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1、直流方式的融冰技术直流方式的融冰技术姚致清姚致清目目 录录 第一部分：常规第一部分：常规第一部分：常规第一部分：常规融冰方法概览融冰方法概览融冰方法概览融冰方法概览 第二部分：交流线路的第二部分：交流线路的第二部分：交流线路的第二部分：交流线路的直流融冰技术直流融冰技术直流融冰技术直流融冰技术 第三部分：直流输电双极异向传输的融冰技术第三部分：直流输电双极异向传输的融冰技术第三部分：直流输电双极异向传输的融冰技术第三部分：直流输电双极异向传输的融冰技术背景背景08年冰灾影响年冰灾影响2008年1月份我国南方大规模的雨雪冰冻灾害，造成输电线路和杆塔大面积覆冰，部分地区电网输变电设施受损，相关电厂
2、发电机组也因之跳闸停机。华中及华东地区在08年1月26日之前因冰灾发生500kV线路跳闸129条次、倒塔34基；220kV线路跳闸159条次、倒塔11基。三广直流输电线路湖南段倒塔9基；宜华直流安徽大别山段倒塔6基铁塔南方电网08年1月25日前已累计停运10kV及以上线路2314条，累计停运变电站234个背景背景研究融冰技术的意义研究融冰技术的意义 交、直流输电线路在冬季覆冰是电力系统的重大自然灾害之一。因覆冰引起的供电中断，甚至电网解列等事故后果通常极为严重，修复工作难度大、周期长。 融冰方法概述融冰方法概述架空电力线路防冰除冰的重点是导线。融冰方法有30余种，大致可分为三大类：p机械除冰法
3、p自然除冰法p热力融冰法主要有电磁脉冲除冰、人工除冰、复合导线融冰、防覆冰导线、化学涂料防冰、可控硅整流融冰和短路融冰等等。融冰方法融冰方法机械除冰法机械除冰法1 机械除冰法主要利用输电线路导线的力学效应破坏覆冰的力学平衡使其脱落。以电磁脉冲除冰、滑动铲刮除冰和人工除冰为主。n电磁脉冲除冰电磁脉冲除冰是利用电容器冲击放电和电流通过线圈产生脉冲磁场,从而在导线中产生涡流,涡流的磁场与线圈磁场产生斥力使导线产生扩张,脉冲消失后导线收缩到原状态,反复的扩张和收缩使导线表面的覆冰胀裂掉落。n滑动铲刮除冰法滑动铲刮除冰法是将电容器的冲击放电电流通过线圈产生的脉冲磁场转换为执行机构的脉冲力,通过执行机构将
4、导线表面的覆冰击裂掉落。n人工除冰法人工除冰法，需要大量人力，一般仅适用于作业环境好、一百公里左右的输电线路覆冰的除冰。 融冰方法融冰方法机械除冰法机械除冰法2 电磁力除冰法电磁力除冰法：由加拿大魁北克水电公司提出的，其原理是在线路：由加拿大魁北克水电公司提出的，其原理是在线路额定电压下短路，短路电流产生的电磁力使导线相互撞击，使覆冰脱落。额定电压下短路，短路电流产生的电磁力使导线相互撞击，使覆冰脱落。这种方法的应用会给系统带来稳定性问题，线路压降也比较大。这种方法的应用会给系统带来稳定性问题，线路压降也比较大。 不推荐使用！不推荐使用！ 融冰方法融冰方法自然除冰法自然除冰法1自然除冰法不能阻
5、止冰的形成，但有助于限制冰灾。例如平衡锤技术可防止导线旋转；在给定过负载条件下允许导线升降技术可减小倒杆塔的几率或防止倒杆塔事故发生，并有助于确保冰灾事故后线路迅速恢复送电。可在导线上安装阻雪环，平衡锤使导线上的覆冰堆积到一定程度时，依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生的导线跳跃的线路事故，不能保证可靠除冰，具有一定的偶然性。 融冰方法融冰方法自然除冰法自然除冰法2 利用憎水性和憎冰性涂料防冰是通过减少水和冰与导线的附着力来防止结冰，与其他方法相比在工程上简单易行，成本较低，是防止覆冰具有潜力的可行途径。 现有的氟塑料、硅橡胶等憎水涂
