输电线路的电流融冰方法综述

输电线路的电流融冰方法综述

0热力融冰方法中国是严重的输冰国家之一。线路覆冰不仅严重影响了输电线路正常运行,更对国民生产和人民生活造成重大损失。线路覆冰的危害主要表现在倒塔断线、绝缘子闪络、导线舞动、跳闸等方面,严重时甚至可能导致电网瘫痪热力融冰则具有融冰时间短、操作简单、易于实施等明显优势。热力融冰是将电能转换为热能的融冰技术,通常是通过增大导线中的电流使导线发热,或者在导线中流过相同电流的情况下,提高电流的发热效率来使导线产生足够的热量,达到融冰目的。文献[6]提出的集肤电流融冰法和文献[7]提出的可变换载流截面的导线均属于提高电流发热效率方式,这两种方法需要全新结构的导线或改变电流的频率,在实际工程中适用性不高。本文重点介绍增大导线中电流的电流融冰方法。电流融冰方法可分为交流电流融冰和直流电流融冰。1融冰时间理论基础保线电流、最小融冰电流、最大允许融冰电流和融冰时间是线路防覆冰和融冰的理论基础。输电线路覆冰、融冰是一个复杂的物理过程,受诸多因素影响,目前还没有建立准确有效的数学模型。1.1覆冰电流过大时保线电流是在一定气象条件下,使导线介于覆冰和不覆冰之间的临界状态的电流,当导线中电流大于保线电流时,产生的热量将使导线不会覆冰式中:R为导线半径;1.2融冰电流的概念最小融冰电流是指在一定的气象条件下,能使导线上覆冰融化的最小电流,也叫临界融冰电流。导线覆冰时,若线路中电流小于最小融冰电流,则无论多长时间导线上的冰都不能融化。文献[10]提出直流短路融冰的临界电流公式为式中:t1.3最高允许温度工况最大允许融冰电流是指在融冰状态下,导线达到最高允许温度(70°C)时所通过的电流。可以通过导线在最高允许温度下长期运行的电流乘以环境温度修正系数。最大允许融冰电流式中:I1.4融冰时间的确定在融冰电流大小确定的情况下,可根据热平衡关系推导出融冰时间式中:t为融冰需要时间;融冰时根据最大融冰电流和最小融冰电流确定适当的融冰电流,再根据式(4)估算出融冰时间。实际融冰操作中,常常从实验结果或根据经验确定融冰电流的大小2交流电流转化方法目前电网中交流线路占绝大多数,用交流电流进行融冰可以方便地从系统中取得电源。交流融冰方法可分为短路融冰和带负荷融冰两类2.1基于零起升流的融冰创新方法短路融冰是在线路上设置短路点,形成短路故障,并将短路电流控制在最大允许融冰电流范围内,使导线发热融冰。这种方法在国内外都有较多的使用短路融冰的关键是选择合适的电源。融冰电源的选择需考虑覆冰线路的长度、截面大小和覆冰情况等方面因素。通常用低电压等级系统作为电源对高电压等级的线路进行融冰,以较低的电压提供较大的电流全电压冲击合闸是先将融冰线路的一端短路,另一端以系统作为融冰电源,控制断路器对三相短路线路进行全电压冲击合闸。对于高电压等级的线路融冰,在无功备用不足的情况下,冲击合闸方式可能会引起系统不稳定。因此,采用冲击合闸方式需要满足短路电流不能超过融冰回路中所串线路的最大允许电流,系统中无功备用要充足等条件。冲击合闸不可多次操作,否则会增加断路器等一次设备的损坏风险。发电机零起升流是指将线路末端短路,在融冰线路与发电机、变压器组成单独电气回路的状态下,通过缓慢增加发电机励磁电流逐步使线路电流增至一定数值,从而令线路发热融冰。实施零起升流融冰的关键在于发电机是否具备零起升流的能力和能否提供输电线路融冰所需要的电流的能力。