【l 】，但到 目前为止，除采取短路融冰外，还没有一种方法可有效防止输电线路发生冰灾。 自美国1 9 3 2 、我国1 9 5 4 年首次出现输电线路覆冰灾害事故以来，国内外电 网发生的各类覆冰灾害事故上千次【1 1 。如1 9 9 8 年1 月，加拿大魁北克、安大略 等省发生大面积冻雨覆冰，造成包括7 3 5 k v 在内的几千基杆塔倒塌，因覆冰停 电冻死1 2 0 余人，直接经济损失达6 0 0 亿加元1 2 】。2 0 0 5 年1 月瑞典南部遭受严 重暴风雪灾害，风速达4 6 m s 。电力系统、电话通讯以及铁路公路长时间停运。 6 5 万人电力中断，电力修复周期为7 周。2 0 0 5 年1 1 月德国发生冰雪灾害造成超 过7 0 基输电线路杆塔倒塌，2 0 万人停电。又如，2 0 0 4 年底至2 0 0 5 年初，我 国华中地区发生大面积覆冰，对电网造成了巨大损失卜r 7 1 。 2 0 0 8 年1 月1 2 同到2 月上旬，江西出现持续低温、雨雪、冰冻天气，持续 时间之长、范围之广、强度之大、灾害之严重为5 0 年未遇。这次冰雪灾害给江 西电网的输变电设备带来大面积覆冰，造成输电线路大量倒塔、断线，电力设 备大范围损毁，导致全省5 0 0 k v 输电线路倒塔1 1 6 基，断线8 3 2 处，停运1 7 条； 2 2 0 k v 输电线路倒塔( 杆) 1 4 2 基，停运8 1 条：1 1 0 k v 输电线路倒塔( 杆) 5 1 3 基， 停运2 0 8 条；变电站5 0 0 k v 保护动作达1 0 0 1 次，2 2 0 k v 保护动作达2 2 7 次，5 0 0 k v 线路累计跳闸5 1 次。江西电网与华中主网解列5 次，并一度被解列为3 片。全 省最高用电负荷从1 月1 7 日的8 2 1 万k w 一度掉到1 月3 0 日的4 2 1 万k w ，导 致多个地区市级电网大面积停电，多个县市的电力供应完全中断，直接损失约 4 0 亿元，重建费用高达1 1 0 亿元，给国民经济发展造成严重损失。 由于覆冰一直危害着电网的安全运行，国内外对覆冰问题一直较为关注。 有关的研究和运行技术人员一直在研究输电线路覆冰的形成机理、造成的危害， 第一章绪论 探讨防止和降低输电线路发生冰灾事故的方法和技术措施，我国于上世纪7 0 年 代制定了“避、抗、融、改、防 五字防冰灾方针，并于上世纪8 0 年代中期， 在国务院重大装备科技攻关项目的支持下开展了“重冰区输电线路防止综合措 施 等多项科研项目的研究，取得了一些有意义的成果，在一定程度上抑制了 电网大面积覆冰灾害事故的发生。 随着电网的迅速发展，跨越覆冰地区的高压、超高压输电线路越来越多， 覆冰造成电网受灾的可能性也越来越大。特别是随着全球气候的变暖和特高压 输电工程的建设，冬季输电线路发生冻雨覆冰的范围越来越广。2 0 0 8 年1 2 月 我国南方地区出现的大面积覆冰灾害正是在这种环境条件下发生的严重自然灾 害现象。 由于覆冰是一种随机的自然现象，了解和掌握其规律有很大的困难。到目 前为止，虽然经过研究人员的长期努力，但关于电网设备覆冰形成的过程与天 气条件、防止输电线路发生冰灾事故的技术措施和方法仍是国内外没有很好解 决的技术难题。 目前在电网中采用的比较成熟的防止冰灾发生的主要技术措施和方法有： ( 1 ) 自动和手动的机械除冰； j ( 2 ) 利用电流产生焦耳热的融冰； ( 3 ) 刷涂憎水性涂料的防冰； ( 4 ) 有针对性的加强输电线路抗冰强度； ( 5 ) 采用低居里磁热线、电磁脉冲、激光和微波等各种防冰除冰的新技术和 新方法。 这些措施和方法在对待局部覆冰问题上有一定的作用，但在对待类似于 2 0 0 8 年的持续时间长、发生面积广的冰灾，目前的方法显然无能为力。 在目前国内外应用比较成熟的除冰方法中，采用交流短路电流融冰是较为 有效和可行的方法。我国自上世纪7 0 年代以来就一直在2 2 0 k v 以下线路上采用 这种方法对严重覆冰线路进行融冰，对防止冰灾起到了较好的作用。