6、料有较好的防水性能，在绝缘子表面涂覆半导体RTV 涂层，可减缓冰的形成和减少覆冰量。但现有的防冰涂料并不能从根本上防止冰的形成，而只有在足够的辐射下才能生效,在气温低，水雾呈过冷却的情况下，防冰效果较差。热力融冰法的基本原理是在线路上通过高于正常电流密度的传输电流以获得焦耳热进行融冰。前期研究主要包括：1976 年以来中国和1993 年以来加拿大水电局采用的短路电流融冰1982年有专家提出采用高电流密度融冰; 19871990 年日本研制的电阻性铁磁线。 常见的几种热力除冰法：1、过电流防冰融冰法：调度通过改变潮流分布增大线路的负荷电流而使得导线发热达到防冰融冰目的。这种方法对截面较小的110
7、kV及以下线路可行，对更高电压等级线路由于截面大，并受系统容量和运行方式限制，无明显作用。融冰方法融冰方法热力融冰法热力融冰法12、带负荷融冰的方法ONDI(on-load network de-icer)最早在1990 年提出，并在此后得到了发展。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，通过增加其中一回线的电流来增加线路发热，达到融冰的目的，其原理如右图所示。融冰方法融冰方法热力融冰法热力融冰法23、高频激励融冰法（8200 kHz ），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。当将冰作为有损耗电介质时，
8、覆冰输电线路的等值电路如图所示：融冰方法融冰方法热力融冰法热力融冰法3 对于多分裂导线，也可以通过把线路电流集中在某一分裂导线上，增大发热量而融冰，通过各分裂导线间的切换，使线路覆冰完全融化。 这些方法均需要对线路进行大范围改造，造价昂贵，很难大范围应用。4、复合导线融冰法：将架空电力线路导线做成一种可变换载流截面的复合导线,上面装设自动控制的复合开关装置,当导线上的覆冰厚度达整定值时,复合开关自动将复合导线的内层导线回路断开,使其退出载流运行,仅保留外层导线载流,增大载流导线的电阻(电流密度) ,从而增大导线的发热量,达到融冰的目的。融冰完成后,复合开关自动将内层导线回路接通,恢复全截面载流
9、运行。融冰方法融冰方法热力融冰法热力融冰法45、交流短路电流融冰法：人为将融冰线路的一端两相或三相短路，而在另一端提供融冰交流电源，以较大短路电流(控制在导线最大允许电流范围之内)来加热导线，将附着的冰融化。 这种方法在国内外都达到了实用化的阶段，1993 年加拿大Manitoba 水电局开始采用的短路电流融冰，俄罗斯巴什基尔电网以及我国湖南电网也大量应用了短路融冰技术。融冰方法融冰方法热力融冰法热力融冰法5小小 结结国内外专家通过多年的深入研究一致认为：国内外专家通过多年的深入研究一致认为：p对于发生在大范围的输电线路覆冰问题，导线的对于发生在大范围的输电线路覆冰问题，导线的热力融热力融 冰
10、方法冰方法是最有效的方法。是最有效的方法。p对于出现在局部范围内的输电线路覆冰问题，导线的对于出现在局部范围内的输电线路覆冰问题，导线的机械机械 除冰方法除冰方法也可做为一种辅助措施。也可做为一种辅助措施。直流融冰原理直流融冰原理 直流融冰技术的原理就是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。 可采用发电机电源整流和采用系统电源的可控硅整流两种方案。 前者虽可减少投资但却受发电机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求。 因此采用系统电源的可控硅整流融冰是热力融冰法中的热点，其适用性更强，可根据不同情况调节直流融冰电压，使之满足不同应用环境的需要，是
