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【摘要】本文将分别针对高压交流输电线路和直流输电线路，研究其直流融冰方法。首先针对高压交流输电线路,详细分析了其利用交流系统作为融冰电源并带整流器的直流融冰方法,然后针对直流输电线路,分析了通过改变换流站运行方式的背靠背直流融冰方式和通过改变直流接线方式的双极并联直流融冰方式。
【关键词】直流融冰；交流融冰；直流输电线路；交流输电线路；融冰方式
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近年来,随着极端天气的增加,电网融冰已经越来越受到各国的重视。由于短路融冰法由于其自身的缺陷，而直流融冰基本上对一任何电压等级都可以进行融冰，因此直流融冰时，只需要给整流装置提供无功功率，融冰电源的容量将大大降低，这种方法适用于所有电压等级的线路融冰，具有普遍的适用性。
二、输电线路结冰的不良影响
电力系统的稳定关乎国民经济和社会发展,输电线路结冰一直威胁着电力系统的安全与稳定,因此研究发展理念先进、高效低耗、安全性高的除冰方式仍将是今后除冰技术发展研究的重点方向。严重的结冰不仅会极大影响输电线路的性能,同时还可能造成严重灾害。不良影响主要有以下四種：
1、过负载
当导线结冰超过设计所能承受的最大抗冰厚度时,由于导线质量增加,受风面积增大都会引起电路过载。
2、结冰导线舞动
当导线发生非对称结冰时,线路会因为所受风力大小的不同而发生舞动,若舞动持续时间长、幅度大就会对电路造成损坏。轻则引起导线、金具、杆塔和相关部件的损坏,重则可能导致停电跳闸甚至输电线路断裂和杆塔倾覆。
3、绝缘子冰闪
绝缘子在大量覆冰的情况下会导致绝缘强度降低,泄露距离缩短。同时融冰过程当中,一些电解质杂质会伴随溶解,使得融冰水的导电性能提升,引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变,从而降低了覆冰绝缘子串的闪络电压。融冰时期通常伴有的大雾,使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水的导电率,形成冰闪。
4、不均匀结冰或不同时期脱冰
输电线不均匀结冰或不同时期脱冰会在两段线路之间产生张力差,减弱杆塔承受张力的能力,悬垂绝缘子偏移很大,碰撞横担,造成绝缘子损坏或破裂；也有可能是横担转动,导致导线与拉线的碰撞,烧伤或烧毁拉线,导致杆塔在失去拉线后失去支撑而倒塌。同时,不同时期脱冰还会使横担折断或者向上翘起,地线支架被破坏。
三、直流输电线路融冰方法分析
直流输电线路由于主要应用于远距离输电,沿途会经过不同的环境条件,难免会途经环境条件恶劣的地方,线路出现覆冰。直流输电线路,特别是国内在建的特高压直流输电线路,在进行直流融冰时,可以考虑利用直流输电线路已有的换流装置输出融冰电流进行线路融冰。
1、换流站融冰分析
直流换流站融冰最重要的还是直线输电线路融冰电流的求取，以确定线路的额定电流或者长期过载电流能否满足线路融冰的要求。以下结合实际工程参数并考虑到环境温度、风速、覆冰情况,给出了高压直流输电工程直流线路和融冰参数,然后根据融冰参数进行分析,其融冰参数见表1。
表1高压直流输电工程直流线路和融冰参数
2、直流输电线路双极并联融冰方式
如果大量覆冰形成并威胁到杆塔，就需要在很短时间内融化覆冰，或者线路的最大负载电流己经达不到保线电流要求。此时，为了达到融冰电流的要求，必须采取紧急融冰方案，提供很大的线路电流，迅速融化已形成的覆冰。要获得很大的电流，可以用双极并联的形式来获取所需要的融冰电流，而换流器的电流并没有发生变化。鉴于直流输电的换流器电流具有很好的可控性，因此此种融冰方式具有很好的可控性，直接通过改变电流指令就可以达到所需要的融冰电流。但是该融冰方式需要改变线路的拓扑结构，因此需要增加引线和开关和电流互感器和电压互感器。需要注意的是，此时系统，只能一极的中性点接地，提供所需要的电压参考。正常情况下，当线路上流的电流为额定电流2倍时，此时，系统输送的功率和双极系统正常运行下输送的功率相同。其方案拓扑结果如图1所示。
