特高压直流输电线路融冰技术研究

±800kV 特高压直流输电线路融冰模式探析

余春波

（国家电网公司运行分公司宜宾管理处）

摘要: 针对输电线路覆冰严重影响特高压直流输电可靠性的问题，研究了特高压直流输电线路融冰的 2 种模式：

循环阻冰和并联融冰。循环阻冰是使特高压直流工程的 2 个极功率方向相反，可以在直流双极总功率很小的情况下实现较大的线路电流,防止线路覆冰形成；并联融冰是将特高压直流换流器从串联接线方式转换为每站双极高端换流器并联运行，产生很大的融冰电流，可迅速融化已经形成的覆冰。文中提出了特高压直流工程并联融冰的控制策略 ,即整流侧并联的 2 个换流器一个为定电流控制、另一个为定电压控制，逆变侧并联的2 个换流器均处于定电流控制，逆变侧定电流换流器的电流参考值为线路电流测量值的一半，达到平均分配电流的目的，定电压状态的换流器控制整个极的直流电压。上述融冰方案的实施将大大降低覆冰对特高压直流输电系统可靠性的影响。

关键词: 融冰；特高压直流输电；控制策略；控制保护系统；换流器

1 引言

随着电网的发展和全球极端气候频发，电网覆冰灾害不断加剧，覆冰影响范围也日益扩大，

造成的危害越来越严重，轻则引起闪络跳闸，重则导致金具损坏、断线倒杆（塔）等事故。2008 年初,我国南方大部分地区遭受了数十年一遇的严重冰雪灾害,电网受灾尤其严重,出现了大面积的电网解列和停电事故,这再一次引起人们对输电线路融冰技术的重视和深入研究。目前，我国已投运的±800 kV特高压直流输电线路共有3条，分别是向上、锦苏、和云广直流,其输送容量大，均在5000MW以上；后续还有多条特高压直流输电线路已列入建设计划。若特高压直流输电系统因履冰导致停运，将对送、受端电网造成巨大影响。同时由于直流线路输送距离远,中间需跨越多个易发严重覆冰灾害的区域,因此对直流输电线路融冰进行研究，提高直流输电工程防冰、抗冰能力，对保障直流输电工程乃至整个电力系统的安全稳定运行具有重大意义。

2 输电线路履冰机理

输电线路覆冰已成为威胁架空输电线路安全运行的重要因素之一，而导致输电线路覆冰的原

因又是多种多样的，因此对覆冰的防治需要在覆冰机理、特点和规律等方面深入研究。

(1)

输电线路履冰成因

输电线路覆冰是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流及风等因素影响的综合物理现象，是热力学、流体力学和电流电场耦合作用的结果。在我国每年的冬季和初春季节，北方冷空气与南方暖湿空气交汇，形成“静止锋”及其延伸的“准静止锋”。由于冷气团由北向南贴近地面插在暖湿气团下部，故在“静止锋”影响范围内的大气中出现逆温现象，即从地面向上至静止锋线，温度先是在0℃以下，往上由于暖湿气团的影响，温度反而升高至0℃以上，再往上温度又降至0℃以下。在冻结高度以上，空气中的水气形成冰晶、雪花或过冷却水滴。冰晶、雪花或过冷却水滴在0℃或更低时与输电线路导线表面发生碰撞并冻结时，履冰现象就产生了。输电线路发生履冰现象必须满足下面几个条件：大气中有足够的冰晶、雪花或过冷却水滴，并与导线表面发生碰撞并冻结。

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(2) 影响履冰的因素

当具备了形成履冰的温度和水气条件后，风对导线履冰起了重要的作用。它可将大量的冰晶、雪花或过冷却水滴不断的输向线路，与导线碰撞而被截获并逐步增大并形成履冰现象。据观测，履冰首先在导线迎风面上成长，当迎风面达到某一履冰厚度时，导线因重力而产生扭转，从而出现了新的迎风面。这样，导线通过不断扭转而使履冰逐步增大，最终导线上形成圆形或椭圆形的履冰。除了风速的大小对履冰有影响外，风向与导线平行时，或当与导线之间的夹角小与45°或大于150°时，履冰较轻；反之，履冰较为严重。