11、现有融冰方法中最理想的一种。 直流融冰：理论计算直流融冰：理论计算 1 使用大电流融冰时，为确保不使导线过热损坏线路，需要对融冰电 流的大小和融冰时间进行计算。导线不覆冰时流过的最小电流称为防止导线覆冰的临界电流 Ic，其计算公式为： 式中：D 为导线直径； 为导线电阻率；ts为导线表面温度； h 为对流换热系数； (Sigma)为Stefan-Boltcomann 常数； (Epsilon)为导线黑度，新导线取值为，旧导线取值为； E 为导线对空气中过冷却水滴的捕获系数；V 、W 和t 分别为湿空气或过冷却水滴的移动均匀速度、含湿量和温度； Cw为水的比定压热容； WE在导线表面蒸发的液体份
12、额； Lv为水的汽化潜热。 上式表明， IC 与气温、对流换热系数、风速、含湿量以及导线本身的特性(直径、电阻率、黑度)有关。通过合理选择这些参数就可确定IC。 直流融冰：理论计算直流融冰：理论计算 2 融冰所需时间的计算公式为： 式中： Ci 为冰的比热； Ta 为气温； i为冰的密度；R0为覆冰后导线平均半径； Ri为不覆冰时导线半径； I 为融冰电流； Re为单位长导线在零度时的电阻(1)(1)直流融冰的热平衡包含两个过程：一是直流融冰的热平衡包含两个过程：一是导线冰导线冰交界面的热平衡；二是交界面的热平衡；二是冰空气冰空气交界面的热平衡。达到稳定状态后，导线产生的焦耳热与融冰交界面的热
13、平衡。达到稳定状态后，导线产生的焦耳热与融冰吸收的热及冰表面因辐射散热和对流传热损失的热相等。吸收的热及冰表面因辐射散热和对流传热损失的热相等。(2) (2) 当环境温度低于当环境温度低于00时，存在临界融冰电流，当电流小于临界电流时，时，存在临界融冰电流，当电流小于临界电流时，不会发生融冰现象。不会发生融冰现象。(3) (3) 环境温度对临界融冰电流和融冰时间有非常显著的影响。环境温度越低，环境温度对临界融冰电流和融冰时间有非常显著的影响。环境温度越低，临界融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰需要的时间越长。临界融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰需要的时间越长。(4) (4) 风速对临界融冰电
14、流和融冰时间也有非常明显的影响。风速越大，临界风速对临界融冰电流和融冰时间也有非常明显的影响。风速越大，临界融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰所需要的时间也越长。融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰所需要的时间也越长。影响直流融冰的主要因素：影响直流融冰的主要因素：表表3 3 覆冰导线的直流融冰时间覆冰导线的直流融冰时间 ( (环境温度环境温度TeTe-5, -5, 导线覆冰厚度导线覆冰厚度Di=10mm,Di=10mm,风速风速va=5m/s)va=5m/s)理论计算融冰时间和试验融冰时间对比理论计算融冰时间和试验融冰时间对比导线型号型号电流流/A/A直流融冰直流融冰时间/h/h理理论计算算试