图1 双极并联直流融冰方式
换流站融冰具有很灵活的运行方式,对于线路过载电流小于融冰电流的直流输电工程必须采用双极并联直流融冰方案,而对于线路过载电流大于保线电流可以采用背靠背直流融冰方案,也可采用双极并联直流融冰方案。正常情况下应该首先考虑背靠背直流融冰方案,因为此时对线路的结构控制系统不需要更改,减少了误操作的可能性,同时需要指出的是双极背靠背融冰方案能够根据负荷要求灵活选取。
3、直流输电线路背靠背融冰方式
在冬季,对于有些换流站,虽然有些线路的长期过负载电流达不到线路的融冰电流的要求,但可以达到线路抗冰要求,因此可以充分结合冬季的负荷特点。
高负荷时，高压直流系统负荷较大,线路电流接近或达到额定直流电流,此时线路发热量基本可以预防覆冰的形成。即使环境温度很低或己有少量覆冰形成,由于一般的直流输电系统都有10%的过负荷能力,可以充分的利用系统短时过负荷能力，达到预防覆冰形成的目的。
低负荷时，枯小时段，受整流端系统功率不足的限制，直流线路电流将远小于额定电流，此时如遇到低温雨雪天气，易产生覆冰灾害。针对这种情况，预防性融冰方案需要同时实现2个目标：高压直流系统的总输送功率应较小；直流线路电流应尽可能大，至少达到额定值左右。令高压直流工程的2个极功率方向相反，一极正向传输功率，另一极反向传输功率，可同时实现上述2个目标。采用这种方案，单个极传输的功率可以很大，用于产生额定的直流电流；而由于2个极的功率方向相反，当2个极功率大小相近时，高压直流系统的总传输功率很小，甚至可以使某一端换流站的总交换功率为0，而另一端换流站的双极总功率全部用于线路融冰损耗。该预防性融冰方案如图2所示。
图2 背靠背直流融冰方式
四、直流融冰的关键技术与方案设计
虽然直流融冰技术在维护输电线路安全上有一定的便捷性与优势,但仍然不够完善,在很多技术方面仍需研究。下面就直流供电电源和直流装置容量选择做简单分析。
1、直流供电
对于直流融冰来说,直流供电电源是一个至关重要的部分。用于直流融冰的电源要求稳定并且容易控制。根据直流融冰原理就可以知道,在融冰过程中输电线要求通过极大的电流,这将极大超过单整流装置的极限,因此一般采用并联方式确保电源装置安全。
2、直流装置容量的选择
对于直流装置容量的选择必须综合考虑多方面的影响因素。通过通电电流与融冰时间的比较研究,寻找出最佳的直流装置容量,以此确保直流融冰装置的正常有效运行。
五、除冰技术发展趋势
伴随科技的进步,未来的输电线路除冰技术将表现出以下趋势：
1、除冰技术智能化
通过高科技手段和物联网技术与电网输电系统的结合,使将来的除冰工作更加智能化。比如开发除冰机器人,机器人可实现对某些高危地区线路的除冰工作,而且不会受恶劣气候的影响。
2、除冰理念发生转变
以前人们考虑的重点是如何除去输电线路上的覆冰,但是伴随科技的不断进步,我们开始尝试采取“防冰+除冰”的新方式。通过输电线路结构的改进,减小线路结冰的可能性。
3、更加安全的除冰技术
将来的除冰方式将向更加安全的方式发展,各种除冰机械将取代人力,保证电力工作者的安全,避免塔倒人亡的悲剧再次上演。
六、结束语
综上，本文提出：高压交流输电线路完全可以利用原有变电站交流电源作为融冰电源，对线路进行直流融冰。通过加入换流变压器、整流器,还可以实现高压交流输电线路的快速直流融冰。双极并联融冰方式,能够提供很高的融冰电流,该种方式能够很快实现直流线路融冰。同时融冰时,并不需要加入新的无功补偿装置和滤波装置,原有的无功补偿装置和滤波装置已经能够完全满足需要。由于工作量的限制,本文并没有对直流融冰的控制保护系统进行分析,由于系统结构发生了改变,因此控制保护系统也需要进行相应的改变,尤其是双极并联融冰系统的单极换流器出口故障和直流线路出口故障的动作情况。
参考文献
[1] 中国南方电网公司.电网防冰融冰技术及应用[M].北京:中国电力出版社.2010.
