電網焦耳熱融冰技術

電網焦耳熱融冰技術是指流短路融冰、直流融冰和並聯電容補償無功電流融凍的總稱。介紹了三種焦耳熱融冰方法的工作原理和套用情況，通過分析和公式計算，對比了這三種焦耳熱融凍的主要技術參數和性能指標，包括融冰電源容量、線路融冰長度、融冰壓降、融冰消耗有功和無功功率等參數。根據技術參數對其融冰適用範圍、系統影響、操作難易程度和經濟可行性進行了分析。

基本介紹

• 中文名：電網焦耳熱融冰技術
• 外文名：Power grid joule melting ice technology
• 類型：融冰技術
• 分類：短路融冰、直流融冰和並聯電容補
• 學科：電氣工程
• 領域：能源

簡介

介紹了交流短路融冰、直流融冰和並聯電容補償無功電流融冰三種焦耳熱融冰方法的工作原理和套用情況，通過分析和公式計算，對比了這三種焦耳熱融凍的主要技術參數和性能指標，包括融冰電源容量、線路融冰長度、融冰壓降、融冰消耗有功和無功功率等參數。根據技術參數對其融冰適用範圍、系統影響、操作難易程度和經濟可行性進行了分析。還簡要介紹了並聯電容補償無功電流融冰方法目前套用情況和己取得的研究進展，並對今後電網覆冰防治工作提出了一些建議。

輸配電線路覆冰事故在我國頻繁發生，線路覆冰己經成為危及我國電網安全運行的重要因素。國內外現有的融冰方法和融冰裝備，受電網架構、工程造價和操作難度等因素影響和制約，難以大範圍使用，沒有在災害發生時發揮全部功能和作用。綜合比較來看，對電力線融冰最有效的方法是焦耳熱融冰法，即通過增大流經導線的電流使覆冰導線發熱，來實現對導線融凍的功能。目前焦耳熱融冰法套用較多的是交流短路融冰法、直流融冰法和並聯電容補償無功電流融冰法。

交流短路融冰及其套用

交流短路融冰示意如圖1所示。通過計算短路點的短路電流，人為地將兩相或者三相導線短路，短路電流控制在導線允許的最大電流範圍之內，達到線路融凍的目的。交流短路融冰法在國外己達到了實用化的階段:俄羅斯巴什基爾電網使用短路融冰技術融冰;加拿大Manitoba水電局1993年開始採用短路電流融冰。

交流短路融冰方案應遵守以下原則設計:

1)防止作為融冰電源的主變壓器過載。

2)選擇可行的電氣路徑，考慮電網電壓及穩定維持能力(無功儲備)、電源/變壓器容量等。 3)儘量少改變電網的正常運行方式，減少對開關、刀開關等元件的操作次數。

4)計算短路融冰電流，選擇合適的電氣距離和短路點，提供足夠的無功補償，使得系統電源在可以承受的範圍內。

5)儘量選擇主變壓器容量較大、低壓側有無功補償裝置、負載比較容易轉移和有旁路母線的變電站。

由於交流輸電線路存在感抗，且感抗遠大於直流電阻，因此110 kV以上電壓等級的多分裂導線融冰不適用短路融冰法，且融冰線路長度也有一定限制，以保證電源能提供有效的融冰電流。500 kV及以上電壓等級輸電線路需大容量融冰電源，採用直接交流短路融冰方案是不可行的，需線上路中串聯電容以減小線路的感抗，降低需要系統提供的融冰電源的容量。

直流融冰及其套用

加強電網桿塔和導線機械強度來提高抗覆冰能力，項目投資巨大，超過200 km的線路採用交流短路融冰沒有足夠大容量的電源由於直流電流線路中只存在直流電阻，不存在交流輸電時線路感抗，直流融冰不消耗無功，因此相對短路融冰所需電源容量小。500 kV線路的直流電阻約為交流阻抗的10%。直流融冰電源可以由交流電網系統提供，也可以由發電機提供，融冰時將直流融冰裝置接入待融凍的輸配電線路，進行兩相或三相短路，實現大電流焦耳熱融凍的功能。

加拿大Hydro一Quebec公司在1998年的北美冰風暴災難後，分析了各種線路融冰方法。2006年11月與AREVA公司合作開發高壓直流融冰裝置，並投資2 500萬歐元將其安裝於Hydro -Quebec Levis變電站，如圖2所示。