15、验LGJ-70LGJ-70175175不能融不能融融冰融冰4h4h无任何无任何现象象LGJ-70LGJ-702802802.162.162.5h2.5h冰从冰从导线上脱落上脱落LGJ-240LGJ-240430430不能融不能融融冰融冰4h4h，无融冰，无融冰现象象LGJ-240LGJ-2406006002.242.24融冰融冰2.5h2.5h后，冰脱落后，冰脱落LGJ-400LGJ-4008008003.033.03融冰融冰3h3h后，有掉冰后，有掉冰现象象LGJ-400LGJ-400100010001.291.29融冰融冰1.5h1.5h后，冰脱落后，冰脱落LGJ-720LGJ-72013
16、0013002.102.10融冰融冰2h2h左右有掉冰左右有掉冰现象象 500 kV线路多采用大截面及多分裂导线，需要的融冰电流很大，4300 型号最小融冰电流约2 500 A，4400 型号约为3 000 A。直流融冰方法直流融冰方法500kV线路融冰线路融冰 直流融冰：理论计算直流融冰：理论计算 3 各种常用的输电线路类型最小融冰电流和融冰所需电源容量计算表： 交流输电线路的可控硅整流融冰装置交流输电线路的可控硅整流融冰装置1 基于可控硅整流融冰技术研究并设计开发了两种融冰模式： 固定式：适用交流35 kV，供电容量为60 MW的大容量固定式直流融冰装置（ 用于500 kV 交流输电线路融
17、冰）；移动式：适用交流10 kV，供电容量为25 MW的站间移动式直流融冰装置（用于220 kV 电压等级以下的输电线路融冰）。交流输电线路的可控硅整流融冰装置交流输电线路的可控硅整流融冰装置2 大容量固定式直流融冰系统的设备主要包括变压器、交流滤波器、换流阀、刀闸、导线及控制保护设备等，投资较大，而融冰装置工作时间很短，单一用于融冰，将导致设备资源的闲置浪费。一般设计建设时就要考虑其作为静止式动态无功补偿装置的可行性，在平时抑制暂态过电压、改善电能质量。 站间移动式直流融冰系统采用集装箱方式安装，结构紧凑，可方便在各个变电站移动，通过倒换接线的方式对目标线路进行融冰。但平时装置长时间不运行，
18、设备利用率不高，在融冰时需要重新校核装置的运行状态。 直流输电系统通常应用于远距离、大容量输电。常规直流输电系统额定输送电流3000安培。当处于大电流运行时，电流在导线上产生的热量可以缓解线路覆冰，达到一定融冰效果。但冰雪灾害易发时期多是水电枯水季，输电系统难以安排足够功率使直流输电系统运行大电流工况，因此线路输送电力相对减少，线损和发热相应减少，一旦遭遇超设计标准的冰冻灾害，容易发生覆冰倒塔。 因此研究直流输电线路的融冰对策，提出切实可行的方法对于保证直流输电工程及交流电网的安全、可靠运行都具有重要的意义。直流输电线路的融冰技术直流输电线路的融冰技术直流输电线路的融冰技术直流输电线路的融冰技
19、术南方电网的几条直流线路和接地极引线保线融冰电流及融冰所需电源容量计算表： 常规直流输电工程，可用的融冰方法主要有3 种。即： 1、直接使用直流输电工程的正常运行方式融冰。 2、更改主接线。将构成双极的两组换流器改造成相并联的换流系统。 3、双极运行时，一极功率正送运行，另一极功率反送运行。直流输电线路的融冰策略直流输电线路的融冰策略 可采用双极平衡大电流运行或者单极金属回线大电流运行进行线路融冰。n优点：1、系统主接线不需要做任何改动； 2、控制保护的软件也不需要改动； 3、调度、运行人员对整个操作过程非常熟悉。n缺点：1、冬季结冰时送端常处于枯水时段，较小的输送功率有可能使线路电流起不到融
