[科普中国]-电网焦耳热融冰技术

简介

介绍了交流短路融冰、直流融冰和并联电容补偿无功电流融冰三种焦耳热融冰方法的工作原理和应用情况，通过分析和公式计算，对比了这三种焦耳热融冰的主要技术参数和性能指标，包括融冰电源容量、线路融冰长度、融冰压降、融冰消耗有功和无功功率等参数。根据技术参数对其融冰适用范围、系统影响、操作难易程度和经济可行性进行了分析。还简要介绍了并联电容补偿无功电流融冰方法目前应用情况和己取得的研究进展，并对今后电网覆冰防治工作提出了一些建议。

输配电线路覆冰事故在我国频繁发生，线路覆冰己经成为危及我国电网安全运行的重要因素。国内外现有的融冰方法和融冰装备，受电网架构、工程造价和操作难度等因素影响和制约，难以大范围使用，没有在灾害发生时发挥全部功能和作用。综合比较来看，对电力线融冰最有效的方法是焦耳热融冰法，即通过增大流经导线的电流使覆冰导线发热，来实现对导线融冰的功能。目前焦耳热融冰法应用较多的是交流短路融冰法、直流融冰法和并联电容补偿无功电流融冰法。

交流短路融冰及其应用交流短路融冰示意如图1所示。通过计算短路点的短路电流，人为地将两相或者三相导线短路，短路电流控制在导线允许的最大电流范围之内，达到线路融冰的目的。交流短路融冰法在国外己达到了实用化的阶段:俄罗斯巴什基尔电网使用短路融冰技术融冰;加拿大Manitoba水电局1993年开始采用短路电流融冰。

交流短路融冰方案应遵守以下原则设计:

1)防止作为融冰电源的主变压器过载。

2)选择可行的电气路径，考虑电网电压及稳定维持能力(无功储备)、电源/变压器容量等。 3)尽量少改变电网的正常运行方式，减少对开关、刀开关等元件的操作次数。

4)计算短路融冰电流，选择合适的电气距离和短路点，提供足够的无功补偿，使得系统电源在可以承受的范围内2。

5)尽量选择主变压器容量较大、低压侧有无功补偿装置、负载比较容易转移和有旁路母线的变电站。

由于交流输电线路存在感抗，且感抗远大于直流电阻，因此110 kV以上电压等级的多分裂导线融冰不适用短路融冰法，且融冰线路长度也有一定限制，以保证电源能提供有效的融冰电流。500 kV及以上电压等级输电线路需大容量融冰电源，采用直接交流短路融冰方案是不可行的，需在线路中串联电容以减小线路的感抗，降低需要系统提供的融冰电源的容量。

直流融冰及其应用加强电网杆塔和导线机械强度来提高抗覆冰能力，项目投资巨大，超过200 km的线路采用交流短路融冰没有足够大容量的电源由于直流电流线路中只存在直流电阻，不存在交流输电时线路感抗，直流融冰不消耗无功，因此相对短路融冰所需电源容量小。500 kV线路的直流电阻约为交流阻抗的10%。直流融冰电源可以由交流电网系统提供，也可以由发电机提供，融冰时将直流融冰装置接入待融冰的输配电线路，进行两相或三相短路，实现大电流焦耳热融冰的功能。

加拿大Hydro一Quebec公司在1998年的北美冰风暴灾难后，分析了各种线路融冰方法。2006年11月与AREVA公司合作开发高压直流融冰装置，并投资2 500万欧元将其安装于Hydro -Quebec Levis变电站，如图2所示。

该直流融冰装置额定容量为0. 25 GW，核心为换流阀，融冰时直流侧电压为1 17. 4 kV，通过控制直流电流对覆冰线路实现不同型号导线和不同长度导线的有效融冰。可对1条双回路315 kV线路和4条单回路735 kV线路融冰，对电压735 kV线路可最长融冰242 km。在风速10 km/h、气温一10℃条件下，四分裂735 kV线路1354MCM导线融冰电流可达7 200 A，通电30 min可以融化12 mm厚的覆冰。该装置无功容量输出从+250 Mvar至一125 Mvar，在平时以SVC方式运行，做稳定系统电压用2。