由于融冰 需要很高的热量，且交流线路存在电抗，致使2 2 0 k v 以下交流电流下实际融冰 的功率只有变压器视在功率1 5 - 1 1 0 ，由于导线的交流感抗远大于直流电阻， 交流融冰需要系统提供的电源容量是直流的5 - 2 0 倍。对于5 0 0 k v 以上超高压和 特高压交流输电线路，实际融冰的功率只有变压器视在功率1 1 0 - 1 2 0 。因此， 在实施交流短路电流融冰时往往存在融冰电源容量远远不足的问题。如对5 0 0 k v 2 第一章绪论 以上的线路进行交流融冰，当线路长度超过1 0 0 k m 时，系统需要提供的无功容 量在1 g v a 2 g v a 之间，超过了系统所能承受的范围，将影响到系统的稳定性。 虽然直流融冰需要增加融冰装置( 就目前水平来看，直流融冰装置的投资约 4 0 6 0 万元m v o ，但由于其不需要无功，对电源容量的要求远小于交流，6 0 m w 直流融冰装置的融冰半径可达1 0 0 k m ，具有广泛的灵活性【1 8 - 2 6 1 。所以，相比较 而言，防止大面积冰灾时，采用直流融冰是一种简洁和高效的融冰方法【l 吲。直 流融冰的优势对于超特高压输电线路更为明显。 我国在2 0 0 8 年南方大冰灾后，中国电力科学研究院与株洲南车集团联合开 发了5 0 0 k v 输电线路的可移动式直流融冰装置，并与江西省电力公司超高压分 公司合作在5 0 0 k v 梦山变电站进行直流融冰装置在5 0 0 k v 输电线路上的调试应 用，对保证电力系统安全可靠运行有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 早在1 9 5 4 年有记录的输电线路冰害事故出现，大面积冰害事故在全国各地 时有发生，继1 9 7 4 1 9 7 6 年全国电力系统发生大面积冰灾事故之后，1 9 8 4 年、 1 9 9 6 年、2 0 0 4 年底到2 0 0 5 年初、2 0 0 8 年在全国范围内又多次发生了大面积输 电线路冰灾事故，为防范输电线路冰灾事故，国内外学者对输电线路导线与绝 缘子的覆冰特性和机理进行了大量的研究工作。 1 9 9 8 年，美国东北部和加拿大东南部冻雨的气象条件持续了6 天，冻雨量 累计超过8 0 m m 。由于覆冰严重，大量输电线路铁塔、树木等倒塌，造成了范围 广阔的电力中断。据统计，冰灾造成h y d r o q u e b e c 电力网络1 0 0 0 座高压输电 杆塔、3 0 0 0 0 座配电杆塔倒塌，4 0 0 0 台变压器需要修复。美国在大范围和持续 的电力中断下，2 0 条主要输电线路、1 3 0 0 0 座电线杆、1 0 0 0 台高压设备和5 0 0 0 台变压器需要更换，冰灾给美加造成的经济损失约为3 5 亿美元。2 0 0 5 年1 月瑞 典南部遭受严重暴风雪灾害，风速达4 6 m s 。电力系统、电话通讯以及铁路公路 长时间停运。6 5 万人电力中断，电力修复周期为7 周。2 0 0 5 年1 1 月德国发生 冰雪灾害造成超过7 0 基输电线路杆塔倒塌，2 0 万人停电，对电网造成了巨大损 失【2 7 3 0 。 2 0 0 8 年初，受北方南下强冷空气和西南暖湿气流共同影响，我国南方地区 遭遇了历史上罕见的雪凝灾害性天气，电力基础设施遭到大面积的严重破坏， 第一章绪论 据统计，截至2 月2 7 日，低温雨雪冰冻灾害造成南方电网l o k v 及以上线路7 5 4 1 条被迫停运，3 5 k v 及以上变电站8 5 9 座被迫停运。这次冰雪灾害给江西电网的 输变电设备带来大面积覆冰，造成输电线路大量倒塔、断线，电力设备大范围 损毁，导致全省5 0 0 k v 输电线路倒塔1 1 6 基，断线8 3 2 处，停运1 7 条；2 2 0 k y 输电线路倒塔( 杆) 1 4 2 基，停运8 1 条；l l o k v 输电线路倒塔( 杆) 5 1 3 基，停运 2 0 8 条；变电站5 0 0 k v 保护动作达1 0 0 1 次，2 2 0 k v 保护动作达2 2 7 次，5 0 0 k v 线 路累计跳闸5 1 次。江西电网与华中主网解列5 次，并一度被解列为3 片。