黎黎
国网山西省电力公司检修分公司 山西省太原市
摘要：近年来，全国气候反常，寒潮频繁袭击电网，造成大面积输电线路严重覆冰。输电线路覆冰，不仅会引起闪络跳闸，而且可以损坏金具，造成杆、塔倒塌，严重威胁输电网安全运行。但输电线路大多架设在野外山区，在严寒天气下抢修极为困难。因此，有必要研发新的电网防冰融冰技术。直流融冰技术便是一个很好的可选项。本文将研究如何在500kV 变电站中应用直流融冰技术。
关键词：输电线路覆冰；500kV 变电站；直流融冰技术；应用；研究
一、输电线路覆冰
每年冬季与初春季节，来自西伯利亚的北方冷空气与来自太平洋的南方暖湿空气便会在我国交汇，形成静止锋，导致大气温度下降至0 ℃以下。输电线路长期暴露在潮湿的空气中，经受大风的吹袭，导线上会形成雨凇。遇到雨雪天气，当气温进一步下降至-8℃ ～-15 ℃时，冻雨、雪花便会在黏结强度很高的雨凇冰面上增长，形成覆冰。输电线路覆冰后，会出现电气间隙放电，引发绝缘子串闪络，较重的覆冰甚至会压倒杆、塔。2008 年1 月，我国南方14 个省份遭受特大风雪冰灾，输电网大面积覆冰，湖南、浙江等地均出现了杆塔倒塌、覆冰断线，造成大范围断电、停电，严重影响了人民生活。抢修人员在大雪封山的现场日夜奋战，但由于人工进行除冰工作效率较低，部分线路不具备上杆除冰条件和受气候影响较大等原因，除冰效果并不理想。
近年来，极端严寒天气发生的频率进一步上升，国内输电线路还可能遭受新一轮冰灾。因此，必须认真研究电网防冰、融冰技术。
二、直流融冰技术
(一)直流融冰基本原理
众所周知，由于导线内存在着电阻，因而电流通过导线时会产生一定的热量。电流越大，产生的热越大。直流融冰的基本原理，便是将易遭受冰灾的覆冰线路作为负载，在输电线路上施加直流电源，在导线上形成电压较低的直流电流，从而使导线产生较大的热量，融化导线表面的覆冰。通过三相桥式整流换相，便可将交流电源转换成直流电源。据测算，500kV 线路在-18℃的低温、零风速的环境下，采用直流融冰法进行融冰，仅需4000A 直流电，系统仅需提供100MW 以下的功率。还有专家对常用输电线路的直流融冰电流进行了精细研究，指出：在-5℃、风速为5 米/秒的条件下，GJQ-700导线融冰电流仅为1135A，LGJQ-600 导线融冰电流仅需1066.3A，LGJ-185 导线的融冰电流为457A，而LGJ-35 导线的融冰电流更低，仅需152.1A。直流融冰可对单回输电线路实现快速、便捷的融冰，适用范围快，需要电网系统提供的容量小，安全性较高。
(二)直流融冰电源装置
根据电流是否可控，直流融冰电源装置又可分为可控型与不可控型两种。不可控型直流融冰电源装置由三相二极管整流阀、交流侧滤波装置、直流平波电抗器、50Hz 滤波器组成。其中，三相二极管整流阀负责将交流电变为直流电，交流侧滤波装置负责滤除因整流而产生的谐波电流，直流平波电抗器负责平滑直流电流，50Hz 滤波器负责滤除正在输电运行中的平行线路耦合到融冰线路上的工频电流与工频电压。不可控型直流融冰电源装置价格较低、结构简单，但输出的电压不可调节。
可控型直流融冰电源装置也由三相二极管整流阀、交流侧滤波装置、直流平波电抗器、50Hz 滤波器组成；其中的三相二极管整流阀由可控硅组成，可随意设定、调节融冰电流。但可控型直流融冰电源装置价格较高，结构复杂，不易推广。
三、研究如何在500kV 变电站中应用直流融冰技术
(一)500kV 变电站的主要特点