20、冰效果。直流输电正常运行方式融冰直流输电正常运行方式融冰将构成双极的两组换流器通过相应的刀闸、引线改造成相并联的换流系统。特点：1、可以提高直流线路融冰电流一倍，输送相同功率时 2、要求改变主接线，增加额外的设备投资；更改主接线方式的融冰更改主接线方式的融冰双极功率异向传输方式融冰双极功率异向传输方式融冰功率异向传输融冰需研究和解决的问题功率异向传输融冰需研究和解决的问题n双极功率异向传输大电流运行时，某一极故障跳闸后，健全极大功率传输对两端交流系统的冲击问题，提出切实可行的双极联动跳闸逻辑。n直流保护系统的线路故障重启、降电流以及平衡双极等非跳闸逻辑，可能会导致双极传输的功率相差太大，对交流
21、系统的冲击问题。n双极线路同极性运行，若双极线路间特别是线路中点发生短路故障，电压差较小，各电气量变化不大，如何处理的问题。n送端交流弱系统，对无功功率控制的特殊要求问题。 双极功率异向传输融冰的双极功率异向传输融冰的EMTDCEMTDC模型模型n仿真系统框图如下所示，主要包括交流等效系统、换流阀、直流线路和交流滤波器等一次系统，以及完整的极控、站控和保护程序等二次系统。双极功率异向传输融冰的双极功率异向传输融冰的EMTDCEMTDC仿真仿真n电流控制方式下，标准电压运行模式，一极功率正送，一极功率反送，A站B站极1直流电压、电流录波图如下所示，此方式下融冰功率由两站均摊。双极功率异向传输融冰
22、的双极功率异向传输融冰的EMTDCEMTDC仿真仿真n直流系统在12s时极1发生线路中点接地故障，保护启动极1闭锁，接着极2检测到极1闭锁也闭锁本极，A站极1与极2电压电流录波如下图所示：。双极功率异向传输融冰的双极功率异向传输融冰的EMTDCEMTDC仿真成果仿真成果n通过仿真研究双极功率异向传输融冰的特殊运行方式对两侧交流系统的影响，整理了双极功率异向传输融冰的可行性研究报告。n通过仿真研究提出了控制保护软件修改的初步方案，设计了详细的程序框图，为RTDS试验和现场实施提供了参考文档。n通过仿真研究了融冰运行方式下的单极直流系统故障跳闸对交流系统的冲击特别是对交流线路保护的影响，研究结果表
23、明并不会带来保护的误动。n通过仿真研究对无功功率控制策略及方法提出了改进建议。 高肇直流融冰项目高肇直流融冰项目RTDSRTDS仿真概况仿真概况 高肇直流工程起点贵州高坡换流站，终点广东肇庆站，额定电压500kV，额定电流3000A，双极输送功率3000MW，线路全长900千米，是南方电网的一条远距离、大功率、超高压直流输电工程。直流线路距离长而且线路走廊经过地区地理及气候复杂，属于线路易结冰区域。对其控制保护系统实施融冰运行方式的改造，具有重要意义。 从2010年1月4日开始进行了近20天的软件修改和RTDS仿真试验。 完成了仿真试验共7大项，158小项。 其中软件修改涉及了极控、站控、保护
24、、HMI等四部分。 参加试验单位：南网研究中心仿真室、超高压公司广州局、贵阳局、南网检修试验中心、许继电气。高肇直流融冰项目高肇直流融冰项目RTDSRTDS仿真系统结构仿真系统结构 借助实时数字仿真器(real time digital simulator，RTDS)与直流控制保护仿真试验系统仿真高肇直流工程融冰运行方式下的功能性能试验。 RTDS 仿真一次设备，包括高坡站、肇庆站的等值电源、交流滤波器、换流阀、平波电抗器、直流滤波器，直流线路等，其参数与实际系统一致。直流控制保护系统采用实际控制保护系统的仿真设备，共5 面标准屏柜。该控制保护仿真系统与实际控制保护系统具有相同的硬件结构、软件