全省 最高用电负荷从1 月1 7 日的8 2 1 万k w 一度掉到1 月3 0 日的4 2 1 万k w ，导致多 个地区市级电网大面积停电，多个县市的电力供应完全中断，直接损失约4 0 亿 元，重建费用高达1 1 0 亿元，给江西省经济发展造成严重损失。 此外，瑞典、法国、德国、俄罗斯和日本等国家也曾经遭受冰冻灾害，对 当地的电力网络造成了严重影响，电网系统、电话通讯以及铁路公路等长时间 停运，经济损失严重。因此分析各国电网的覆冰防治方案，研究防冰融冰技术， 对我国电力部门防止和控制冰灾、提高电网的运行可靠性具有重要现实意义。 为了应对冰冻灾害对电网系统的影响，各国除了在线路设计阶段针对不同 地区气象条件的差异，制定相关的设计规范和导则之外，还投入了很大的力量 研究线路在冰灾条件下的抗冰融冰技术。目前电网系统除冰的基本思路有三大 类：将电能转化为热能融冰；将电能转化为机械能以破坏输电线上的覆冰的物 理结构，达到使覆冰脱落的目的；直接破坏物理结构的机械法除冰，例如，在 线路上安装遥控除冰机等。 将电能转化为热能的融冰技术是主要的除冰手段，研究人员开发的融冰技 术有下列几种方法1 3 卜。5 】： 1 、过电流融冰法 此种方法可在不停线路母线、系统正常运行下增加覆冰线路电流，增大线 路发热，实现线路融冰的目的，又可分为如下几类： 通过调度改变潮流分布方法。主要依靠科学调度，提前改变电网的潮流分 布，增加线路电流以防止导线覆冰。正常运行方式下通过调度转移潮流存在诸 多不便，可能引起系统不稳定，并且潮流转移的程度也有限，对大面积冰灾作 用有限。 基于移相器的带负荷融冰法。带负荷融冰的方法最早在1 9 9 0 年提出，此方 法利用移相变压器角度的变化改变平行双回线的潮流分布，通过增加其中一回 第一章绪论 线的电流来增加线路发热，达到融冰的目的。需要在线路安装移相变压器，操 作过程中增加了系统无功转移量，会对系统安全稳定造成影响。 2 、交流短路融冰法， 人为的将两相或者三相导线短路，形成短路电流加热导线来达到融冰的目 的。这种方法在国内外都达到了实用化的阶段，1 9 9 3 年加拿大m a n i t o b a 水电局 开始采用的短路电流融冰，俄罗斯巴什基尔电网也大量应用了短路融冰技术。 短路融冰时，需将包括融冰线路在内的所有融冰回路中的架空输电线停下来， 但对于大截面、双分裂导线因无法选取融冰电源而难以做到，对于5 0 0 k v 线路， 这种方法则几乎不可行。 3 、利用直流电流加热线路融冰 直流融冰所需要的电源容量只取决于融冰线路的直流电阻和导线长度。 1 9 9 8 年的北美冰风暴灾难后，加拿大魁北克水电公司考虑了各种线路融冰措施。 通过加强网架的办法投资巨大，而交流短路融冰不能解决2 0 0 k m 范围的线路覆 冰问题。最终选择了与a r e v a 公司合作开发了一套高压直流融冰装置，并于2 0 0 6 年1 1 月安装投运。直流融冰装置的核心为换流阀，通过在覆冰线路上流过可控 的直流电流实现不同长度和不同导线的有效融冰。该装置在非融冰期以s v c 方 式运行，可起到稳定电压的作用。 4 、高频高压激励融冰法 2 0 世纪末c h a r l e srs u l l i v a n 等提出了用8 2 0 0 k h z 高频激励融冰的方法， 机理是高频时冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流 只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。由于有高频电磁波干扰， 在很多国家受限制。不过，当电网发生大面积停电事故时，融冰可能比电磁干 扰重要。目前，采用该方法研制的融冰装置在实验室进行的融冰试验效果显著， 然而还不足以作为成熟的技术大范围推广应用。 从国内外目前技术水平来看，“交流短路融冰”和“直流电流融冰法”是最 为成熟可行的两种融冰手段。与“改变潮流分布融冰和“带负荷融冰法 相 比，使用“交流短路融冰法 和“直流电流融冰法 需要把线路调整到停运状 态，虽然损失了部分输电能力，但能够彻底融解线路覆冰，保证了电网的安全 稳定运行。 