500kV 变电站在输电网络中充当枢纽变电站的角色。500kV 变电站变电容量大，装设750～1000MVA 主变压器，其容量为220kV 变电站的5～8 倍。500kV 系统容量大，一次系统时间常数往往达到50～200ms；其内部电压又分为10kV、35kV、110kV、220kV、500kV 等五个等级，出线回路数多，既有500kV 出线，也有220kV 出线。因此，必须具体情况具体分析，根据不同输电线路的实际情况，采用不同的直流融冰技术。
(二)在500kV 变电站不同输电线路上应用适宜的直流融冰技术
1.在500kV 输电线路上应用固定式直流融冰装置
固定式直流融冰装置由变压器、交流滤波器、换流阀、隔离开关、导线、控制设备构成，价格较贵，但容量大、电流大，操作也比较简单。固定式直流融冰装置可安装在变电站内，由变电站提供交流电，再将交流电转变为直流电，输入500kV 输电线路进行融冰作业。据测算，使用固定式直流融冰装置向500kV 线路输出3979A 融冰直流电流，在10MW 功率下，其有效融冰距离达21.4 公里；在50MW 功率下，其有效融冰距离达106.8 公里；在100MW 功率下，其有效融冰距离达213.7 公里；在200MW 功率下，其有效融冰距离达427.4 公里。
在500kV 线路上使用固定式直流融冰装置，需要新增直流融冰回路管母线，并配置直流融冰母线接地开关、500kV 出线间隔融冰隔离开关等附属设备。
2.在220kV、110kV 输电线路上应用移动式直流融冰装置
移动式直流融冰装置，由整流变压器、可控型直流融冰电源装置、交流供电系统、控制系统、保护系统构成。移动式直流融冰装置可安装在车辆上移动，可对任何一条融冰线路进行融冰作业，机动性、灵活性较好，但需要车载发电机(或发电车)作电源和融冰线路出线搭接和拆除作业。因此，移动式直流融冰装置容量较小，通常在25MVA 以下，其融冰作业时间也较长。
3.在35kV、10kV 输电线路上应用SVC直流融冰装置
在直流融冰装置上进行适当的改造，在其一次设备中增加电抗器、开头，在其控制、保护系统中设置相应的无功补偿功能，并根据交流母线上的谐波情况配置相应的滤波器，便可使直流融冰装置升级成为SVC 静止无功补偿器，对交流系统无功和电压进行快速、连续的补偿。SVC 直流融冰装置能耗小，可以向交流电系统提供感性无功功率，便对无功功率的大小进行快速、连续的调节，因而对于交流电系统的谐波影响较小，35kV 母线上其它负荷不须退出，也可以正常运行。
四、直流融冰技术在实践中的表现
2008 年特大冰灾后，南方电网投入大量人力、技术研发直流融冰技术。2009 年12月，60MVA 固定式直流融冰装置在500kV 息烽变电站的500kV 烽贵Ⅰ回线路(导线型号为4×LGJ-400)上进行首次融冰工作，结果显示：在-5℃的现场气温中，当直流融冰装置输出的电流从900A 逐步上升至2800A 后，导线温度上升8～10℃，其右相弧垂增加量从0.042米上升至0.387 米，其中相弧垂增加量从0.082米减少至0.063 米，其左相弧垂增加量从0.043米增加至0.086 米，其垂直角从17°39'28"减少为°34'29"，其弧垂高度从18.47 米下降为18.39米。56 公里的500kV 线路升温达47℃。当电流从4000A 上升至5000A 后，仅仅历时15 分钟，导线上的厚达12 毫米的覆冰便全部脱落。
截止2016 年底，笔者所在的贵州电网全网在运直流融冰装置共有50 套(台)，其中固定式直流融冰装置30 套、车载式直流融冰装置20 台。
五、结束语
2008 年特大冰灾给我们留下了极为深刻的印象。为防止输电线路再次遭受冰灾，为保障“西电东送、北电南送”的顺利运行，应当在500kV 变电站中积极推广、应用直流融冰技术。