除了风速的大小和方向会影响履冰外，线路走向和导线悬挂高度都对会影响到线路履冰。一般来说，我国东西走向的输电线路履冰，普遍较南北走向的线路履冰严重。线路悬挂高度越高，履冰越严重，因空气中的液水含量随高度升高而增加，有利于履冰的形成。另外，导线越粗履冰月严重。

3 输电线路履冰危害

输电线路履冰的危害主要分为以下4类：

（1）线路过载荷事故。当履冰累计到一定的体积和重量后，输电线路重量倍增，弧垂增大，

导线对地间距减小，发生闪络事故。当线路履冰超过杆塔额定载荷一定限度时，可能造成杆塔基础下沉、倾斜或爆裂，杆塔折断甚至倒塌。

（2）相邻档履冰不均匀或不同期脱冰造成的事故。输电线路相邻档履冰不均匀或不同期脱冰都会产生张力差，使导线在线夹内滑动，严重时导线外层铝股在线夹出口处全部断裂，钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股拥挤在线夹附近。邻档张力的不同，还会导致杆塔承受张力的能力变差，悬垂绝缘子串偏移很大，碰撞横担造成绝缘子损坏或破裂。也可使横担折断或向上翘起，地线支架破坏。

（3）绝缘子串履冰造成频繁冰闪事故。绝缘子在严重履冰的情况下，大量伞形冰凌桥接，绝缘强度降低，绝缘距离缩短。融冰过程中，冰体或冰晶体表面水墨很快溶解污秽中的电解质，提高了融冰水或冰面水膜的电导率，引起了绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，从而降低了履冰绝缘子串的闪络电压。闪络过程中持续电弧烧伤绝缘子，引起绝缘子绝缘强度下降。

（4）输电线路导线舞动损坏电力设备。输电线路履冰后形成非圆截面，在风里的作用下发生驰振，这是一种低频、大浮动的震动，其震动频率一般为0.1～3Hz,振幅约为导线直径的5～300倍。输电线路舞动引起杆塔、导线、金具及部件的损坏，造成频繁跳闸甚至停电事故。

4 特高压直流输电线路融冰模式应用前景

±800kV特高压直流工程额定容量高,一般在5000MW以上，如此大容量的电力输送对直流系统

的可靠性提出了极高的要求。输电线路输送距离远，沿途山势险峻、沟谷狭长，海拔在300-2000米，中间需跨越多个易发严重覆冰灾害的区域，气象条件复杂。现阶段特高压直流送端一般为大型水电项目，冬季枯水期严重影响水电的发电能力，特高压直流在这一阶段的输送功率一般都较低，线路电流较小，如遇恶劣天气线路覆冰的可能性较大。

目前输电线路防冰和除冰技术有很多种, 其中大多数都采用加热融冰方法，其原理是使输电线路流过大电流，通过线路电阻发热升温融化覆冰。锦苏直流工程就是基于这一原理设计了2种融冰模式：分别为循环阻冰（DE_ICE_ROUND POWER）和并联融冰（DE_ICE_HYBRID）。循环阻冰是使

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特高压直流工程的 2 个极功率方向相反，可以在直流双极总功率很小的情况下实现较大的线路电流,防止线路覆冰形成；并联融冰是将特高压直流换流器从串联接线方式转换为每站双极高端换流器并联运行，产生很大的融冰电流，可迅速融化已经形成的覆冰。