第一章绪论 1 3 直流融冰技术的可行性 输电线路采用传统的交流短路融冰方法，受导线最大允许电流的限制，通 常需要串联多条线路来进行阻抗匹配，造成多条线路停电；多条线路的串联， 使融冰线路的电抗大大增加，所需的融冰容量大大增加，不利于电网中的功率 平衡；交流融冰时，倒闸操作比较复杂。研究表明，5 0 0 k v 及以上交直流线路采 用交流融冰法基本不可行，对于大截面的双分裂导线也不太适合采用交流短路 融冰。 与交流融冰法不同，在一定的环境条件下，直流融冰所需要的电源容量只 取决于融冰线路的单位直流电阻和导线长度，不受线路交流电抗的影响，所需 电源容量能够大大降低【3 6 1 。在取得较好的性价比的基础上，根据电网融冰的实 际情况，可设计成移动式或固定式直流融冰设备，使用操作灵活；在交流电源 供电稳定的前提下，直流融冰方法串联的线路较少，减少了融冰的停电损失， 有利于电网的稳定安全运行，可以避免以往交流融冰技术存在的阻抗匹配困难、 融冰时操作多、负荷转移困难等不足，实现全网多条线路和多变电站的同时融 冰，能较好地适应目前电网2 2 0 k v 及以下变电站和线路融冰需要。 技术研究表明，对于5 0 0 k v 交流输电线路，融冰所需电源容量较大，考虑 到一些5 0 0 k v 枢纽变电站具有多条5 0 0 k v 出线，因此安装固定式直流融冰装置 可以实现5 0 0 k v 出线和2 2 0 k v 出线全线融冰；对于2 2 0 k v 及以下交流输电线路， 融冰所需电源容量不大，可以优先考虑采用站间移动直流融冰装置进行全线融 冰，电源从站内交流母线获得；对于一些特定的情况，也可以考虑利用发电车 供电直流融冰装置对架空地线、3 5 k v 及以下交流线路进行分段融冰。 现代电力电子技术的迅猛发展和大功率、大电流整流装置的开发，为直流 融冰技术提供了创造了良好的理论和实践经验，获得稳定可靠的大功率直流电 源成为现实。根据不同的应用条件可以采用不同形式和不同容量的直流融冰装 置进行融冰操作，极大地提升了直流融冰方法的可行性、实用性和灵活性。 而短路融冰的研究和应用已有很长的历史，前苏联自2 0 世纪5 0 年代起、 我国自1 9 7 6 年起开始采用交流短路融冰，加拿大m a n i t o b a 水电局自1 9 9 3 年起 研究直流短路融冰。到目前为止，交流短路融冰已经取得了丰富的实践经验， 但直流融冰目前还没有在工程应用中推广和相关经验的积累【2 j 。关于融冰电流 和融冰实践的计算模型国内外也开展了许多研究，提出了多种计算融冰时间的 模型f 3 】，现有模型计算结果和实际工程应用情况有较大的误差。分析表明，产生 6 第一章绪论 这种情况的原因是目前所有的交、直流融冰模型均假设融冰过程中导线表面的 温度维持在0 c ，但实测和分析表明，由于水膜和融冰后产生空气间隙的影响， 融冰过程中导线温度高于0 。 交、直流融冰的实质是热交换的过程，因而都有一个最小融冰电流。由于 没有分析融冰最小电流和环境参数的关系，我国湖南、贵州、重庆等电网在采 取短路融冰时常发生好几个小时甚至二十几个小时不能融冰的情况。其原因是 融冰电流的选择以及在不同环境条件下融冰所需的最小电流如何选择和计算， 目前国内外没有研究。 目前国内外对输电线路进行直流融冰的方案主要有3 种：发电机电源提供 直流融冰电流；系统电源带可控整流装置提供直流融冰电流：系统电源带不可 控整流装置提供直流融冰电流。 冰害较严重的前苏联自1 9 7 2 年开始使用二极管整流装置融冰，现在则采用 晶闸管整流装置，这种装置可实现加热融冰与精致补偿无功功率的双重用途。 俄罗斯直流研究院研制成功了2 个电压等级的晶闸管整流融冰装置，由l l k v 交 流母线供电的1 4 k v 晶闸管整流融冰装置和由3 8 5 k v 交流母线供电的5 0 k v 晶闸 管整流融冰装置。1 4 k v 装置的额定功率为1 4 m w ，5 0 k v 装置的额定功率为 5 0 m w ，5 0 m w 装置于1 9 9 4 年在变电站投运，用于为一条3 1 5 k m 的1 1 0 k v 输电 线路除冰。