500kV直流融冰兼动态无功补偿系统研发与工程试点

申屠刚1,程极盛2,江道灼1,金文德2,郭 捷1

(1.浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027; 2.浙江省电力公司,浙江省杭州市310007)

摘要:介绍了以金华500kV 双龙变电站为工程试点的500kV 直流融冰兼动态无功补偿系统,叙述了可控整流器型直流融冰兼动态无功补偿装置、融冰专用直流母线及移动式母线连接器的原理、结构、功能与特点。该系统采用多项专利技术,具有在直流融冰与无功补偿2种工作模式之间切换时不改变直流融冰兼动态无功补偿装置内部主电路和控制程序结构,只需通过外部隔离开关矩阵的简单切换操作,即可在对电网运行影响最小的前提下实现工作模式切换,以及融冰模式下同一线路不同相别或不同线路之间的平衡(循环)融冰切换操作等突出优点。

关键词:输电线路覆冰;直流融冰兼动态无功补偿装置;融冰专用直流母线;移动式母线连接器中图分类号:TM76

收稿日期:2009206226;修回日期:2009208228。已申请国家发明专利(申请号:2008101203722)。

0 引言

架空线路覆冰严重危害电力系统安全,因此其防除冰问题备受关注。交流短路电流融冰需消耗大量无功功率,变电站一般难以提供,故不适用于500kV 及以上线路[122];直流短路电流融冰具有融冰电源容量要求易满足、有效作用距离长等优点,是更为可行的方案[324]。近年来,国内对直流融冰技术和融冰装置进行了积极的研究[528],开发出了具有融冰功能和兼具SV C 功能的2类直流融冰装置并投入实际工程应用,对解决输电线路覆冰问题起到了良好的作用。但目前已投运的直流融冰装置主要存在以下不足:

1)对于单一功能的直流融冰装置,绝大部分时间(线路不需融冰)处于闲置状态,装置的利用率低,投入融冰之前必须进行全面检查和试验,否则其运行安全、可靠性难以保证;

2)对于兼具SVC 功能的直流融冰装置,其在无功补偿与直流融冰2种模式下的主电路拓扑结构和控制方式完全不同,每次改变工作模式后都相当于一台新的装置,因此投入运行前必须进行全面检查与试验。

此外,已投运装置对于同一回覆冰线路三相平衡融冰和同一变电站多回覆冰出线轮换融冰的切换操作不够灵活、便捷。

本文介绍的金华500kV 双龙变电站直流融冰兼动态无功补偿系统,具有融补兼顾、切换便捷、操

作简单、接入灵活、易于实施的特点,能够有效解决上述问题。

1 直流融冰兼动态无功补偿系统的组成

双龙变是浙江乃至华东电网中的主要枢纽变电站之一,为解决无功平衡与电压波动问题,该变电站已配置常规并联补偿装置,但其无功补偿容量并非连续可调;该站共有10回500kV 出线,其走廊多分布于山区,极易遭受冰雪灾害。因此,考虑在双龙变安装直流融冰兼动态无功补偿系统。

该系统主要由直流融冰兼动态无功补偿装置和线路覆冰在线监测系统等组成,如图1

所示。

图1 直流融冰兼动态无功补偿系统结构F ig.1 Str uctur e of D C deicer 2SVC system

直流融冰兼动态无功补偿装置,平时工作在无

功补偿模式并提供连续可调的动态无功补偿;当输电线路发生覆冰时,融冰切换操作机构只要进行简单的开、合操作,即可便捷、可靠地切换到直流融冰模式(包括同一线路不同相别或不同线路之间轮换融冰的切换/接入操作),为覆冰线路提供融冰电流。线路覆冰在线监测系统由现场监测装置和覆冰状态分析平台等组成,能实时监测线路的覆(融)冰状态,

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第33卷 第23期2009年12月10

日Vol.33 No.23Dec.10,2009

为融冰作业的启动、终止和融冰切换操作提供数据支持和决策依据。有关线路覆冰在线监测技术和设备的研发在国内相对较为成熟[9210],本文不再讨论。

2 直流融冰兼动态无功补偿装置电路结构

根据构成原理的不同,直流融冰兼无功补偿装置大致可分为晶闸管控制电抗器(TCR)型和可控整流器型2种。图2为T CR 型直流融冰兼动态无功补偿装置(简称TCR 型装置)的主电路原理结构。

