直流融冰的主回路设置方法技术背景

输电线路在冬季覆冰严重威胁电力系统的安全运行。由于导线上增加了冰载荷，对导线、铁塔和金具都会带来一定的机械损坏，覆冰严重时会断线、倒杆塔，导致大面积停电事故，对中国国民经济造成重大损失。

中国国内外研究融冰的几种思路为：将电能转化为热能融冰；将电能转化为机械能以破坏输电线上的覆冰的物理结构，达到使覆冰脱落的目的；直接破坏物理结构的机械法除冰。

中国自20世纪70年代以来就一直在220千伏以下线路上采用交流短路方法对严重覆冰线路进行融冰，对防止冰灾起到了较好的作用。由于交流融冰需要很高的热量，且交流线路存在电抗，致使220千伏及以下线路融冰时要求的融冰电源容量是线路实际融冰功率的5～10倍；对于500千伏以上超高压和特高压交流输电线路融冰时要求的融冰电源容量是线路实际融冰功率的10～20倍。在实施交流电流短路融冰时往往存在融冰电源容量远远不足的问题。因此，对于500千伏或更高电压等级输电线来说，由于难以找到满足要求的融冰电源，采用交流短路融冰方案不可行。

由于交流短路融冰法的局限，国际上自20世纪80年代开始就一直在探讨直流融冰的可能和开发直流融冰装置。与传统的三相交流短路融冰方法相比，直流融冰技术也是利用短路电流融冰方法，但融冰电流为直流，其电源由系统主变低压侧提供。该方法下线路等效阻抗主要取决于线路电阻参数，远小于交流短路融冰时线路阻抗，对融冰电源容量要求低。通过大量实践经验的总结，发现采用直流融冰是一种切实可行、经济有效的防止冰灾事故发生的技术方法和措施。中国国外已经开始进行相关装置的研制。

1998年的北美冰风暴灾难后，魁北克水电公司考虑了各种线路融冰措施。通过加强网架的办法带来的投资巨大，而交流短路融冰不能解决200千米范围的线路覆冰问题。所以，最终选择了与AREVA公司合作，投入2500万欧元开发了一套高压直流融冰装置，该装置装设于魁北克的Lévis变电站。但截至2009年3月6日，该装置还没有完成现场调试。

截至2009年3月6日，中国国内外提出直流融冰装置，未见采用该发明提出的技术方案。在AREVA公司方案和中国电力科学研究院申请专利200810223583.9中采用主接线重构方式实现融冰和SVC功能，设备及接线复杂；都不具备《直流融冰的主回路设置方法》的方案接线简单，对系统的谐波影响很小，不必配置滤波器组等优点。

Areva方案中：直流融冰装置在融冰工作方式时，交流侧采用三绕组变压器的一个中压绕组（43千伏）同时经过换相电抗器（分别连接两个6脉动换流器，共两组各3台电抗器）分别连接两个6脉动换流器的方式；直流侧采用两个6脉动换流器的输出通过均流电抗器并联的方式。

在动态无功补偿（SVC）工作方式时，交流侧需将一组3台换相电抗器改接线到三绕组变压器的一个低压绕组（20千伏），再连接到一个6脉动换流器，并且只使用该6脉动换流器中间部分可控硅阀；该6脉动换流器可控硅阀正反并接后再连接到另一组3台换相电抗器。该方式是典型的三角形连接的TCR（晶闸管控制电抗器型静止无功补偿）接线。

直流融冰的主回路设置方法专利目的

《直流融冰的主回路设置方法》的目的：提出直流融冰的主回路设置方法，适用于高压及特高压电网输电线路的融冰，通过扩展直流融冰回路的少量一次设备，实现将无功控制功能作为直流融冰装置的辅助功能，提供线路需要的感性无功功率的功能，进行动态无功补偿。

