高肇直流輸電工程線路融冰保線方法研究

高肇直流輸電工程線路融冰保線方法研究

0線路跳閘和覆冰2008年1月，中國南方的一場大規(guī)模降雨和冷凍災(zāi)害導(dǎo)致了大規(guī)模的供電線路和塔架的覆蓋，一些地區(qū)的電網(wǎng)供電設(shè)施受損，相關(guān)電廠的發(fā)電也因跳轉(zhuǎn)而中斷。華中及華東地區(qū)在2008年1月26日之前就已經(jīng)發(fā)生500kV線路跳閘129條次、倒塔34基;220kV線路跳閘159條次、倒塔11基。此外三廣直流輸電線路湖南段倒塔9基被迫推遲送電;宜華直流安徽大別山段6基鐵塔遭受不同程度損壞。南方電網(wǎng)2008年1月25日前已累計停運(yùn)10kV及以上線路2314條,累計停運(yùn)變電站234個。給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大損失。交、直流輸電線路在冬季覆冰是電力系統(tǒng)的重大自然災(zāi)害之一。因覆冰引起的供電中斷,甚至電網(wǎng)解列等事故,后果通常極為嚴(yán)重,修復(fù)工作難度大、花費時間長。因此,分析各種融冰方法的應(yīng)用環(huán)境,針對不同的線路提出最理想經(jīng)濟(jì)的融冰方法,對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。1除冰和融冰方法架空電力線路防冰除冰的重點是導(dǎo)線。目前國內(nèi)外融冰方法有30余種,大致可分為機(jī)械除冰法、自然除冰法和熱力融冰法三大類,主要有電磁脈沖除冰、人工除冰法、復(fù)合導(dǎo)線融冰、化學(xué)涂料防冰、可控硅整流融冰和短路融冰等等。1.1滑動可減滯導(dǎo)電線路機(jī)械除冰法主要利用輸電線路導(dǎo)線的力學(xué)效應(yīng)破壞覆冰的力學(xué)平衡使其脫落。以電磁脈沖除冰、滑動鏟刮除冰和人工除冰為主。電磁脈沖除冰是利用電容器沖擊放電和電流通過線圈產(chǎn)生脈沖磁場,從而在導(dǎo)線中產(chǎn)生渦流,渦流的磁場與線圈磁場產(chǎn)生斥力使導(dǎo)線產(chǎn)生擴(kuò)張,脈沖消失后導(dǎo)線收縮到原狀態(tài),反復(fù)的擴(kuò)張和收縮使導(dǎo)線表面的覆冰脹裂掉落。滑動鏟刮除冰法是將電容器的沖擊放電電流通過線圈產(chǎn)生的脈沖磁場轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的脈沖力,通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)將導(dǎo)線表面的覆冰擊裂掉落。機(jī)械除冰法中另一種常用人工除冰法存在的最大問題是效率極低,需要大量人力,一般僅適用于作業(yè)環(huán)境好、100km左右的輸電線路的除冰。還有一種由加拿大魁北克水電公司提出的電磁力除冰法,其原理是在線路額定電壓下短路,短路電流產(chǎn)生的電磁力使導(dǎo)線相互撞擊,使覆冰脫落。這種方法的應(yīng)用會給系統(tǒng)帶來穩(wěn)定性問題,線路壓降也比較大,不推薦使用。1.2下管道通過率或防止倒桿塔事故發(fā)生自然除冰法不能阻止冰的形成,但有助于限制冰災(zāi)。例如:Admirat、Yasui等人使用的平衡錘技術(shù)可防止導(dǎo)線旋轉(zhuǎn);Goia和Chirita采用的在給定過負(fù)載條件下允許導(dǎo)線升降技術(shù)可減小倒桿塔的幾率或防止倒桿塔事故發(fā)生,并有助于確保冰災(zāi)事故后線路迅速恢復(fù)送電。在導(dǎo)線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置的自然除冰法,可在導(dǎo)線上安裝阻雪環(huán),平衡錘使導(dǎo)線上的覆冰堆積到一定程度時,依靠風(fēng)力、地球引力、輻射以及溫度突變等作用自行脫落。