TCR 型装置的特点是:在无功补偿模式下运行时响应速度快,且所产生的谐波较小;但在无功补偿与直流融冰2种模式下的主电路拓扑结构和控制方式完全不同,亦即改变运行模式时,装置需退出运行以更改主电路接线和控制方式,这是它的致命弱点。

相比之下,可控整流器型直流融冰兼无功补偿装置虽在无功补偿模式下运行时所产生的谐波(安装的滤波器容量)相对较大,响应速度也略慢,但其最大优点是:只需通过外部隔离开关的简单分合操作,就能实现无功补偿与直流融冰运行模式之间的

切换,且2种运行模式下的主电路拓扑结构和控制方式基本不变,

从而确保装置的运行可靠性。

图2 TCR 型装置主电路

Fig.2 Cir cuits of TCR DC deicer 2SVC installation

可控整流器型装置可采用单桥(三相6脉)或双桥(六相12脉,参见图3)结构,后者在主电路结构、控制策略等方面较前者复杂,单位容量成本也较高,但产生的谐波较小且谐波次数较高,利于滤波处理和提高电能质量等系统品质因素。在进行综合分析比较后,最终确定采用带整流变的双桥12脉设计方案,其一次系统接线如图3

所示。

图3 带整流变三相12脉可控整流器型装置主电路

Fig.3 Circuit of 32phase 122pulse contr olled r ectif ier based DC deicer 2SV C installa tion with a rectifor mer

图3中,直流融冰兼动态无功补偿装置由LC

滤波兼无功补偿器组(其中5次、7次滤波器为滤除系统对应背景谐波而装设)、整流变、可控硅整流桥、直流电感L d 、直流侧短接闸刀G D 、50H z 滤波器及融冰切换操作机构(包括隔离开关矩阵G M 、移动式母线连接器和融冰专用直流母线)等组成;短接器位于双龙变500kV 出线末端(即该线路连接的对侧站),在线路需要融冰时用来短接其末端;G M(1~6)为融冰接入/切换闸刀,且运行在无功补偿模式时,G D 闭合、G M(1~6)打开;运行在直流融冰模式时,G D 打开、G M(1~6)可按一定规律预设三开三闭模式,以实现三相轮换平衡融冰(如1/5/6闭、2/3/4开y 融冰

y 2/4/6闭、1/3/5开y 融冰y 3/4/5闭、1/2/6开y 融冰等)。

可控整流器型装置经2台35kV/6.5kV 的整流变压器(接线方式分别为D,d 和D,y)接入系统,这是基于如下考虑:

1)暂不考虑双龙变2回长度大于250km 的500kV 出线(与福建联网)的融冰问题,其余8回500kV 出线的长度均在100km 范围内,所需直流融冰电源电压最高不超过20kV,整流变桥侧电压额定值取6.5kV ,可在确保所需最高融冰电源电压

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2)采用12脉整流桥,可显著降低装置运行过程中所产生的谐波污染,从而减小滤波器的设计容量,改善交流系统的电流波形;

3)有效降低装置(包括滤波兼无功补偿器组)的设计(额定)容量和体积,节省装置成本和现场改造成本。

3直流融冰兼动态无功补偿装置的基本工作原理

3.1装置运行于无功补偿模式时

当图3中的直流侧短接闸刀G D闭合、隔离开关矩阵G M(1~6)全部断开,同时移动式母线连接器、短接器也不与输电线路相连时,直流侧经电感L d短接的带整流变12脉可控硅整流桥和LC滤波兼无功补偿器组(其中5次、7次滤波器为滤除系统对应背景谐波而装设)构成一台动态无功补偿装置,并由L2C滤波兼无功补偿器组提供固定容量的容性补偿无功(Q C),由直流侧经电感L d短接的可控硅整流桥提供连续可调的感性补偿无功(-Q L),从而总的无功补偿容量为Q2=Q C-Q L,连续可调。