[2] 李澎森.左文霞.石延辉.直流融冰技术探讨[J].电力设备.2008 (6):20-23.
【关键词】直流融冰；交流融冰；直流输电线路；交流输电线路；融冰方式
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近年来,随着极端天气的增加,电网融冰已经越来越受到各国的重视。由于短路融冰法由于其自身的缺陷，而直流融冰基本上对一任何电压等级都可以进行融冰，因此直流融冰时，只需要给整流装置提供无功功率，融冰电源的容量将大大降低，这种方法适用于所有电压等级的线路融冰，具有普遍的适用性。
二、输电线路结冰的不良影响
电力系统的稳定关乎国民经济和社会发展,输电线路结冰一直威胁着电力系统的安全与稳定,因此研究发展理念先进、高效低耗、安全性高的除冰方式仍将是今后除冰技术发展研究的重点方向。严重的结冰不仅会极大影响输电线路的性能,同时还可能造成严重灾害。不良影响主要有以下四種：
1、过负载
当导线结冰超过设计所能承受的最大抗冰厚度时,由于导线质量增加,受风面积增大都会引起电路过载。
2、结冰导线舞动
当导线发生非对称结冰时,线路会因为所受风力大小的不同而发生舞动,若舞动持续时间长、幅度大就会对电路造成损坏。轻则引起导线、金具、杆塔和相关部件的损坏,重则可能导致停电跳闸甚至输电线路断裂和杆塔倾覆。
3、绝缘子冰闪
绝缘子在大量覆冰的情况下会导致绝缘强度降低,泄露距离缩短。同时融冰过程当中,一些电解质杂质会伴随溶解,使得融冰水的导电性能提升,引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变,从而降低了覆冰绝缘子串的闪络电压。融冰时期通常伴有的大雾,使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水的导电率,形成冰闪。
4、不均匀结冰或不同时期脱冰
输电线不均匀结冰或不同时期脱冰会在两段线路之间产生张力差,减弱杆塔承受张力的能力,悬垂绝缘子偏移很大,碰撞横担,造成绝缘子损坏或破裂；也有可能是横担转动,导致导线与拉线的碰撞,烧伤或烧毁拉线,导致杆塔在失去拉线后失去支撑而倒塌。同时,不同时期脱冰还会使横担折断或者向上翘起,地线支架被破坏。
三、直流输电线路融冰方法分析
直流输电线路由于主要应用于远距离输电,沿途会经过不同的环境条件,难免会途经环境条件恶劣的地方,线路出现覆冰。直流输电线路,特别是国内在建的特高压直流输电线路,在进行直流融冰时,可以考虑利用直流输电线路已有的换流装置输出融冰电流进行线路融冰。
1、换流站融冰分析
直流换流站融冰最重要的还是直线输电线路融冰电流的求取，以确定线路的额定电流或者长期过载电流能否满足线路融冰的要求。以下结合实际工程参数并考虑到环境温度、风速、覆冰情况,给出了高压直流输电工程直流线路和融冰参数,然后根据融冰参数进行分析,其融冰参数见表1。
表1高压直流输电工程直流线路和融冰参数
2、直流输电线路双极并联融冰方式
如果大量覆冰形成并威胁到杆塔，就需要在很短时间内融化覆冰，或者线路的最大负载电流己经达不到保线电流要求。此时，为了达到融冰电流的要求，必须采取紧急融冰方案，提供很大的线路电流，迅速融化已形成的覆冰。要获得很大的电流，可以用双极并联的形式来获取所需要的融冰电流，而换流器的电流并没有发生变化。鉴于直流输电的换流器电流具有很好的可控性，因此此种融冰方式具有很好的可控性，直接通过改变电流指令就可以达到所需要的融冰电流。但是该融冰方式需要改变线路的拓扑结构，因此需要增加引线和开关和电流互感器和电压互感器。需要注意的是，此时系统，只能一极的中性点接地，提供所需要的电压参考。正常情况下，当线路上流的电流为额定电流2倍时，此时，系统输送的功率和双极系统正常运行下输送的功率相同。其方案拓扑结果如图1所示。
图1 双极并联直流融冰方式