該法簡單易行,但可能因不均勻或不同期脫冰產(chǎn)生的導(dǎo)線跳躍的線路事故,不能保證可靠除冰,具有一定的偶然性。利用憎水性和憎冰性涂料防冰是通過減少水和冰與導(dǎo)線的附著力來防止結(jié)冰,與其他方法相比在工程上簡單易行,成本較低,是防止覆冰具有潛力的可行途徑。但現(xiàn)有的防冰涂料并不能從根本上防止冰的形成,而只有在足夠的輻射下才能生效,在氣溫低,水霧呈過冷卻的情況下,防冰效果較差。1.3機(jī)械除冰方法熱力除冰法的基本原理是在線路上通過高于正常電流密度的傳輸電流以獲得焦耳熱進(jìn)行融冰。常見的幾種熱力除冰法:1)過電流防冰融冰法:調(diào)度通過改變潮流分布增大線路的負(fù)荷電流而使得導(dǎo)線發(fā)熱達(dá)到防冰融冰目的。這種方法對截面較小的110kV及以下線路可行,對更高電壓等級線路由于截面大,并受系統(tǒng)容量和運(yùn)行方式限制,無明顯作用。2)基于移相器的帶負(fù)荷融冰法:隨著輸電網(wǎng)絡(luò)FACTS設(shè)備的大量應(yīng)用,電網(wǎng)在潮流控制方面更加靈活有效,通過改變潮流分布的融冰方法能夠在應(yīng)對冰災(zāi)方面發(fā)揮更大的作用?；谝葡嗥鞯膸ж?fù)荷融冰法,即ONDI(on-loadnetworkde-icer)法。帶負(fù)荷融冰的方法最早在1990年提出,并在此后得到了發(fā)展。此方法利用移相變壓器角度的變化改變平行雙回線的潮流分布,通過增加其中一回線的電流來增加線路發(fā)熱,達(dá)到融冰的目的。3)高頻激勵融冰:20世紀(jì)末CharlesRSullivan等提出了用8~200kHz高頻激勵融冰的方法,機(jī)理是高頻時冰是一種有損耗電介質(zhì),能直接引起發(fā)熱,且集膚效應(yīng)導(dǎo)致電流只在導(dǎo)體表面很淺范圍內(nèi)流通,造成電阻損耗發(fā)熱。4)交流短路電流融冰法:人為將融冰線路的一端兩相或三相短路,而在另一端提供融冰交流電源,以較大短路電流(控制在導(dǎo)線最大允許電流范圍之內(nèi))來加熱導(dǎo)線,將附著的冰融化。這種方法在國內(nèi)外都達(dá)到了實用化的階段,1993年加拿大Manitoba水電局開始采用的短路電流融冰,俄羅斯巴什基爾電網(wǎng)以及我國湖南電網(wǎng)也大量應(yīng)用了短路融冰技術(shù)。對于500kV線路,多采用大截面和多分裂導(dǎo)線,很難做到在短路條件下以系統(tǒng)電源提供較大電流(大部分為無功電流)。而其直流電阻只有交流阻抗的1/10,因此采用直流融冰需要的電源容量就小得多。5)直流電流融冰法:直流融冰技術(shù)的原理就是將覆冰線路作為負(fù)載,施加直流電源,用較低電壓提供短路電流加熱導(dǎo)線使覆冰融化?？刹捎冒l(fā)電機(jī)電源整流和采用系統(tǒng)電源的可控硅整流兩種方案。前者雖可減少投資但卻發(fā)電受機(jī)組容量與融冰所需容量的限制,大多情況都不滿足需求。因此采用系統(tǒng)電源的可控硅整流融冰是熱力融冰法中的熱點,其適用性更強(qiáng),可根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)直流融冰電壓,使之滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需要,是現(xiàn)有融冰方法中最理想的一種。國內(nèi)外一致認(rèn)為,對于出現(xiàn)在局部范圍內(nèi)的輸電線路覆冰問題,導(dǎo)線的機(jī)械除冰方法可做為一種輔助措施。對于發(fā)生在大范圍的輸電線路覆冰問題,導(dǎo)線熱力融冰法中的直流融冰方法是最有效的。2防止導(dǎo)線覆冰的臨界電流的計算在應(yīng)用直流電流進(jìn)行融冰時,為確保不使導(dǎo)線過熱損壞線路,需要對融冰電流的大小和融冰時間進(jìn)行計算。