25、配置等，但简化了I/O 接口、冗余系统，整个仿真系统结构如下图所示。交直流电流电压开关位置状态开关投切命令触发脉冲高肇直流融冰项目高肇直流融冰项目RTDSRTDS仿真仿真 极1功率反送，极2功率正送。单极传输的功率很大近1500MW以得到额定的直流电流，但是直流系统的总传输功率很小，甚至可以通过调整电压参考值使某一端换流站总交换功率为0，而另一端的功率全部用于线路融冰损耗。 高肇直流融冰项目双极联动跳闸高肇直流融冰项目双极联动跳闸RTDSRTDS仿真仿真 直流系统融冰模式运行时，一旦故障造成一极停运，直流系统会转入单极大地回线运行，系统将会出现大功率传输的运行工况，给两侧交流系统造成冲击。为避
26、免这种情况，在控制系统中为这种融冰方案配置了特殊的保护功能，判断对极故障停运时，立即将本极的电流阶跃到最小值并闭锁。通过模拟某一极的各种故障跳闸，均可保证在100ms内停运另一极。 极1阀短路故障跳闸后，55ms左右极2电流阶跃至最小值并闭锁，波形如右图所示。高肇直流融冰项目的实施要点高肇直流融冰项目的实施要点n保护的所有动作结果均调整为跳闸出口，且一极跳闸后另一极也要立即将电流阶跃至最小值后闭锁。n易发覆冰的冬季，送端常处于枯水时段，系统较弱，融冰运行模式下最好将无功控制方式由功率模式转换为电压模式，以稳定送端电压。n高压直流控制系统的双极功率控制模式不支持两极功率方向相反的传输模式，因此每
27、一极均需要切换到电流控制模式去。 n双极以最小电流解锁成功后，最好以相同的速率上升至融冰保线电流，以保证在电流上升的过程中接地极电流最小，并防止送端提供较大的功率。n由于直流输电系统负极性运行时对周围无线电的干扰较小，并且云层多带负电荷，负极性运行的极受雷电击中的概率更小，因此建议最好选择极1功率反送极2功率正送的融冰方式，以保证双极均为负电压运行。 高肇直流融冰项目的现场实施概况高肇直流融冰项目的现场实施概况 2010年2月11日12日在高肇直流停电检修期间成功完成融冰运行方式的改造及试验，在500千伏高肇直流系统先后进行了融冰方式启动、模拟单极故障停运、全压运行下电流升至额定3000安培运
28、行、一极降压一极全压不对称运行、双极降压运行等试验，各项性能指标正常。试验结果表明，高肇直流输电系统可以安全应用新融冰方式，电源侧仅需提供9万11万千瓦的融冰功率，即可实现原先需要满功率运行才能达到的效果。直流线路测温结果表明，额定电流运行可以有效提高线路温升，在环境温度1015摄氏度的情况下，导线平均温升为46摄氏度。高肇直流融冰项目的现场实施高肇直流融冰项目的现场实施500千伏高肇直流双极以最小电流解锁，极1功率反送，极2功率正送的系统图。高肇直流融冰项目的现场实施高肇直流融冰项目的现场实施 在500千伏高肇直流高坡站模拟极2故障跳闸，极1联动闭锁的系统图。高肇直流融冰项目的现场实施高肇直
29、流融冰项目的现场实施 在500千伏高肇直流高坡站模拟极2故障跳闸，极1联动闭锁的故障录波图。 总总 结结n通过对常用的机械除冰法、自然除冰法和热力融冰法的分析总结，可知在目前的技术水平下，热力融冰法是最为成熟、经济的方法。n通过对热力融冰法的研究分析，运用覆冰临界电流理论得出针对交流线路融冰的固定式和移动式可控硅直流融冰装置的设计依据，并提出了针对直流输电系统的融冰保线技术方案。n利用直流输电系统可灵活控制功率方向及潮流的特点，实现常规500千伏直流输电系统的融冰方式运行。双极功率异向传输的融冰方式已顺利完成了理论研究、仿真试验和现场试验，在不增加、不改动任何一次设备的情况下，适当修改实际直流输电系统控制保护软件，创新运行方式，并在高肇直流输电工程中得到成功应用。n此研究成果可应用于已投运的各超高压直流输电系统，对今后的超高压直流输电控制保护软件的设计也具有重要借鉴意义，目前，正在调试的宁东和三沪两条直流输电工程的控制保护系统中也都采用了这种双极功率异向传输的融冰运行方式。谢谢各位专家领导！THE END