稳态情况下,有

Q L=2.7UI d sin A+C

2

U2.7UI d

Q C=E U21X1C n-X1L n-1

Q2=Q C-Q L=E U21X1C n-X1L n-1-

2.7UI d

式中:U为35kV母线运行电压有效值;C n和L n分别为第n次(n=5,7,11,13,17)滤波器的电容、电感值;I d为直流电流平均值;A为整流桥触发滞后角。

这说明装置在无功补偿模式且稳态运行时,A+ C/2U90b,Q2与I d之间为线性关系(假设U和X1不变,C n和L n在滤波器设计好后是定值),因此可通过控制I d,如采用闭环比例积分(PI)控制,在一定范围内实现对Q2的连续调节。

值得说明的是,鉴于L2C滤波兼无功补偿器组的双重作用,其参数设计也相对复杂一些,一般根据容性无功总补偿容量的需求,首先将其在各次谐波滤波器组中进行平衡分配(低次多、高次少),然后计算出各次谐波滤波器组所需的电容、电感值,最后进行仿真验证,必要时还要进行参数微调,直至满足要求。3.2装置运行于直流融冰模式时

当图3中的直流侧短接闸刀G D断开、隔离开关矩阵G M(1~6)按一定的组合方式(三闭三开,如1/5/6闭合、2/3/4断开等)闭合,同时移动式母线连接器和短接器接入相应的待融冰线路时,12脉可控硅整流桥相当于一台直流融冰电源装置,L2C滤波兼无功补偿器组则负责提供装置工作过程中所需的绝大部分容性无功,以减轻电网无功容量(容性)负担,利于系统无功平衡和母线电压的安全稳定运行,同时滤除装置工作时产生的谐波电流。

为防止其他运行中的输电线路感应到融冰线路的工频信号(特别是同杆并架情况下)对直流融冰电源及其控制系统的不利干扰,在直流融冰电源出口处安装了相应的50H z工频滤波装置。

装置工作于直流融冰模式时的控制方式与其运行在无功补偿模式下时完全一样,同样也是通过调节A,实现对直流融冰电流I d的控制,只不过因直流侧回路参数不一样,故而控制参数及A的可调范围不一样罢了。

4直流融冰兼动态无功补偿装置的额定融冰电流设计

有关试验研究表明[11],环境温度约-16e、风速约3.5m/s情况下,型号为LGJ2400和LGJ2500覆冰导线的最小融冰电流分别约为1050A和1200A,融冰时导线表面温度可达20e左右,融冰时间在1h~2h内;当融冰电流分别提高到约1400A和1600A时,可在约0.5h内对覆冰厚度约2cm的导线实现快速融冰,此时导线表面温度可达约80e。

对截面积S=400mm2的铝导线进行通流温升仿真(仿真环境为:电阻率Q=26.38#mm2/km的无限长导线、放置在一个截面40m@40m、周围温度0e、无风的长房间内,导线外表面自然冷却),结果表明,当导线中长时间流过1250A电流时,其表面温度不超过85e。这辅证了文献[10]试验结论的正确性。

综合考虑双龙变电站10回500kV出线实际情况及当地气象统计数据、投资成本等因素后,确定直流融冰兼动态无功补偿装置的额定输出直流电压/电流=17.6kV/5kA,即只考虑其中8回(6回LGJ24@400,2回LGJ24@630)长度不超过100km 出线的融冰问题。

5工作模式的切换

假设装置平时在动态无功补偿模式下运行(同

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时验证其工作可靠性),当需要切换到融冰模式下工作时,具体操作步骤如下:

1)操作相关断路器使待融冰线路退出运行,然后用短接器将其末端短接;

2)操作移动式母线连接器,使待融冰线路与融冰专用直流母线相连接;

3)操作隔离开关矩阵G M(1~6),并构成组合方式为三开三闭的开关状态(如1/5/6闭合、2/3/4断开等),以便直流融冰电源按要求接入待融冰线路;

4)装置正常停机(无需退出运行),使其直流侧输出电流约为0,然后打开整流桥直流侧短接闸刀G D ,完成工作模式的切换操作,并使直流融冰电源极线接入待融冰线路;