導(dǎo)線在融冰過程中包括兩個熱交換過程:一是導(dǎo)線和冰層的熱傳遞;二是冰表面和空氣之間的熱交換。導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生焦耳熱,熱量通過冰層傳到冰的表面,使冰表面溫度升高到ts,冰表面再和空氣以輻射散熱和對流散熱的形式進(jìn)行熱交換。當(dāng)冰表面和空氣交換的熱量和導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量相等,且“導(dǎo)線-冰”交界面的溫度為冰的融點溫度(0℃)時,冰將處于融和不融的臨界狀態(tài)。此時導(dǎo)線不覆冰時流過的最小電流稱為防止導(dǎo)線覆冰的臨界電流Ic,其計算公式為:式中:D為導(dǎo)線外徑(m);ρ為導(dǎo)線電阻率(Ω/m);ts為導(dǎo)線表面溫度(k);h為對流換熱系數(shù)(W/m×k);σ為Stefan-Boltcomann常數(shù)(σ=5.67×108W/m2×k4);ε為導(dǎo)線黑度(新線取0.23~0.43,舊線0.9),E為導(dǎo)線對空氣中過冷卻水滴的捕獲系數(shù);V、W和t分別為濕空氣或過冷卻水滴的移動均勻速度、含濕量和溫度;Cw為水的定壓比熱容(Cw=4.18kJ/kg×k);WE在導(dǎo)線表面蒸發(fā)的液體含量;Lv為水的汽化潛熱(Lv=2.26×103kJ/kg)。式(1)表明,Ic主要取決于外部氣象條件和導(dǎo)線本身的物性參數(shù)。一般來說,線路一旦鋪設(shè)好導(dǎo)線型號基本不會改變,只要知道覆冰時的氣象條件,通過合理選擇這些參數(shù)就可確定IC。融冰所需時間的計算公式為:式中:Ci為冰的比熱;Ta為氣溫;ρi為冰的密度;R0為覆冰后導(dǎo)線平均半徑;Ri為不覆冰時導(dǎo)線半徑;I為融冰電流;Re為單位長導(dǎo)線在零度時的電阻。根據(jù)公式(1)、(2)可以得出表1結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)可知對于交流線路的融冰由于其融冰電流和所需電源容量大小適中,可以較容易地設(shè)計出合適的可控硅融冰裝置。而長距離直流輸電線路融冰所需電流和電源容量很大,需要根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的特點研究可行的特殊方式下的保線方案。3直接充電技術(shù)與推廣路線的融合技術(shù)交流線路的直流融冰技術(shù)的關(guān)鍵是高電壓、大功率直流功率源的研制開發(fā)及合理利用。根據(jù)表1的計算結(jié)果可以設(shè)計開發(fā)兩種融冰裝置。3.1大容量臥式直流融冰裝置針對500kV交流輸電線路的融冰可以在輻射面積較大的中心變電站設(shè)計安裝由交流35kV供電,容量為60MW的大容量固定式直流融冰裝置。原理圖如1所示。大容量固定式直流融冰系統(tǒng)的設(shè)備主要包括變壓器、交流濾波器、換流閥、刀閘、導(dǎo)線及控制保護(hù)設(shè)備等,投資較大,而融冰裝置工作時間很短,單一用于融冰,將導(dǎo)致設(shè)備資源的閑置浪費。設(shè)計建設(shè)時就要考慮其作為靜止式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的可行性,在平時抑制暫態(tài)過電壓、改善電能質(zhì)量。3.2站間移動直流融冰系統(tǒng)對于220kV電壓等級以下的輸電線路融冰,可以配置由交流10kV供電,容量為25MW的站間移動式直流融冰裝置。站間移動式直流融冰系統(tǒng)設(shè)計為6脈動整流器接10kV站用變出線,不帶整流變壓器,采用集裝箱方式安裝,結(jié)構(gòu)緊湊,可方便在各個變電站移動,通過倒換接線的方式對目標(biāo)線路進(jìn)行融冰。