零起升流融冰法单独形成子系统,不用考虑对系统的影响。一般情况下,这种方法只适合于融冰电流较小的输电线路,且要求发电机容量较大短路融冰相对于那些抗冰能力弱,难以进行技术改造的线路而言,是一种有效的融冰措施,尤其对于覆冰速度缓慢的线路效果更好,但耗电量非常大。短路电流融冰仅对220kV及以下电压等级线路可行。对500kV以上高电压等级线路进行短路电流融冰时,需要的无功功率非常大,往往难以提供足够大的电源,所以高电压等级线路采用短路融冰方案是不可行的2.2线路回流融冰带负荷融冰方法是指在不停运线路的情况下,通过改变线路上运行的潮流,增大覆冰线路上流过的电流,以达到线路融冰的方法。覆冰期通常是负荷高峰期,同时也是枯水期,不停运线路的带负荷融冰的优势是明显的。国内外提出的带负荷融冰方法较多,主要有基于调度的调整潮流法、基于增加无功电流的融冰法、基于移相器的带负荷法。2.2.1融冰策略及潮流融冰在不增加专用融冰设备的情况下,仅通过对电网的合理调度,在需要融冰的线路传送更多的功率,以增大线路焦耳发热,达到融冰目的。1998年美加冰灾后,魁北克水电研究中心设计了一套针对120~315kV的融冰策略,用仿真软件模拟线路覆冰情况,调整线路电流仿真融冰效果。该系统能够测试不同网络结构下线路的融冰情况,挑选出最优的线路融冰顺序,降低网络覆冰,通过最优控制达到覆冰最小化的效果。该融冰策略能够在实际操作中,指导操作人员进行有效调度,是潮流融冰的辅助决策系统,并能为具体实施融冰的方案提供准备可以通过以下方式调整电网潮流:停运并列线路;增加送端开机容量,减少受端开机容量;降低电压水平,增加无功传输;转移负荷等。除停运线路外,其他方式对改变环网潮流作用非常有限。网状结构的电网有较强的支援能力,有时需要停运两条甚至更多线路才能对线路潮流产生较大影响。辐射型电网则不能通过调度来改变潮流融冰。220kV输电线路,目前仍是我国省级骨干电网的重要组成部分,存在较强的联系,可以通过调整潮流的方式进行融冰。110kV及以下线路多为馈线网络,由于负荷自然分布的特点,因此潮流调整手段常常有限。一般情况下通过调度转移潮流存在诸多不便,对系统稳定影响大,操作人员难以掌握。目前,随着FACTS设备在电力系统中的大量运用,电网在潮流控制方面将更加灵活有效,基于调整潮流的融冰方法能够在应对冰灾中发挥更大的作用。2.2.2管网电源设置在不改变负荷正常供电的情况下,降低功率因数,使线路传送更多的无功功率,从而增大线路上的电流发热。一般可以通过调节电压的大小和相位或在线路两端分别并联电抗器和电容器来增加无功电流。文献[26]提出在路线负荷端装设可调电感,在电源端装设补偿电容器,使电抗器一侧无功功率需求增大,而并联的电容器作为无功电源从线路的另一侧向电抗器输送无功电流。线路中电流相量如图1所示。其中,文献[27]提出输电线可控线损防覆冰无功优化控制方法。该方法以输电线防覆冰为目标,通过无功补偿控制线路的无功电流,逐步增大可能覆冰线路的无功电流,在不影响电网安全运行的前提下,使其稍大于线路的保线电流,用工作电流所产生的线路功率损耗的热量来平衡线路覆冰所需要的热量。基于增加无功电流的融冰方法,在进行融冰时,对无功功率的控制较难,尤其是对于网状结构的电网无功功率的流向不易控制。同时,改变了系统无功功率分布,对系统稳定影响较大,所以此方法实用性不高。2.2.3基于流网内各线路的横向传输融冰移相变压器可以调整线路上的潮流,在线路上安装移相变压器对潮流进行控制,能够增大电流达到融冰目的。