直流融冰的主回路设置方法技术方案

《直流融冰的主回路设置方法》的技术方案是：

直流融冰的主回路设计方法，包括三相三绕组整流变压器、12脉动整流装置、控制保护装置、自动切换装置和直流侧刀闸，三相三绕组整流变压器的接线组采用D/d0/y11或Y/y0/d11接线、三相三绕组整流变压器的两个低压侧绕组相位移30度，其特征是：三相三绕组整流变压器的2组低压侧的三相输出分别连接到12脉动整流装置的2个阀组的三相输入，12脉动整流装置的正负极输出在直流融冰方式时分别通过直流侧开关连接到需要进行融冰的三相交流线路，形成直流融冰主回路（如图2所示），可对三相交流线路进行直流融冰；在无功补偿方式扩展一次设备可分别形成直流融冰主回路（如图4、图5所示）。

其中，如图3所示，增加第一组电抗器和转换开关刀闸，在整流变压器与整流装置之间每相串连1台电抗器L_TCR，每台电抗器两侧和一把转换开关刀闸并联（如图3所示），根据需要可以增加滤波器。

其中，如图4所示，闭合并联的转换开关刀闸电抗器L_TCR旁路（即短接），则主回路进入融冰运行状态；打开并联的转换开关刀闸将电抗器L_TCR连接至换流器，再把直流融冰装置的正、负极母排与两个阀组之间的中性点母线之间短接，则主回路进入无功补偿运行状态，作为晶闸管控制的星形连接的可控电抗器运行。

其中，如图5所示，另设有第二组电抗器和转换开关刀闸，每台电抗器两侧和一转换开关刀闸并联，并在换流器两个阀组的直流侧和交流侧增加连接线，每台电抗器两侧和一转换开关刀闸串联接在连接线上，分别按照“直流侧A相接交流侧B”，“直流侧B接交流侧C”和“直流侧C接交流侧A”的方式连接，打开转换开关刀闸将电抗器L_TCR连接至换流器，则主回路进入无功补偿运行状态，作为晶闸管控制的三角形连接的可控电抗器运行。

由于整流变压器采用D/d0/y11或Y/y0/d11接线，副边两个绕组相位移30度；融冰整流装置采用12脉动接线方式，融冰装置运行时对系统的谐波和无功影响很小。以用于500千伏交流线路融冰的60兆瓦固定式直流融冰装置为例，其直流融冰运行时需要的有功、无功和滤波的总容量约为75兆伏安，通常不到变电站500千伏主变35千伏侧容量的1/3，对系统影响很小；直流融冰装置运行时产生的谐波是12k±1次谐波，k为1，2，3，...，即融冰装置运行时产生的谐波主要是11、13次等特征谐波。融冰装置运行时产生的谐波对系统影响很小，对融冰装置本身的稳定运行没有影响，但是35千伏侧略超过相关中国国家标准，融冰运行时可以不必装设交流滤波器设备；对500千伏侧和220千伏侧的电压谐波畸变影响很小，满足相关中国国家标准。

融冰整流装置对三相线路采用的融冰方式为：退出运行的线路，通过二相/三相的自动切换装置，由控制装置来自动切换三相线路连接到整流装置，保证三相线路均衡融冰，切换过程中整流装置及开关的操作都由自动顺序控制来实现。这种融冰方式的特点是三相线路融冰程度均衡，不会产生三相导线的张力差并对杆塔造成影响。该技术具体可以参考同时提出的另一申请“直流融冰三相交流线路自动切换的方法”中。

直流融冰的主回路设置方法改善效果

《直流融冰的主回路设置方法》有益效果：融冰装置兼具有SVC功能，通过扩展一次设备，融冰装置在不承担融冰功能时可以兼做静止型动态无功补偿装置，进行动态无功补偿，充分利用用户投资；同时回路接线简单，有效地解决日常运行维护的问题。与AREVA技术方案亦有所不同，AREVA技术方案采用设备较多、接线复杂，在进行直流融冰和无功补偿（SVC）工作方式转换时，改接线工作量很大；且直流融冰和无功补偿（SVC）工作时都必须配置交流滤波器。