以上兩種融冰裝置可以滿足不同線路長度、導(dǎo)線參數(shù)融冰需要,輸出的電流調(diào)節(jié)范圍較寬,其換流器可以大角度長期運(yùn)行。裝置操作簡便,維護(hù)量少,已經(jīng)有了成功的運(yùn)行經(jīng)驗。4融冰電流及電源容量計算直流輸電系統(tǒng)通常應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電。常規(guī)直流輸電系統(tǒng)額定輸送電流3000A。當(dāng)處于大電流運(yùn)行時,電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的熱量可以緩解線路覆冰,達(dá)到一定的融冰效果。但冰雪災(zāi)害易發(fā)時期多是水電枯水季,輸電系統(tǒng)難以安排足夠功率使直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行大電流工況,因此線路輸送電力相對減少,線損和發(fā)熱相應(yīng)減少,一旦遭遇超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的冰凍災(zāi)害,容易發(fā)生覆冰倒塔。表2為南方電網(wǎng)的幾條直流線路保線/融冰電流及融冰所需電源容量計算表。由表2可知對于常規(guī)直流研究合適的運(yùn)行方式,運(yùn)用其過負(fù)荷能力,可以達(dá)到融冰保線的目的。對于特高壓直流線路,必須考慮雙閥組并聯(lián)提高運(yùn)行電流來達(dá)到融冰保線的目的。4.1融冰保線方案由于直流輸電工程主接線的特點、換流器的交直流變換特性及高度可控性使直流輸電線路的融冰方法選擇更加靈活,而且更具可操作性,通?？捎玫娜诒＞€方法主要有三種。1)直接使用直流輸電工程的正常運(yùn)行方式融冰。可采用雙極平衡大電流運(yùn)行或者單極金屬回線大電流運(yùn)行進(jìn)行線路融冰。其優(yōu)點是系統(tǒng)主接線不需要做任何改動;控制保護(hù)的軟件也不需要改動;調(diào)度、運(yùn)行人員對整個操作過程非常熟悉。其缺點是冬季結(jié)冰時送端常處于枯小時段,較小的輸送功率有可能使線路電流起不到融冰保線效果。此方案不再適用。2)更改主接線,將構(gòu)成雙極的兩組換流器通過相應(yīng)的刀閘、引線改造成相并聯(lián)的系統(tǒng)。這種方式可以將電流提升至正常值的兩倍,可以達(dá)到融冰電流要求而不僅是保線,是直流線路融冰最徹底的方案。但是需要改變主接線,增加設(shè)備投資,直流控制保護(hù)系統(tǒng)也要根據(jù)這種特殊的運(yùn)行方式做很多修改,并且需要整流側(cè)提供較多的功率,增加功率調(diào)度的難度,遇到方案1同樣的問題。3)雙極運(yùn)行時,一極功率正送運(yùn)行,另一極功率反送運(yùn)行。這種融冰方法不需要對主接線進(jìn)行改動,不增加新的設(shè)備投資,只需要對控制保護(hù)軟件進(jìn)行相關(guān)調(diào)整,容易實施。換流功率主要用于直流線路的功率損耗,在具有良好融冰保線效果的情況下與交流系統(tǒng)交換的功率較小,并且可以通過改變相應(yīng)極的電壓參考值在融冰的同時對較弱電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行功率支援。符合冬季功率調(diào)度要求,推薦采用此方法。高肇直流工程雙極異向傳輸融冰保線方案如圖2所示,通過調(diào)整貴州高坡站電壓參考值使得直流系統(tǒng)與貴州電網(wǎng)交換的功率為零。所有的融冰保線消耗功率由廣東電網(wǎng)提供,當(dāng)然也可以靈活調(diào)整雙極電壓參考值,由兩端電網(wǎng)均攤?cè)诒β省?.2雙極輸送3.1高肇直流工程起點貴州高坡?lián)Q流站,終點廣東肇慶站,額定電壓±500kV,額定電流3000A,雙極輸送功率3000MW,線路全長900km,是南方電網(wǎng)的一條遠(yuǎn)距離、大功率、超高壓直流輸電工程。