相对于常规方法提高线路抗冰设计等级，需要投入大量的资金，而采用融冰模式，可节约投资6、7亿元投资，对系统的可靠性也有很大的提高。

5 特高压直流循环阻冰模式（DE_ICE_ROUND POWER）

循环阻冰模式主要用于防止直流输电线路结冰，也可用于缓慢融冰。在循环阻冰模式下两站

仅高端阀组投入运行；低端阀组保持闭锁，其旁通开关BPS合上。其中一个极以功率正送方式运行、另一个极以功率反送方式运行。如图1所示：

图1：阻冰模式示意图

(1) 循环阻冰模式启动前运行方式要求

①所有阀组闭锁；

②高端阀组在“RFO”状态； ③站间通讯正常；

④有功运行方式在“联合”； ⑤有功控制模式在“单极电流控制”。 (2)

循环阻冰模式启动步骤

①极I正送，最小电流（0.1p.u.）指令解锁； ②极II反送，最小电流指令解锁；

③以较小的电流升降速率，同时升高双极电流至目标值。 (3)

循环阻冰模式停运步骤

①双极以较小电流升降速率，将电流降至最小值（0.1p.u.）； ②两极依次闭锁。 (4)

循环阻冰模式的优点及存在的问题

1）循环阻冰模式主要优点是：

①容易实现，几乎不需要对现有的特高压工程设计和控制保护系统功能进行修改就能实现这种融冰工作模式；

②不需要整流侧交流系统提供很大的功率源，对交流系统造成的扰动也较小。 2）阻冰模式应注意以下几个问题：

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①特高压直流控制系统的双极功率控制模式不支持 2 个极功率方向相反的运行方式 ,因此在阻冰模式式下，2 个极应采用单极定电流控制模式。

②融冰方案采用双极大地回线运行方式，如果2 个极线路电流差异较大，接地极将流过较大的电流。为减小不平衡电流，融冰工作模式全过程(包括电流升降过程)中 2 个极的电流定值不应差别过大。

③在预防性融冰模式下，直流系统双极总功率较小，但每个极的传输功率却很大。虽然循环阻冰运行不需要交流系统提供很大的功率，对交流系统造成的扰动也很小；但考虑到融冰时天气情况一般比较恶劣，线路故障概率较高，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，将导致直流系统与交流系统的功率交换量突然增大，给两侧交流系统带来一定扰动。为避免出现这种情况，特高压直流控制保护系统为阻冰模式增加特殊的保护功能：循环阻冰模式下非最小电流运行时, 如果一极故障停运, 控制保护系统使另一极迅速闭锁。同时，在循环融冰模式下直流线路再启动也是被闭锁的。

6 特高压直流并联融冰模式（DE_ICE_HYBRID）

并联融冰模式主要用于直流输电线路快速融冰。并联融冰模式需要两站停运后进行手动改接

线两站双极高端并联，以满足接线要求。在并联融冰模式下两站仅高端阀组投入运行；低端阀组保持闭锁，其旁通开关BPS合上。整流侧并联融冰模式接线图如图2，图中黄色接线通过手动改接线实现。

图2：整流侧并联融冰模式接线图

(1) 并联融冰模式启动前运行方式要求

①手动改接线正确 ②所有阀组闭锁

③高端阀组在“RFO”状态 ④站间通讯正常

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⑤功率方向正送

⑥有功运行方式在“联合” ⑦有功控制模式在“单极电流控制” ⑧无功运行方式在“OFF”（RPC置OFF） (2)

并联融冰模式启动前操作

检查手动接线正确后可在融冰模式界面选择进入融冰模式，两站操作步骤如下： ①极I转为金属回线

②双极低端换流器转阀组隔离，确保AI、CI拉开

③主控站在融冰模式界面选择进入融冰模式，详见图3。同时极II高端换流器阴、阳极刀闸（P2.WP.Q11、P2.WP.Q13），极II金属回线刀闸（WN.Q14）在OWS上的显示位置将与实际位置相反。