該直流融冰裝置額定容量為0. 25 GW，核心為換流閥，融冰時直流側電壓為1 17. 4 kV，通過控制直流電流對覆冰線路實現不同型號導線和不同長度導線的有效融冰。可對1條雙迴路315 kV線路和4條單迴路735 kV線路融冰，對電壓735 kV線路可最長融冰242 km。在風速10 km/h、氣溫一10℃條件下，四分裂735 kV線路1354MCM導線融冰電流可達7 200 A，通電30 min可以融化12 mm厚的覆冰。該裝置無功容量輸出從+250 Mvar至一125 Mvar，在平時以SVC方式運行，做穩定系統電壓用。

南方電網和國家電網在我國2008年冰災後，投入了大量的科研力量研究直流融冰技術。世界首套大容量(容量為60 MV A)固定式直流融冰裝置於2008年10月在南方電網500 kV福泉變電站福施II線上成功完成了升溫試驗，如圖3所示。2008年12月湖南電網在500 kV復沙I線完成了線路升溫試驗，使86 km的4 x LGJ一400的導線升溫47℃。廣東電網的直流融冰裝置於2009年1月在韶關110 kV通梅線上首次完成了現場融冰脫冰試驗。貴州六盤水供電局在220 kV水城變電站也開展了直流融冰試驗。

聯電容補償尤功電流融冰方法及套用

並聯電容無功補償融冰原理，如圖4所示。由於線路中存在電感和工業用戶負載中存在磁設備，一般把負載等效為電阻R和感抗XL的串聯。其中，系統提供的總電流為Is，電容無功補償電流(即融冰電流)為Ic:電容器的容抗為戈，R, XL為系統負載。調整電容器的容量，可以改變待融冰線路中無功電流人的大小，從而使待融冰線路中有大電流通過，以實現焦耳熱融冰。

目前我國220 kV及以下各級電網變電站電容補償容量配置，是按供用電規則要求配置裝設在變電站母線上。在35 kV和110 kV變電站中，其電容器無功補償容量一般取主變壓器容量的15% -20%;在66 kV變電站中，其容量一般取主變壓器容量的20%一30% ; 220 kV變電站一般取主變壓器容量的0一30% 。

利用電容補償無功電流對線路升溫融冰，其關鍵技術在於如何使無功大電流注入融冰線路。實踐表明可利用在一次變電站裝設的大容量10 kV電容器連線在66 kV融冰線路末端輸入無功大電流的方法來實現，解決了直接利用二次變電站配置的10 kV電容器容量小，無法提供融冰所需大電流這一關鍵問題。電容補償無功電源可與輸電線路連線成如圖6所示的接線方案，構成把電容補償無功電流經由線路末端輸入到待升溫融冰線路的接線。 並聯電容補償無功電流融冰方法於2009年首次在雞西電業局66 kV密山甲線實施融冰效果良好。66 kV密山甲線融冰試驗接線如圖7所示。將密山一次變電站10 kV電容器經66 kV密山甲線連線到密山二次變電站10 kV母線構成融冰接線迴路。

經過37 min B相LGJ一120線路覆冰全部融化，52 min A相LGJ一150線路覆冰全部融化，77 min C相LGJ - 300線路覆冰全部融化，如圖8所示，融冰操作結束。技術參數和性能比較