图1为带整流变压器12脉动融冰整流装置的系统原理接线图；

图2为《直流融冰的主回路设置方法》实施方式一：单纯作为的融冰功能的主回路图；

图3为《直流融冰的主回路设置方法》实施方式二：作为融冰功能的主回路图；

图4为《直流融冰的主回路设置方法》实施方式三：兼作星形连接的晶闸管控制的可控电抗器的主回路图；

图5为《直流融冰的主回路设置方法》实施方式四：兼作三角形连接的晶闸管控制的可控电抗器的主回路图；

图2~图5中：S1a-1、S1b-1、S1c-1，S2a-1，S2b-1，S2c-1分别为整流装置交流侧增加配置的转换开关刀闸；S1a-2、S1b-2、S1c-2，S2a-2，S2b-2，S2c-2分别为整流装置直流侧增加配置的转换开关刀闸；S1a、S1b、S1、S2a、S2b、S2c分别为原有的直流侧开关刀闸；L_TCR为增加配置的电抗器。

《直流融冰的主回路设置方法》涉及直流融冰的主回路设置方法，尤其涉及适用于高压及特高压电网输电线路的融冰和无功补偿主回路设置。

1、直流融冰的主回路设置方法，包括三相三绕组整流变压器、12脉动整流装置、控制保护装置、自动切换装置和直流侧刀闸，三相三绕组整流变压器的接线组采用D/d0/y11或Y/y0/d11接线、三相三绕组整流变压器的两个低压侧绕组相位移30度，三相三绕组整流变压器的两组低压侧的三相输出分别连接到12脉动整流装置即换流器的两个阀组的三相输入，12脉动整流装置的正负极输出在直流融冰方式时分别通过直流侧开关连接到需要进行融冰的三相交流线路，形成直流融冰主回路，对三相交流线路进行直流融冰，其特征是设有第一组电抗器和转换开关刀闸，在三相三绕组整流变压器与12脉动整流装置之间每相串连一台所述电抗器，每台所述电抗器两端与一转换开关刀闸并联；闭合并联的转换开关刀闸，即所述电抗器旁路，则直流融冰主回路进入融冰运行状态；打开并联的转换开关刀闸将所述电抗器连接至12脉动整流装置，再把直流融冰主回路的正、负极母排与两个阀组之间的中性点母线之间短接，则直流融冰主回路进入无功补偿运行状态，作为晶闸管控制的星形连接的可控电抗器运行。

2、如权利要求1所述的直流融冰的主回路设置方法，其特征是另设有第二组电抗器和转换开关刀闸，在12脉动整流装置与融冰装置之间每相中串连所述第二组的一台电抗器，所述第二组每台电抗器两端和一转换开关刀闸并联，并在12脉动整流装置两个阀组的直流侧和交流侧增加连接线，所述并联连接的第二组电抗器和转换开关刀闸串联接在所述连接线上，分别按照“直流侧A相接交流侧B”，“直流侧B接交流侧C”和“直流侧C接交流侧A”的方式连接；打开并联的转换开关刀闸将所述第二组电抗器连接至12脉动整流装置，则主回路进入无功补偿运行状态，作为晶闸管控制的三角形连接的可控电抗器运行。

直流融冰的主回路设置方法操作内容

《直流融冰的主回路设置方法》将无功控制功能作为直流融冰装置的辅助功能，扩展一次设备可兼顾可控电抗器功能。基本方法是，在融冰装置的一次设备中增加电抗器、开关等设备，在控制保护系统系统中设置相应无功补偿的功能。并根据交流母线上谐波的情况配上相应的滤波器，使直流融冰装置成为静止无功补偿器（SVC）。

融冰装置作为电力系统内比较特殊的设备，其融冰功能只在冬季线路覆冰的情况下才需要运行，每年可能只运行有限的天数；在其余时间将其用于静止无功补偿器，可提供线路需要的感性无功功率的功能，还可同时有效地解决运行维护的问题，充分利用用户投资。