5)设定融冰电流定值后重新启动装置,在控制器的控制下,直流融冰电流将逐渐从0上升到设定值并开始对覆冰线路进行融冰。

由上可见,装置的工作模式切换只需简单地执行停、开机和若干隔离开关的打开与闭合操作即可完成,不影响其内部主电路(整流桥)接线及其控制方式,也不用退出运行,因此现场操作极为简单、方便。

6 融冰模式下的平衡(循环)融冰

因为存在如下一些情况,直流融冰装置必须具备可方便实现循环(平衡)融冰操作的功能:

1)站内多回出线可能同时出现危及安全的覆冰现象,遇上像2008年初那样的持续雨雪冰冻天气,融冰后的线路还会再次覆冰,须对其再次乃至多次(循环)融冰,故需考虑多回覆冰线路的融冰次序及循环优化问题;

2)直流融冰时,目标线路一般采用末端三相短接,始端一相接直流融冰电源正/负极、另两相并联后接直流融冰电源负/正极构成融冰回路(简称A+B//C 或B+C//A 或C+A//B)的接线方式,所以流过并联两相(如B 相、C 相)导线的融冰电流只有非并联相(如A 相)的一半左右,也就是说,当A 相导线完全融冰时,B 相、C 相导线不能实现完全融冰,因此需要考虑三相导线的平衡融冰问题。

为此,专门研发了一套能够方便、可靠地对同一线路不同相别(或不同线路之间)实施平衡(循环)融冰切换的操作机构)))融冰切换操作机构,主要由融冰专用直流三母线、移动式母线连接器和隔离开关矩阵G M 这3部分组成,如图4

所示。

图4 基于专用融冰切换装置的平衡(循环)融冰切换操作示意图F ig.4 Illustra tion for balance de 2icing based on de 2icing switching insta llation

图4中,融冰专用直流三母线沿变电站围墙架

设,用以将运行在直流融冰模式下的装置输出直流融冰电流引至500kV 线路出线端附近的配电装置上;移动式母线连接器主要由机动车、升降式连接开关(闸刀)等构成,用来建立融冰专用母线和目标线路(需先退出运行)之间的连接;隔离开关矩阵G M(1~6)由6只电动隔离开关组成,通过编码控制,能方便、可靠地实现4种开关状态(其他开关状态闭锁)之间的切换操作,即无功补偿模式下(此时G D

接通)的全开断状态和直流融冰模式下(此时G D 开断)用以实现三相轮换平衡融冰的3种开关状态(每种开关状态均为三开三闭,如A +B//C 融冰对应G M(1,5,6)闭合、G M(2,3,4)断开,B+C//A 融冰对应G M(2,4,6)闭合、G M(1,3,5)断开,C+A//B 融冰对应G M(3,4,5)闭合、G M(1,2,6)断开等)。

以对安龙5466线实施平衡融冰为例,其操作步

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1)操作安龙5466线双龙站侧与信安站侧断路器使其退出运行,然后用短路器将其末端(信安站侧)短接;

2)操作移动式母线连接器(每相1台),使双龙站侧安龙5466线的A,B,C三相导线与直流三母线一一对应接通;

3)操作隔离开关矩阵,使G M(1,5,6)闭合、G M(2,3,4)断开,构成A+B//C融冰接线方式;

4)装置正常停机(无需退出运行),使其直流侧输出电流下降至约为0,然后断开直流侧短接闸刀G D,完成工作模式的切换操作,并使直流融冰电源极线接入待融冰线路;

5)设定融冰电流定值(如5kA)后重新启动装置,直流融冰电流将在控制器控制下逐渐上升至设定值,并开始对安龙5466线的A相进行融冰,同时监视线路覆冰及受力等状态;

6)当监测到A相导线覆冰脱落(或到达平衡融冰切换时刻)时,首先装置正常停机(使其输出直流下降到约为0),然后操作隔离开关矩阵,使G M(2,4,6)闭合、G M(1,3,5)断开,构成B+A//C融冰接线方式;

7)重新启动装置(必要时可重设融冰电流定值),在控制器控制下融冰电流将逐渐上升到设定值,并对安龙5466线的B相进行融冰,同时监视线路覆冰及受力等状态;