交流短路融冰法、直流融冰法和並聯電容補償無功電流融冰方法都屬於焦耳熱融冰範疇。交流短路融冰和直流融冰都是人為製造一個短路點或迴路來實現增大電流、達到發熱融凍的目的。交流短路融冰法由於輸電線路的交流感抗比較大，融冰過程需要電網提供很大的無功電源，因此對電網電壓影響很大。對4 x 400四分裂導線150 km線路融冰，需要1 GV A以上的無功容量;對500 kV及以上線路融冰，很難找到滿足要求的融冰電源。用短路融冰法對220 kV線路LGJ -400導線融冰，需102 MV·A電源容量，也就是變電站主變壓器容量小於100 MV " A將不能進行交流短路融冰。直流融冰解決了交流短路融冰需要無功容量大的問題，但由於直流融冰項目投資巨大、設備用途單一及操作複雜，只能在重要的500 kV及以上電壓等級的變電站配置，不能覆蓋220 kV及以下電壓等級中、小型變電站和線路。為解決全網電力線路融冰問題，採用並聯電容補償無功電流融冰方法和融冰裝置是十分必要的。並聯電容補償無功電流融冰方法與融冰裝置，適用於各電壓等級的電力線路融冰，重點解決了220 kV及以下電壓等級的中、小型變電站送出的電力線路融冰問題，適用範圍更廣，涵蓋了交流短路融冰不能套用的區域，同時具有直流融冰方法的優點。採用與線路相同電壓等級的電容器作為融冰電源融冰，融冰線路可以正常供電，特別適用於10 kV線路融冰，融冰過程中10 kV線路可以正常供電，不影響電力潮流分配和企事業單位及居民的生產生活，對防範頻繁發生的線路覆冰問題作用和意義重大。並聯電容補償無功電流融冰裝置，平時可做為系統無功補償裝置，一機多用，在沒有專門融冰設備的緊急情況下，可利用變電站現有的10 kV並聯電容器融冰，其技術指標和經濟效益都有較大優勢。

從電網構架和工程造價上看，直流融冰方法、交流短路融冰方法和並聯電容補償無功電流融冰方法，在套用上呈現金字塔形結構。直流融冰電壓等級高，工程造價昂貴，處於金字塔頂層。220 kV及以下電壓等級的電力線路處於金字塔的底層，供電範圍最廣，占到整個電網構架的80%，在這一領域，直流融冰方法和交流短路融冰方法從技術和經濟上不能覆蓋，最適合推廣並聯電容補償無功電流融冰方法。我國南方和東北地區近年來頻繁發生凍雨冰災，特別是2008年我國南方遭遇嚴重的凍雨冰災，造成輸配電線路覆冰平均厚度達30 mm以上，停運輸電線路39 033條，變電站2 037座，其中500 kV變電站15座，220 kV變電站86座，220 kV及以上電壓等級線路倒桿塔2 110基，凍雨冰災造成的經濟損失達1 000億元以上。若上述地區10%的電網套用並聯電容補償無功電流融冰方法，可挽回損失近百億元。

總結

並聯電容補償無功電流融冰方法，有別於交流短路融冰法和直流短路融冰法，其本質區別在於增大線路融冰電流的方法不同。並聯電容補償無功電流融冰方法是用增大融冰線路中傳輸的無功電流(即電容電流入)，來增大融冰線路的總電流，使導線產生可以融凍的焦耳熱實現對覆冰導線融凍的功能。並聯電容補償無功電流融冰方法在融冰過程中，被融冰導線和系統始終處於正常的電網運行工作狀態中;交、直流短路融冰法是人為計算設計並製造一個短路非正常狀態，用短路接線這種辦法來加大融冰線路中傳輸的電流，達到對導線融凍的目的，是一種在緊急情況下非正常狀態運行方式，是為了防止覆冰導線出現斷線、倒桿塔事故而採用的臨時措施。交、直流短路融冰法對電網的正常工作影響很大，變電站一般都沒有專用的短路融冰裝置。採用交流短路融冰，融冰過程中融冰電流驟加，對電網衝擊很大，融冰消耗電網無功電力大，電網電壓壓降大，影響電網供電質量;直流融冰項目投資巨大、設備用途單一及操作複雜，在重要的500 kV及以上電壓等級的變電站配置可行，不適用於220 kV及以下電壓等級中小型變電站推廣使用。

並聯電容補償無功電流融冰方法與交流短路融冰法和直流短路融冰法相比較，參數指標、性能和經濟效益都有優勢。該方法具有直流融凍的優點，融冰過程剩餘的無功可向電網輸送，不影響電壓質量，10 kV線路可帶負荷融冰，特別適用於220 kV及以下所有線路，可覆蓋80%的電網線路，為解決全網電力線路融冰問題提供了堅實基礎。

並聯電容補償無功電流融冰方法自2009年，多次成功地實施了融冰操作，避免因線路覆冰造成斷線、倒桿塔等多起重大停電事故，己為企業節約近5 000元余萬元的線路搶修費用，間接挽回國民經濟損失近億元。制定的標準Q / GD W 24 - 7454-2012一10504 (1220 kV及以下交流輸電線路電容補償融冰技術規範》，極大地提高了電網抵抗覆冰災害的能力，有力地保證了電網冬季安全運行。