换流站融冰具有很灵活的运行方式,对于线路过载电流小于融冰电流的直流输电工程必须采用双极并联直流融冰方案,而对于线路过载电流大于保线电流可以采用背靠背直流融冰方案,也可采用双极并联直流融冰方案。正常情况下应该首先考虑背靠背直流融冰方案,因为此时对线路的结构控制系统不需要更改,减少了误操作的可能性,同时需要指出的是双极背靠背融冰方案能够根据负荷要求灵活选取。
3、直流输电线路背靠背融冰方式
在冬季,对于有些换流站,虽然有些线路的长期过负载电流达不到线路的融冰电流的要求,但可以达到线路抗冰要求,因此可以充分结合冬季的负荷特点。
高负荷时，高压直流系统负荷较大,线路电流接近或达到额定直流电流,此时线路发热量基本可以预防覆冰的形成。即使环境温度很低或己有少量覆冰形成,由于一般的直流输电系统都有10%的过负荷能力,可以充分的利用系统短时过负荷能力，达到预防覆冰形成的目的。
低负荷时，枯小时段，受整流端系统功率不足的限制，直流线路电流将远小于额定电流，此时如遇到低温雨雪天气，易产生覆冰灾害。针对这种情况，预防性融冰方案需要同时实现2个目标：高压直流系统的总输送功率应较小；直流线路电流应尽可能大，至少达到额定值左右。令高压直流工程的2个极功率方向相反，一极正向传输功率，另一极反向传输功率，可同时实现上述2个目标。采用这种方案，单个极传输的功率可以很大，用于产生额定的直流电流；而由于2个极的功率方向相反，当2个极功率大小相近时，高压直流系统的总传输功率很小，甚至可以使某一端换流站的总交换功率为0，而另一端换流站的双极总功率全部用于线路融冰损耗。该预防性融冰方案如图2所示。
图2 背靠背直流融冰方式
四、直流融冰的关键技术与方案设计
虽然直流融冰技术在维护输电线路安全上有一定的便捷性与优势,但仍然不够完善,在很多技术方面仍需研究。下面就直流供电电源和直流装置容量选择做简单分析。
1、直流供电
对于直流融冰来说,直流供电电源是一个至关重要的部分。用于直流融冰的电源要求稳定并且容易控制。根据直流融冰原理就可以知道,在融冰过程中输电线要求通过极大的电流,这将极大超过单整流装置的极限,因此一般采用并联方式确保电源装置安全。
2、直流装置容量的选择
对于直流装置容量的选择必须综合考虑多方面的影响因素。通过通电电流与融冰时间的比较研究,寻找出最佳的直流装置容量,以此确保直流融冰装置的正常有效运行。
五、除冰技术发展趋势
伴随科技的进步,未来的输电线路除冰技术将表现出以下趋势：
1、除冰技术智能化
通过高科技手段和物联网技术与电网输电系统的结合,使将来的除冰工作更加智能化。比如开发除冰机器人,机器人可实现对某些高危地区线路的除冰工作,而且不会受恶劣气候的影响。
2、除冰理念发生转变
以前人们考虑的重点是如何除去输电线路上的覆冰,但是伴随科技的不断进步,我们开始尝试采取“防冰+除冰”的新方式。通过输电线路结构的改进,减小线路结冰的可能性。
3、更加安全的除冰技术
将来的除冰方式将向更加安全的方式发展,各种除冰机械将取代人力,保证电力工作者的安全,避免塔倒人亡的悲剧再次上演。
六、结束语
综上，本文提出：高压交流输电线路完全可以利用原有变电站交流电源作为融冰电源，对线路进行直流融冰。通过加入换流变压器、整流器,还可以实现高压交流输电线路的快速直流融冰。双极并联融冰方式,能够提供很高的融冰电流,该种方式能够很快实现直流线路融冰。同时融冰时,并不需要加入新的无功补偿装置和滤波装置,原有的无功补偿装置和滤波装置已经能够完全满足需要。由于工作量的限制,本文并没有对直流融冰的控制保护系统进行分析,由于系统结构发生了改变,因此控制保护系统也需要进行相应的改变,尤其是双极并联融冰系统的单极换流器出口故障和直流线路出口故障的动作情况。
参考文献
[1] 中国南方电网公司.电网防冰融冰技术及应用[M].北京:中国电力出版社.2010.
[2] 李澎森.左文霞.石延辉.直流融冰技术探讨[J].电力设备.2008 (6):20-23.