8)当监测到B相导线覆冰脱落(或到达平衡融冰切换时刻)时,首先装置正常停机(使其输出直流下降到约为0),然后操作隔离开关矩阵,使G M(3,4,5)闭合、G M(1,2,6)断开,构成C+A//B融冰接线方式;

9)重新启动装置(必要时可重设融冰电流定值),在控制器控制下融冰电流将逐渐上升到设定值,并对安龙5466线的C相进行融冰,同时监视线路覆冰及受力等状态;

10)当监测到C相导线覆冰脱落(或到达平衡融冰切换时刻)时,表明安龙5466线已完全融冰(或多条线路同时严重覆冰情况下,该线路覆冰已不构成威胁),装置正常停机,然后操作移动式母线连接器,使该线路始端与融冰专用直流母线脱离(同时撤除其末端的短接器),并合上两端断路器使其恢复正常运行。

结束安龙5466线融冰后,若还有其他线路需要融冰,则重复步骤1~步骤10执行融冰过程即可。

由上可知,专门研制的融冰切换操作机构可在不影响站内500kV母线的接线方式及其运行可靠性前提下,简单、灵活、可靠地实现平衡(循环)融冰切换操作。

7直流融冰兼动态无功补偿系统的特点金华双龙变/500kV直流融冰兼动态无功补偿系统0采用了多项专利技术(包括新申请专利技术),目前该系统的研制、安装、调试工作已全部完成,并于2009年11月14日)19日成功进行了动态无功补偿和直流融冰运行试验,各项性能指标均达到了设计要求。该系统具有如下特点:

1)所研制的直流融冰兼动态无功补偿装置(专利技术),能够在平时(正常气候条件下)对双龙变(通过35kV母线)实施动态无功补偿,以利于该站母线电压稳定和提高电网安全稳定经济运行水平;低温雨雪冰冻天气条件下能够用来对该站500kV 出线(专用直流母线延伸后也可对220kV出线)进行融冰,以防止这些线路因严重覆冰导致断线、倒塔事故,造成重大损失;

2)利用自主研发的融冰切换操作机构(专利技术),可在对电网运行方式影响最小的前提下,安全、方便地实现装置在直流融冰与无功补偿2种工作模式之间,以及融冰模式下同一线路不同相别或不同线路之间的平衡(循环)融冰切换操作,无需改变其内部主电路接线和控制程序结构,有效保证了装置的可靠性,且现场操作简单、步骤少,运行人员易掌握;

3)装置核心部分采用带降压整流变压器的双桥12脉可控硅整流桥设计方案,显著降低了谐波电流比率和滤波器设计容量,改善了交流系统电流波形,有效降低了直流侧融冰工作电压和装置造价;

4)密切结合项目试点工程实际情况,实现所选择的融冰线路针对性强,现场工程改造工作量小,以及工程实施过程中不影响电网的安全稳定运行,对正常运行的影响最小。

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程极盛(1954)),男,副总工程师,主要研究方向:电力系统运行调度、生产安全与管理。E 2mail:cheng _jisheng @zpepc.com.cn

江道灼(1960$),男,通信作者,教授,主要研究方向:交直流电力系统运行与控制技术、电力电子及柔性交流输电应用技术、电力系统现场智能测控技术等。E 2mail:dzjiang@zju.edu.cn

Research and Pilot Project of DC Deicer 2SVC System for 500kV Transmission Lines

S H ENT U Gang 1,CH EN G J isheng 2,J I ANG Daoz huo 1,J I N Wende 2,GUO J ie 1

(1.Zhejiang Univer sity,H angzhou 310027,China;2.Zhejiang Electr ic Power Cooperation,H angzhou 310007,China)Abstr act:This paper introduces the DC deicer 2SVC system in a pilot pr oject in Shuanglong 500kV Substation of Jinhua,

Zhejiang Pr ovince.The pr inciples,structur es,functions and featur es of the contr olled r ect ifier based DC deicer 2SVC insta llat ion,deicing DC bus and mobile bus 2connector ar e illustrated in detail.Supported by several propr ietary technologies,this system can wor k in ÷deicer mode"or ÷SVC mode

Key words:t ransmission line icing;DC deicer 2SVC installat ion;deicing DC 2bus;mobile bus 2connector

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