南方电网和国家电网在我国2008年冰灾后，投入了大量的科研力量研究直流融冰技术。世界首套大容量(容量为60 MV A)固定式直流融冰装置于2008年10月在南方电网500 kV福泉变电站福施II线上成功完成了升温试验，如图3所示。2008年12月湖南电网在500 kV复沙I线完成了线路升温试验，使86 km的4 x LGJ一400的导线升温47℃。广东电网的直流融冰装置于2009年1月在韶关110 kV通梅线上首次完成了现场融冰脱冰试验。贵州六盘水供电局在220 kV水城变电站也开展了直流融冰试验。

联电容补偿尤功电流融冰方法及应用并联电容无功补偿融冰原理，如图4所示。由于线路中存在电感和工业用户负载中存在磁设备，一般把负载等效为电阻R和感抗XL的串联。其中，系统提供的总电流为Is，电容无功补偿电流(即融冰电流)为Ic:电容器的容抗为戈，R, XL为系统负载。调整电容器的容量，可以改变待融冰线路中无功电流人的大小，从而使待融冰线路中有大电流通过，以实现焦耳热融冰。

目前我国220 kV及以下各级电网变电站电容补偿容量配置，是按供用电规则要求配置装设在变电站母线上。在35 kV和110 kV变电站中，其电容器无功补偿容量一般取主变压器容量的15% -20%;在66 kV变电站中，其容量一般取主变压器容量的20%一30% ; 220 kV变电站一般取主变压器容量的0一30% 。

利用电容补偿无功电流对线路升温融冰，其关键技术在于如何使无功大电流注入融冰线路。实践表明可利用在一次变电站装设的大容量10 kV电容器连接在66 kV融冰线路末端输入无功大电流的方法来实现，解决了直接利用二次变电站配置的10 kV电容器容量小，无法提供融冰所需大电流这一关键问题。电容补偿无功电源可与输电线路连接成如图6所示的接线方案，构成把电容补偿无功电流经由线路末端输入到待升温融冰线路的接线。 并联电容补偿无功电流融冰方法于2009年首次在鸡西电业局66 kV密山甲线实施融冰效果良好。66 kV密山甲线融冰试验接线如图7所示。将密山一次变电站10 kV电容器经66 kV密山甲线连接到密山二次变电站10 kV母线构成融冰接线回路。

经过37 min B相LGJ一120线路覆冰全部融化，52 min A相LGJ一150线路覆冰全部融化，77 min C相LGJ - 300线路覆冰全部融化，如图8所示，融冰操作结束。技术参数和性能比较

交流短路融冰法、直流融冰法和并联电容补偿无功电流融冰方法都属于焦耳热融冰范畴。交流短路融冰和直流融冰都是人为制造一个短路点或回路来实现增大电流、达到发热融冰的目的。交流短路融冰法由于输电线路的交流感抗比较大，融冰过程需要电网提供很大的无功电源，因此对电网电压影响很大。对4 x 400四分裂导线150 km线路融冰，需要1 GV A以上的无功容量;对500 kV及以上线路融冰，很难找到满足要求的融冰电源。用短路融冰法对220 kV线路LGJ -400导线融冰，需102 MV·A电源容量，也就是变电站主变压器容量小于100 MV " A将不能进行交流短路融冰。直流融冰解决了交流短路融冰需要无功容量大的问题，但由于直流融冰项目投资巨大、设备用途单一及操作复杂，只能在重要的500 kV及以上电压等级的变电站配置，不能覆盖220 kV及以下电压等级中、小型变电站和线路。为解决全网电力线路融冰问题，采用并联电容补偿无功电流融冰方法和融冰装置是十分必要的。并联电容补偿无功电流融冰方法与融冰装置，适用于各电压等级的电力线路融冰，重点解决了220 kV及以下电压等级的中、小型变电站送出的电力线路融冰问题，适用范围更广，涵盖了交流短路融冰不能应用的区域，同时具有直流融冰方法的优点。采用与线路相同电压等级的电容器作为融冰电源融冰，融冰线路可以正常供电，特别适用于10 kV线路融冰，融冰过程中10 kV线路可以正常供电，不影响电力潮流分配和企事业单位及居民的生产生活，对防范频繁发生的线路覆冰问题作用和意义重大。并联电容补偿无功电流融冰装置，平时可做为系统无功补偿装置，一机多用，在没有专门融冰设备的紧急情况下，可利用变电站现有的10 kV并联电容器融冰，其技术指标和经济效益都有较大优势。