用于500千伏交流线路固定式直流融冰装置和用于220千伏、110千伏交流线路并接入变电站35千伏系统的移动式直流融冰装置的电源可通过电缆或管母线直接引自变电站500千伏主变35千伏侧，经整流变压器连接整流装置，其原理接线如图1所示。

直流融冰的主回路设置方法实施案例

《直流融冰的主回路设置方法》的具体实施方式有以下四种，可根据系统情况进行选择：

1、实施例一

包括采用D/d0/y11或Y/y0/d11接线、副边两个绕组相位移30度的三相三绕组整流变压器，12脉动整流装置，控制保护装置，自动切换装置和直流侧刀闸，其特征是：三相三绕组整流变压器的2组低压侧的三相输出分别连接到12脉动整流装置的2个阀组的三相输入，12脉动整流装置的正负极输出在直流融冰方式时分别通过直流侧开关连接到需要进行融冰的三相交流线路，形成直流融冰主回路（如图2所示），可对三相交流线路进行直流融冰。

采用带整流变压器12脉动融冰整流装置，可以针对不同类型和长度的线路，设计选择整流变压器输出电压，利于整流器工作点的选择；融冰装置通过整流器触发角调节，提供需要的融冰电流和直流电压，适应性较好；并且整流变压器提供交流/直流的隔离，满足故障情况下限制可控硅阀短路电流的要求。

整流变压器采用D/d0/y11或Y/y0/d11接线，副边两个绕组相位移30度；融冰整流装置采用12脉动接线方式，融冰装置运行时对系统的谐波和无功影响很小。以用于500千伏交流线路融冰的60兆瓦固定式直流融冰装置为例，其直流融冰运行时需要的有功、无功和滤波的总容量约为75兆伏安，通常不到变电站500千伏主变35千伏侧容量的1/3，对系统影响很小；直流融冰装置运行时产生的谐波是12k±1次谐波，k为1，2，3，...，即融冰装置运行时产生的谐波主要是11、13次等特征谐波。融冰装置运行时产生的谐波对系统影响很小，对融冰装置本身的稳定运行没有影响，但是35千伏侧略超过相关中国国家标准，融冰运行时可以不必装设交流滤波器设备；对500千伏侧和220千伏侧的电压谐波畸变影响很小，满足相关中国国家标准。

2、实施例二和实施例三

在具体实施方式一主接线的基础上，需要在换流变压器与融冰装置之间每相中串连1台电抗器，每台电抗器回路两侧和一把转换开关刀闸相并联，共需要6台电抗器和6把转换开关刀闸，根据需要可以配置若干个滤波器。在交流侧增加配置的转换开关刀闸需按照电力系统安全要求进行配置。

融冰装置换流器直流侧短接，交流侧利用转换开关刀闸倒换接线连接电抗器作为晶闸管投切的星形连接的可控电抗器（TCR）运行。整流变压器两个副边绕组连接的设备如图3所示。换流器在这种模式下变为每相两个反并联的晶闸管阀组的运行方式，对电抗器L_TCR进行投切或连续控制。当采用投切控制方式（投切控制：晶闸管按照全导通或不导通方式工作）时，优点是不存在谐波问题，损耗较小，可以进行固定的无功调节。当采用连续控制方式（连续控制：晶闸管按照触发角连续控制）时，融冰装置作为星形连接的TCR运行，具备连续的无功调节能力。

进行融冰时：闭合整流变压器交流侧转换开关刀闸将电抗器L_TCR回路旁路（即短接），即为具体实施方式二，如图3所示。

进行无功补偿时：打开转换开关刀闸将电抗器L_TCR连接至换流器，将直流融冰装置的正、负极母排与两个阀组之间的中性点母线之间短接，即为具体实施方式三，如图4所示。

在两个阀组上各串3台电抗器可使融冰装置两个阀组平衡的运行，且对交流系统的无功补偿容量增加一倍。电抗器参数由站内需要融冰装置吸收的感性无功量、主变容量以及融冰装置的容量共同决定。