直流線路距離長而且線路走廊經(jīng)過地區(qū)地理及氣候復(fù)雜,屬于線路易結(jié)冰區(qū)域。對其控制保護(hù)系統(tǒng)實施融冰運(yùn)行方式的改造,具有重要意義。4.2.1護(hù)仿真試驗系統(tǒng)仿真借助實時數(shù)字仿真器(RealTimeDigitalSimulator,RTDS)與直流控制保護(hù)仿真試驗系統(tǒng)仿真高肇直流工程融冰運(yùn)行方式下的功能性能試驗。RTDS仿真一次設(shè)備,其參數(shù)與實際系統(tǒng)一致。直流控制保護(hù)系統(tǒng)采用實際控制保護(hù)系統(tǒng)的仿真設(shè)備,共5面標(biāo)準(zhǔn)屏柜。該控制保護(hù)仿真系統(tǒng)與實際控制保護(hù)系統(tǒng)具有相同的硬件結(jié)構(gòu)、軟件配置等,但簡化了I/O接口、冗余系統(tǒng),整個仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。4.2.2雙極聯(lián)動跳閘安全雙極功率異向傳輸?shù)娜诒＞€運(yùn)行方式不同于正常的功率傳輸,在調(diào)整控制保護(hù)系統(tǒng)軟件時,需要重點關(guān)注以下問題。1)針對雙極功率異向傳輸大電流運(yùn)行時,某一極故障跳閘后,健全極大功率傳輸對兩端交流系統(tǒng)的沖擊問題,需要提出切實可行的雙極聯(lián)動跳閘邏輯。2)直流保護(hù)系統(tǒng)的線路故障重啟、降電流以及平衡雙極等非跳閘邏輯,可能會導(dǎo)致雙極傳輸?shù)墓β氏嗖钐?對交流系統(tǒng)的沖擊問題。3)雙極線路同極性運(yùn)行,若雙極線路間特別是線路中點發(fā)生短路故障,電壓差較小,各電氣量變化不大,如何處理的問題。4)送端交流弱系統(tǒng),對無功功率控制的特殊要求問題。4.2.3控制保護(hù)方案直流系統(tǒng)融冰模式運(yùn)行時,一旦故障造成一極停運(yùn),直流系統(tǒng)會轉(zhuǎn)入單極大地回線運(yùn)行,系統(tǒng)將會出現(xiàn)大功率傳輸?shù)倪\(yùn)行工況,給兩側(cè)交流系統(tǒng)造成沖擊。為避免這種情況,在控制系統(tǒng)中為這種融冰方案配置了特殊的保護(hù)功能,判斷對極故障停運(yùn)時,立即將本極的電流階躍到最小值并閉鎖。通過模擬某一極的各種故障跳閘,均可保證在100ms內(nèi)停運(yùn)另一極。圖4為極1閥短路故障跳閘后,55ms左右極2電流階躍至最小值并閉鎖的波形圖。通過仿真研究了雙極功率異向傳輸融冰的特殊運(yùn)行方式對兩側(cè)交流系統(tǒng)的影響,整理了雙極功率異向傳輸融冰的可行性研究報告。提出了控制保護(hù)軟件修改方案。研究了融冰運(yùn)行方式下的單極直流系統(tǒng)故障跳閘對交流系統(tǒng)的沖擊特別是對交流線路保護(hù)的影響,研究結(jié)果表明并不會帶來保護(hù)的誤動。對無功功率控制策略及方法提出了改進(jìn)建議。4.3融冰保線功能2010年2月在高肇直流停電檢修期間成功完成融冰運(yùn)行方式的改造及試驗,先后進(jìn)行了融冰方式啟動、模擬單極故障停運(yùn)、一極降壓一極全壓不對稱運(yùn)行、雙極降壓運(yùn)行等試驗,各項性能指標(biāo)正常。試驗結(jié)果表明,高肇直流輸電系統(tǒng)可以安全應(yīng)用新融冰方式,電源側(cè)僅需提供9萬~11萬kW的融冰功率,即可實現(xiàn)原先需要滿功率運(yùn)行才能達(dá)到的效果。直流線路測溫結(jié)果表明,額定電流運(yùn)行可以有效提高線路溫升,在環(huán)境溫度10~15℃的情況下,導(dǎo)線平