采用的融冰方式如下：退出运行的线路，其中一相导线接j 下极( 或负 极) ，另外两相导线并联接负极( 或正极) ，融冰时间为( 包括开关倒闸操作时间在 1 内) 2 - 2 5 小时。 在1 9 9 8 年美加大冰冻灾害后，加拿大魁北克水电公司与a r e v a 公司合作， 投入2 5 0 0 万欧元开发了一套高压直流融冰装置，其交流输入电压：2 0 k v 最大输 出融冰电流：7 2 0 0 a ，并于2 0 0 6 年1 1 月投入运行。该装置兼顾了s v c 和直流融 冰的功能要求，在非融冰期，可以以s v c 模式运行，降低了投入成本，改善了 电压稳定水平。 直流融冰是一种有别于交流融冰，新型且实际有效的输电线路融冰装置， 一定程度上克服了交流融冰方式的技术限制和技术缺陷，具有如下特点：一是 直流融冰时，线路阻抗的感性分量不起作用，大大降低了直流融冰所需的容量， 提高了直流融冰效率。尤其对于5 0 0 k v 的输电线路，由于其交流阻抗和截面大， 难以做到在交流短路条件下，系统电源提供较大的电流( 其中大部分为无功电 流1 。5 0 0 k v 交流线路的直流电阻只有交流阻抗的十分之一左右，相差一个数量 7 第一章绪论 级，得到同样大小的融冰电流，采用直流融冰方案需要的电源容量就小得多， 实用性更强。二是直流融冰电压可调。通过调整融冰电压，可以满足不同长度 线路的融冰要求，而不需要进行阻抗匹配。三是基站式的直流融冰装置可全站 共用一套装置，即可对全站所有的进出线开展直流融冰工作，在线路大面积覆 冰时，效果尤其明显。移动式直流融冰装置可以针对部分覆冰线路进行融冰操 作，极大地降低了能源消耗。 输电线路直流电流产生的热量必须大于导线散热量和融冰热量之和，覆冰 才能融化【3 7 1 。线路所通融冰电流需要达到一定的数值，线路线径越大，融冰电 流越大。融冰电流确定以后，融冰装置的电源容量对应一定长度的线路。作为 设计直流融冰方案的基本原则，架空覆冰线路通过的电流需大于融冰电流同时 小于线路最大允许电流。当电源由系统提供时，整流器经整流变压器带线路融 冰，以加拿大魁北克水电公司的高压直流融冰装置为例，其原理如图1 1 所示。 3 图1 1 直流融冰装置原理图 该装置具有s v c 和直流融冰的功能，直流融冰装置的核心为换流阀，额定 容量2 5 0 m w ，融冰时直流侧电压等级为17 4 k v 。融冰装置覆盖4 条7 3 5 k v 单 回线路和l 条3 15 k v 双回线路，通过在覆冰线路上流过可控的直流电流实现不 同长度和不同导线的有效融冰。该装置在非融冰期以s v c 方式运行，输出无功 容量从+ 2 5 0 m v a r 至1 2 5m v a r ，起到补偿无功功率的作用。 针对2 0 0 8 年冰灾造成电网输电线路严重覆冰，导致大面积倒塔( 杆) 、断 8 第一章绪论 线，给电网的安全稳定运行带来了极大破坏的难题，湖南省电力公司试验研究 院提出了直流融冰的解决方案，研制了新型线路直流融冰装置，并在国内首次 现场试运成功。2 0 0 8 年2 月1 0 日，在1 1 0 k v 矿山变冷矿线进行现场直流融冰试 验并获得成功。现场试验中，该装置对覆冰厚度约2 0 m m 的一段输电线路进行 融冰，直流融冰电流为8 0 0 a 。2 0 分钟后，线路上的覆冰融化脱落。此套装置是 目前国内首台应用于现场的直流融冰装置，丰富了输电线路的融冰技术，为电 网输电线路冬季的防冻融冰提供了一种有效的解决手段。 目前，国内外直流融冰技术的研究方兴未艾，但大多数均处于试验研究阶 段，仅有少数在一定程度和范围内得到工程实践运用。还有很多问题需要深入 研究和探讨，随着研究的深入和装置的实际投运，直流融冰技术的可靠性和可 行性将有很大的提高。 因此，国际上自上世纪8 0 年代开始就一直在探讨直流融冰的可能和开发直 流融冰装置。通过大量的实践经验的总结，提出采用直流融冰是一种切实可行、 经济有效的防止冰灾事故发生的技术方法和措施。国内外对直流融冰装置的研 发也取得了较大进步，开发适合线路融冰的可移动式直流融冰装置技术水平已 具备。