从电网构架和工程造价上看，直流融冰方法、交流短路融冰方法和并联电容补偿无功电流融冰方法，在应用上呈现金字塔形结构。直流融冰电压等级高，工程造价昂贵，处于金字塔顶层。220 kV及以下电压等级的电力线路处于金字塔的底层，供电范围最广，占到整个电网构架的80%，在这一领域，直流融冰方法和交流短路融冰方法从技术和经济上不能覆盖，最适合推广并联电容补偿无功电流融冰方法。我国南方和东北地区近年来频繁发生冻雨冰灾，特别是2008年我国南方遭遇严重的冻雨冰灾，造成输配电线路覆冰平均厚度达30 mm以上，停运输电线路39 033条，变电站2 037座，其中500 kV变电站15座，220 kV变电站86座，220 kV及以上电压等级线路倒杆塔2 110基，冻雨冰灾造成的经济损失达1 000亿元以上。若上述地区10%的电网应用并联电容补偿无功电流融冰方法，可挽回损失近百亿元1。

总结并联电容补偿无功电流融冰方法，有别于交流短路融冰法和直流短路融冰法，其本质区别在于增大线路融冰电流的方法不同。并联电容补偿无功电流融冰方法是用增大融冰线路中传输的无功电流(即电容电流入)，来增大融冰线路的总电流，使导线产生可以融冰的焦耳热实现对覆冰导线融冰的功能。并联电容补偿无功电流融冰方法在融冰过程中，被融冰导线和系统始终处于正常的电网运行工作状态中;交、直流短路融冰法是人为计算设计并制造一个短路非正常状态，用短路接线这种办法来加大融冰线路中传输的电流，达到对导线融冰的目的，是一种在紧急情况下非正常状态运行方式，是为了防止覆冰导线出现断线、倒杆塔事故而采用的临时措施。交、直流短路融冰法对电网的正常工作影响很大，变电站一般都没有专用的短路融冰装置。采用交流短路融冰，融冰过程中融冰电流骤加，对电网冲击很大，融冰消耗电网无功电力大，电网电压压降大，影响电网供电质量;直流融冰项目投资巨大、设备用途单一及操作复杂，在重要的500 kV及以上电压等级的变电站配置可行，不适用于220 kV及以下电压等级中小型变电站推广使用。

并联电容补偿无功电流融冰方法与交流短路融冰法和直流短路融冰法相比较，参数指标、性能和经济效益都有优势。该方法具有直流融冰的优点，融冰过程剩余的无功可向电网输送，不影响电压质量，10 kV线路可带负荷融冰，特别适用于220 kV及以下所有线路，可覆盖80%的电网线路，为解决全网电力线路融冰问题提供了坚实基础。

并联电容补偿无功电流融冰方法自2009年，多次成功地实施了融冰操作，避免因线路覆冰造成断线、倒杆塔等多起重大停电事故，己为企业节约近5 000元余万元的线路抢修费用，间接挽回国民经济损失近亿元。制定的标准Q / GD W 24 - 7454-2012一10504 (1220 kV及以下交流输电线路电容补偿融冰技术规范》，极大地提高了电网抵抗覆冰灾害的能力，有力地保证了电网冬季安全运行2。