直流融冰装置转变成静止型动态无功补偿（SVC）装置运行时，只需要通过打开转换开关刀闸，并将直流融冰装置的正、负极母排与两个阀组之间的中性点母线之间短接即可实现，直流融冰装置一次设备的其它部分不需要做任何变动。这种转换方式使现场运行人员对融冰装置的操作与维护简单、易行。也大大降低了由于一次系统的拓扑结构发生较大变化而引起的风险。

3、实施例四

在具体实施方式一主接线的基础上，需要在换流变压器与融冰装置之间每相中串连1台电抗器，每台电抗器回路两侧和一把转换开关刀闸相并联，共计需要6台电抗器和6把转换开关刀闸，根据需要可以配置干个滤波器。整流器的两个阀组的直流侧和交流侧需要增加连线，按照“直流侧A相-交流侧B”，“直流侧B-交流侧C”，“直流侧C-交流侧A”的方式进行接线（如图5所示）。在交流侧增加配置的转换开关刀闸需按照电力系统安全要求进行配置。

换流器直流侧通过融冰装置的转换开关刀闸改接线，交流侧利用转换开关刀闸倒换接线连接到三相/六台电抗器作为晶闸管控制的三角形连接的可控电抗器运行（TCR）。整流变压器每个副边绕组连接的设备如图5所示。换流桥在这种模式下变为每相两个反并联的晶闸管阀组的运行方式，对电抗器L_TCR进行连续控制。

图5中方案与通常的静止型动态无功补偿的TCR接线方式一致，即采用三角形方式。作为TCR运行情况下，装置具备连续的无功调节能力。

4、作为无功补偿装置运行时对系统的影响及补偿效果

直流融冰装置在SVC融冰方式下运行时，可向交流系统提供感性无功功率；并且无功功率的大小可以快速、连续的调节。直流融冰装置按上述方式作为SVC运行时，对系统的谐波影响很小，不需要配置滤波器组也能保证35千伏母线电压的谐波畸变率满足中国国家相关标准。因此，在直流融冰装置做SVC运行时，35千伏母线上其它负荷都不需要退出，可以正常运行。如果35千伏母线上能配置11、13次及高通滤波器组或者电容器组，那么融冰装置处于SVC模式运行时，通过滤波器组或电容器组与融冰装置配合，还可以向交流系统提高感性或容性的无功功率，实现双向无功调节；并且补偿无功功率的大小同样可以快速、连续可调。可以有效抑制35千伏母线电压幅值在正、负两个方向的波动。

5、仿真试验验证及实际应用情况

直流融冰装置无功补偿功能的仿真试验验证：为了验证《直流融冰的主回路设置方法》的可行性，利用RTDS系统和控制保护试验样机进行了仿真。仿真结果表明，《直流融冰的主回路设置方法》实施方式可有效满足交流线路融冰需求；融冰装置在不承担融冰功能时可以兼做SVC，进行动态无功补偿。

直流融冰装置的现场试验验证：2008年9月5日，25兆瓦站间移动式直流融冰装置样机现场试验工作在贵州电网都匀500千伏福泉变电站成功完成，试验线路为220千伏福都线，线路长57公里，最大融冰试验电流达到2000安培，试验过程中试验线路、金具、接头和直流融冰装置各设备运行正常，220千伏福都线温升达到25摄氏度。2008年10月12日，60兆瓦固定式直流融冰装置样机现场试验工作在贵州电网都匀500千伏福泉变电站成功完成，试验线路为500千伏福施II线，线路长93公里，最大融冰试验电流达到4000安培，试验过程中试验线路、金具、接头和直流融冰装置各设备运行正常，500千伏福施II线温升达到35摄氏度。

2021年6月24日，《直流融冰的主回路设置方法》获得第二十二届中国专利银奖。 2100433B