加拿大第一次研制出直流可控融冰装置( 交流电压：2 0 k v , 最大融冰电流： 7 2 0 0 a ) 。 1 4 本文研究的目的与内容 1 ) 通过对直流融冰临界电流计算模型及直流融冰时间计算模型分析，并根 据江西电网1 1 0 k v 及以上输电线路参数进行仿真计算，得出江西电网典型 1 1 0 k v 、2 2 0 k v 及5 0 0 k v 输电线路融冰电流、功率并选择方案。 2 ) 应用中国电力科学研究院直流输电工程技术研究所与株洲变流技术国家 工程研究中心有限公司，共同开发研制的可移动式直流融冰装置对5 0 0 k v 输电 线路导线进行融冰升温调试试验，为江西省输电线路防冰、除冰提供有效的技 术和措施。 9 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 2 1 江西电网融冰概述 2 0 0 8 年1 月中旬至2 月初的冰雪灾害是江西电网最严重的一次自然灾害， 持续的雨雪冰冻天气造成大范围故障跳闸、导线舞动、覆冰闪络及倒塔断线等 事故，使江西电网面临前所未有的严峻形势，防冰除冰研究刻不容缓。在目前 国内外应用比较成熟的除冰方法中，采用交流短路电流融冰是较为有效和可行 的方法。但交流线路电抗的存在，使超高压线路的实际融冰功率只有变压器视 在功率1 1 0 - 1 2 0 ，因此，在实施交流短路电流融冰时往往存在融冰电源容量远 远不足的问题。通过大量的实践经验的总结采用直流融冰是一种切实可行、经 济有效的防止冰灾事故发生的技术方法和措施【3 引。开展直流融冰电流和融冰时 间与各影响参数关系的研究是合理设计直流融冰装置、因地制宜实施融冰方法 的技术基础和必要保证，对于今后防止发生类似今年的大面积冰灾事故具有非 常重要的工程应用价值和社会意义。 2 2 直流融冰临界电流计算模型研究 2 2 1 导线表面热平衡分析 为了得到导线表面热平衡方程的具体形式，需作如下简化和假设f 4 0 j ：1 导线 是外径为d e 的水平放置的圆柱体，且不考虑绞线对导线表面的影响；2 导线通 过电流时发热均匀，且忽略导线的内热阻，认为导线温度均匀一致，无通过导 线的导热；3 含有过冷却液滴的湿空气从无限远处匀速流向导线；4 由于导线覆 冰过程十分缓慢，故在进行传热分析时，可将导线覆冰过程视为准平衡过程。 基于以上简化和假设，导线覆冰时的表面热平衡方程如式( 2 1 ) 所示： q j = q + q + 绋+ q s ( 2 1 ) 式中9 导线电流产生的焦尔热流密度； q c 导线表面和空气间的对流换热密度： 跏导线表面因水分蒸发而产生的潜热损失； 1 0 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 q 将过冷却水滴加热到表面温度所产生的显热损失； q s 导线与外界环境之间的辐射换热损失( 以上各项单位均为j m 2 s ) 。 2 2 2 直流融冰l 晦界电流模型 方程( 2 1 ) 中的各项热流密度可由式( 2 2 ) ( 2 8 ) 计算嘲： ( a ) 焦耳热流密度( q ) q = 箬 式中l i 单位长度导线的直流电阻( q m ) ； i 导线电流( a ) ； d c 导线外径( m ) ( b ) 对流换热密度( 鲛) 绞= 办( 一，) 式中h 空气与导线间的对流换热系数 ：l o n u ( w m z k ) 皿 入a - 一空气导热系数( w m k ) ： n u 努塞尔系数； t s 、t 导线表面温度和空气温度( k ) 。 ( c ) 蒸发潜热( 绕) 绕= 二巩魄易 式中e 液滴总体收集系数； v 。空气速度( m s ) ； l ，水的气化潜热，l ，= 2 2 6 x1 0 3 ( k j k g ) ； w 。导线表面蒸发的过冷却液滴含量 w e = 0 6 2 2 x z x h 瓦e t s - i e t ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 其中p 标准大气压，p = 1 0 1 3 2 5 1 0 5 ( p a ) ； e 。