图3：融冰模式界面

进入融冰模式后控制系统自动将电流偏移量补偿到单极电流指令中，具体如下：

－整流侧极I 电流偏移量补偿值800A，迫使整流侧极I电流控制器CCA运行在最小α角限制，电压控制器VCA启动，同时控制系统设置整流侧极I电压控制器VCA参考电压值为400kV，进入定电压控制

－整流侧极II 电流偏移量补偿值0A，定电流控制

－逆变侧极I 电流偏移量补偿值400A，取消电流裕度，定电流控制 －逆变侧极II 电流偏移量补偿值400A，取消电流裕度，定电流控制

在这种模式下整流侧极I高定电压控制，控制整流侧电压；其他阀组定电流控制。 满足上述的条件后，并联融冰模式可以进行启停操作。 (3)

并联融冰模式启动启动步骤

①极I正送，最小电流指令解锁 ②极II正送，最小电流指令解锁

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③提升双极电流值至并联融冰模式最大允许值 (4)

并联融冰模式启动停运步骤

①极I和极II电流降到最小值， ②极I和极II有功运行方式打至“独立”

③闭锁整流站极II，极I电流将升至原来两倍，逆变站的两个换流阀继续运行 ④闭锁整流站极1，电流降为零。 ⑤闭锁逆变站极II ⑥闭锁逆变站极I

⑦将极I与极II有功运行方式打至“联合” (5)

并联融冰模式无功需求

由于并联融冰模式无功运行方式在“OFF”，整个运行过程中，运行人员应时刻注意交流母线电压的变化，防止电压越限，同时应满足绝对最小滤波器组数ABS的要求。

(6)

并联融冰模式优点及存在的问题

1）并联融冰模式主要优点是：

①双极高端换流器并联运行，直流线路电流可提升至额定电流近2倍，线路发热量是循环阻冰模式的近4倍，融冰速度明显提升。

②换流站内新增设备少，仅需进行改接线，投资较小。 2）并联融冰模式应注意以下几个问题：

①换流站内改接线较为复杂，需要的时间较长。融冰前需进行直流停运专检修操作，办理相关工作票吉星改接线，融冰后也要进行相应工作。

②需要交流系统提供较大的功率。故障跳闸后对两册交流系统的扰动较大。 ③控制软件较为复杂，需要对控制保护软件进行修改。 ④启、停操作较为复杂，操作步骤严格。

⑤软件内置位较多，存在OWS状态显示和现场不一致的现象。

7 结语

循环阻冰模式的最大优点是不增加一次设备投资，对控制保护系统软件功能的修改也很少，

容易实施；同时对相关交流系统影响小，尤其适合在冬季低负荷时段使用；另外 ,只要做好覆冰监测和气象预警，及时启用预防性融冰运行模式，在绝大多数情况下都能够防止线路受到冰灾影响。

并联融冰模式的最大优点是线路发热量大，融冰速度快。但需少量增加换流站一次设备投资，对控制保护系统软件功能较大大，不易实施；需相关交流系统提高较大功率，融冰过程中故障跳闸对两端交流系统影响较大；但适用于极端恶劣天气 ，特别是冰雪灾害天气。

两种融冰模式的使用将大大增加直流输电线路的抗冰灾能力，提高特高压直流输电工程防冰、抗冰能力，提高特高压直流输电系统乃至整个电力系统的可靠性。

参考文献：

[1] 刘泽洪 直流输电线路覆冰与防治 中国电力出版社 2012年4月

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[2] 李政敏 输电线路履冰的危害及防护 电瓷避雷器 2006年第2期 [3] ABB Operating Instruction for De-icing modes 1JNL100137-083 Rev. 02 [4] 张庆武 特高压直流输电线路融冰方案

[5] 国家电网公司北京经济技术研究院 混合融冰模式试验报告

作者简介：

余春波，男，1982年2月生，2004年7月参加工作，毕业于华中科技大学电气工程及其自动化专业，大学本科学历，现在国家电网公司运行分公司宜宾管理处锦屏换流站工作，电气工程师，主要从事特高压直流运检工作。

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