其原理如图2所示。移相变压器在双回路线路中生产一个有功功率循环,即其中一回路正向传输,另一线路反向传输,这样就增加了正向传输线路的电流,其值等于移相器电流与负荷电流之和,从而达到融冰的目的。2005年以来,加拿大魁北克省水电局针对双回输电线路,在变电站安装移相变压器,通过调整并联双回路的循环电流,在基本不影响输电线路正常工作的条件下,实现了对230kV和315kV累计900km的高压交流输电线路覆冰的融冰,效果良好。但是此方法需要在线路增加移相变压器,操作过程中增加了系统对无功的需要,会对系统安全造成一定的影响3覆冰线路覆冰交流电流融冰技术虽是目前国内外较为成熟的融冰方法,但由于其电源容量的限制,无法解决500kV及以上电压等级的大截面积导线和200km以上长线路覆冰。直流融冰技术则可以弥补交流融冰方法的不足3.1hvdc系统电网融冰直流输电线路通常使用直流电流进行融冰,一是因为可以方便取得融冰电源,二是直流输电线路导线截面积一般较大,交流方法难以实现。融冰时利用系统中已有的整流设备,通过切换整流器接线,改变系统运行方式即可。将双极系统换流器由串联改为并联运行方式融冰是对直流线路融冰最有效的方法HVDC系统具有一定的过载能力,若使线路处于过载运行状态,则可使线路流过大于额定值的电流。通过控制可以使直流系统的两线路功率异向传输,即一条线路正向传送功率,另一条线路反正传送功率,在总的传送功率较小的情况下,线路中仍能保持额定电流流过。根据文献[13]的数据,在功率异向和过负载运行时,电流值可以达到保线电流,但不能达到最小融冰电流,所以对防止导线覆冰有一定的效果,但不能用于融冰。文献[34]提出了特高压直流线路过负荷运行和功率异向运行的预防性融冰方案,以及换流器由串联更改为并联运行的紧急性融冰方案。3.2直流短路法是补偿线路中无功直流电流对交流线路融冰通常采用短路方法。直流短路融冰与交流短路融冰基本原理相同,不同的是直流短路法是将交流电流通过大容量电力电子设备转化为直流电流来加热覆冰线路。由于直流融冰时导线仅与线路的电阻有关,所以线路不消耗无功,仅直流换流器自身消耗无功,因此直流短路法可以对各个电压等级的线路融冰,而无须考虑线路中无功补偿不足的问题。融冰装置的研制是直流融冰的关键。根据不同应用需求,融冰装置可分为固定式,站间移动式和发电车移动式由于整流设备成本较高,而融冰装置使用时间非常少,俄罗斯提出在不融冰时将直流融冰装置作为静止无功补偿(SVC)设备对交流系统提供无功功率补偿,以提高设备利用率。2006年魁北克投入使用一套高压直流融冰装置,在融冰期间,为线路提供融冰电源,在非融冰期间以SVC方式运行,对交流系统进行无功补偿,起到稳定电压的作用4融冰期间兼作svc的治疗直流融冰技术的诸多优点已得到广泛的认可,其关键是利用高电压、大功率电力电子器件研制合适的融冰装置。目前的融冰装置多是基于半控型器件晶闸管的电流型换流器(CSC),在非融冰期间兼作SVC对交流系统进行无功补偿。基于全控型器件IGBT的电压型换流器(VSC)的融冰装置,对融冰电流控制更精确,装置体积小,移动方便,平时可以作为静止同步补偿器(STATCOM)使用,其特点是:响应速度快、谐诐含量更少、对外部系统不敏感,不仅对系统无功进行补偿能力强,还可以对有功进行控制。鉴于STATCOM相对于SVC的优越性,STATCOM的研究和应用也越来越多。随着