在t s 时，导线表面的饱和蒸汽压； e 。在t 时，湿空气的饱和蒸汽压； c 。为空气的定压比热容，c 。= 1 0 0 6 ( k j k g k ) 饱和蒸汽压的计算采用l o w e 公式： q = a 0 + a f + a 2 t 2 + a 3 t 3 + 口4 t 4 + a s t 5 + a 6 t 6 ( 2 6 ) 式中丁单位( k ) ； e 。单位( m b ) a o 嚣一多项式系数，见下表i ( d ) 辐射换热( q ) 在不同文献中，辐射换热q 。的计算公式略有不同。刘和云【3 8 】 3 9 1 等人在计算该项 热流密度时，采用如下公式： q = 4 e a t 3 以- t ) ( 2 7 ) 式中导线表面黑度( 新线0 2 3 - 0 4 3 ，旧线0 9 ) ； 0 s 芒鲫饧门_ 踟j f c 溯肋常数，0 = 5 6 7 i 0 8 ( w m 2 k 4 ) 。 ( e ) 升温显热( 见) 一 姨= 二e 三慨( 捃一f ) ( 2 8 ) 刀 式中l w c 湿空气含湿量( g m 3 ) ； c 水的定压比热容，c = - 4 1 8 ( k j k g k ) 。 ( f ) 液滴撞击动能及空气动力热能 导线覆冰时参与其表面传热过程的液滴质量流包括纵酝及进入控制体的 液滴质量流所携带的动能项。同时，当空气流过导线时会与导线表面发生磨擦 而产生热量，这种热量与空气速度的平方成正比，即热量将随空气速度的增大 1 2 第二章江两省电网直流融冰临界电流计算研究 而呈指数增加，而式( 2 1 ) 中也没有体现这一热流量。所以，为了在导线覆冰 条件下，使其表面热平衡方程更准确地反映实际情况，需要考虑上述两项热流 项，即铱纵其仿真结果见文防冰临界电流的研究与仿真 4 1 3 。 将上述各式代入式( 2 - 1 ) 中，即可得到临界电流乃的表达式： ，：f ，华r 【q + 骁+ 鲸+ g 一( 9 + 绞) 】0 5 ( 2 9 ) 卜 由式( 2 - 9 ) 可以看出，临界电流值主要取决于外部气象条件和导线本身的物 性参数。一般来说，线路一旦铺设，导线型号基本不会改变，所以只要知道覆 冰时导线所处的气象条件，即可确定临界电流值。 2 3 直流融冰电源容量与交流融冰电源容量比较 对于直流短路融冰，稳态时不存在无功功率，所以在稳态时电源的最小容 量( s d c ) 由以下公式确定： = i t = 1 2 r 对于交流短路融冰，导线中除了电阻外，还必须考虑电感和电容。由于受 电源容量的限制，短路融冰线路一般不会太大，相比电感，电容很小，为简化 起见，只考虑线路的感抗。令z 爿州l ，由短路融冰时电源需要提供的有功功 率为：p = u i c o s c p = ，2 r 电源需要提供的无功功率为：q = u l s i n q = 1 2 c o l 其中单位长度的电感为：厶：z x o i n ( 型量) t f 乞 交流短路融冰需要的电源容量( ) 为：。= p 2 + q 2 表2 - 1交直流短路融冰所需最小电源容量 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 由表2 - 1 可知，相同线型，相同长度( 1 0 0 k m ) 的情况下，交流融冰所需的 电源容量远远高于直流融冰所需的电源容量。 2 4 直流临界融冰电流的影响因素研究 文章分别模拟了线型、冰厚、温度、风速对临界融冰电流的影响，如图2 卜 图2 4 所示。在相同冰厚、环境温度及风速下，随着线径的增粗，由于导线直 流电阻的减小，所需的导线临界融冰电流成比例增加。在相同线径、环境温度 及风速下，覆冰厚度越厚导线所需的临界融冰电流有所增加，但增加幅度不大， 主要原因在于导线表面热平衡吸、散热与冰厚关系不大。由于风速及环境温度 对导线表面吸、散热关系较大，在相同线径、冰厚及环境温度下，风速对导线 临界融冰电流影响较大，风速越快导线所需的临界融冰电流越大。在相同线径、 冰厚及风速下，环境温度对导线临界融冰电流影响较大，环境温度越低导线所 需的临界融冰电流越大。 1 4 0 0 1 加0 1 0 0 0 笔嘲 锄 枷 2 0l 倒7 0l g j 2 i & 1 4 “讲2 d 5 图2 1 线型对临界融冰电流的影响 1 4 图2 2 覆冰厚度对l g j 2 4 0 线型临界融冰电流的影响 图2 3 风速对l g j 2 4 0 线型i 晦界融冰电流的影响 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 x ： 怎。 弋 图2 4 环境温度对l g j 2 4 0 线型临界融冰电流的影响 2 5 直流融冰时间计算模型 对于短路融冰方式，在开始通电流之前，导线需要停电进行准备，准备时 间足以使导线的温度达到与环境温度平衡的状态。因此，当环境温度为f c 时，导 线和冰层的初始温度均一致，即厶黾= ，。= 。 导线通流以后，电流产生焦耳热加热导线，加热冰层，融化部分覆冰，冰 表面自然对流存在热损失，风速的强制对流存在热损失。 根据前面的分析可知，导线融冰的基本条件是导线传输电流超过临界融冰 电流，如果导线实际电流小于或等于临界融冰电流，则不能融冰。在稳态融冰 状态下，即在融冰过程中，导线与冰层的接触面是冰水的混合物，因此其温度 始终为o c t 2 , 1 2 - 1 3 】。根据导线融冰的过程和融冰的实际热量传递可知，导线电流 大于临界融冰电流时的产生的热量由以下各项组成，即： ( a ) 被融化部分的冰的温度从，c 升高到t o 吸收的热量( q 1 ) 被融化部分的冰的加热过程是缓慢的，从最终结果来看，这部分冰在开始 融冰的温度与环境温度致，需要融化这部分冰时，首先得加热至o ，因此这 部分冰加热至可以融化的状态时吸收热量，可表示为： q l = c f p ，a 册( 0 一t f ) = 一c f p f a 脚t g ( 2 1 0 ) ( b ) 融化冰所需要吸收的热量( 甥) o c 的冰融化为0 的水所需的热量可表示为： 1 6 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 q 2 = 辟a m l f ( 2 - 11 ) ( c ) 未被融化的冰温度变化吸收的热量 导线表面的冰在融冰以前的温度与环境温度一致，在融化过程中，其冰面 温度发生变化，冰层温度也发生了变化，即冰层的温度是不均匀的。 由于一部分冰融化成水离开了导线，剩余部分冰层仍在导线表面，直至最 后在外力下自行脱落，虽然这部分冰从导线上脱落后并未完全融化，但脱离导 线时的温度发生了变化。 在冰脱落时，剩余冰层是不均匀的，温度分需也是剩余冰层厚度的函数， 但总的来看，冰层的平均温度仍可以所以以膜温度表示。因此，导线上剩余冰 层吸收的热量为： 0 3 ：c j p , a ，( 华一乞) 二 f( 2 一1 2 ) = c , p , a ，( 詈一乙) 二 其中a r 为剩余部分冰的截面积 ( d ) 导线温度从名升高到t o 所吸收的热量( 9 ) 在导线覆冰融化过程以及剩余冰层没有脱离导线之前，导线和冰交界面的 温度为，o 。虽然下表面没有冰水的混合物，由于导线是热的良导体，导线圆周上 的的温度梯度不会很大，可近似为等温度场。因此在融冰过程中，导线内部( 包 括钢芯) 和外部的温度都可以认为是。因此，加热钢芯铝绞线需要的热量( 9 ) 为： q = c a t p a f l a i ( t o 一乙) + c f e r f e s f e ( t o 一乞) = 虻a l p a l s a | + c f e p f r s f e ( 2 - 1 3 记 ( e ) 冰表面散失的热量( 酝) 冰表面散失的热量主要有辐射散热、自然对流散热和强制对流散热。由前面 分析可知，散失的热量由临界融冰融冰电流决定，因此由前面可知，在融冰过 程中散失的热量为： a 5 = i c z r o t( 2 1 4 ) 假设导线的融冰大于厶且( 由前面分析可知，小于或等于临界融冰电流时， 1 7 第二章江西省电网直流融冰临界电流计算研究 融冰无意义) 为，经过时间丁，导线上冰层融化并脱落，则根据以上分析可知融