CN101882774A - 一种不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法。本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置，包括有交流侧供电断路器QF、隔离刀闸K，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc，换流器，直流侧电压互感器Udp和Udn，直流侧电流互感器Idp和Idn，直流侧刀闸S1、S2、S3和S4，本发明直流融冰装置设计合理，投资少，成本低；本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法确保直流融冰装置满足各线路安全快速融冰的需求，并降低直流融冰装置的投资。本发明是一种设计巧妙，性能优良，投资低，保护功能齐备，方便实用的不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法。

Description

一种不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法

技术领域

本发明是一种不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法，属于输电网输电线路直流融冰应用的创新技术。

背景技术

电网是关系国家能源安全和国民经济命脉的重要基础设施和公用事业，承担着为经济社会发展和国计民生提供重要的能源保障、促进经济社会可持续发展的重大责任。随着现代化水平的不断提高，全社会对电力的依赖程度越来越高，对电力供应的质量也提出了更高要求。

低温雨雪冰冻天气引起的输电线路覆冰是众多国家电力系统所面临的严重威胁之一，严重的覆冰会引起电网断线、倒塔，导致大面积停电事故，也使得快速恢复送电变得非常困难。20世纪40年代以来，冰灾的威胁一直是电力系统工业界竭力应对的一大技术难题。1998年北美风暴给美加电网带来了严重的影响，造成了范围广阔的电力中断。2005年，低温雨雪冰冻天气曾给我国华中、华北电网造成严重的灾害。2008年1-2月，低温雨雪冰冻天气再次袭击我国南方、华中、华东地区，导致贵州、湖南、广东、云南、广西和江西等省输电线路大面积、长时间停运，给国民经济和人民生活造成巨大损失。

为了防止这种情况的再次出现，对输电线路进行融冰是一种很好的方法。与交流融冰法不一样，在一定的环境条件下，直流融冰所需要的电源容量仅决定于需融冰线路的直流电阻和导线长度。与现有高压直流输电和大功率换流器的运行方式有以下两个主要不同点：

(1)由于要适用于多条线路融冰，直流融冰装置具有多个额定运行工况。

(2)直流融冰装置每年运行于融冰工况的时间非常少，年利用率不到5％。

1998年的北美冰风暴灾难后，魁北克水电公司与AREVA公司合作开发了一套直流融冰装置，该装置装设于魁北克的Lévis变电站，2008年完成完成现场调试。但是到目前为止，还没有用于过实际线路的融冰。AREVA公司方案必须配置专用整理变压器、交流滤波器、平波电抗器和直流滤波器(阻波器)，设备及接线复杂；都不具备本方案接线简单，对系统的谐波影响很小，可以不必配置滤波器组等优点。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，投资少，成本低的不带专用整流变压器的直流融冰装置。

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种确保直流融冰装置满足各线路安全快速融冰的需求，并降低直流融冰装置的投资的不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法。

本发明的技术方案是：本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置，包括有交流侧供电断路器QF、隔离刀闸K，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc，换流器，直流侧电压互感器Udp和Udn，直流侧电流互感器Idp和Idn，直流侧刀闸S1、S2、S3和S4，其中阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的一端通过隔离刀闸K及交流侧供电断路器QF与电源连接，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的另一端与换流器连接，换流器的一侧与直流侧电压互感器Udp连接及通过直流侧电流互感器Idp与直流侧刀闸S1、S2的一端连接，直流侧刀闸S1的另一端通过直流融冰母线与A相融冰导线连接，换流器的另一侧与直流侧电压互感器Udn连接及通过直流侧电流互感器Idn与直流侧刀闸S3、S4的一端连接，直流侧刀闸S4的另一端通过直流融冰母线与C相融冰导线连接，直流侧刀闸S2、S3的另一端通过直流融冰母线与B相融冰导线连接。

上述直流融冰装置的测量点布置包括交流阀侧三相电压、三相电流、直流侧电流、直流侧电压10个测量点。

上述直流融冰装置的保护区域分为交流保护区、换流器保护区和直流线路保护区三个部分。

上述直流融冰装置的保护配置为交流过电压保护、交流低电压保护、交流过流保护、阀短路保护、桥差动保护、直流过流保护、接地过流保护、晶闸管结温监视、误触发保护、直流过压保护、直流欠压保护、直流50Hz保护、直流100Hz保护、开路试验保护和融冰线路阻抗保护。

本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的直流线路保护方法，其为融冰线路直流电压差动保护，在融冰时，检测所融交流线路正负极电压之和是否超过设定值，保护分两段：

1)|Udp+Udn|＞ΔUset1

2)|Udp+Udn|＞ΔUset2

式中：Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，ΔUset1为I段(报警段)定值，ΔUset2为II段(跳闸段)定值。

本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的直流线路保护方法，其保护动作顺序如下：

1)满足|Udp+Udn|＞ΔUset1式时I段报警；

2)满足|Udp+Udn|＞ΔUset2式时II段动作移相闭锁，跳交流断路器，锁定交流断路器。

上述ΔUset1取0.05-0.1pu，延时取1000ms-5000ms；ΔUset2取0.15-0.3pu，延时取100ms-300ms。

本发明直流融冰装置设计合理，投资少，成本低；本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法确保直流融冰装置满足各线路安全快速融冰的需求，并降低直流融冰装置的投资的不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法。本发明是一种设计巧妙，性能优良，投资低，保护功能齐备，方便实用的不带专用整流变压器的直流融冰装置及其保护方法。

附图说明

图1为本发明提出不带专用整流变压器的直流融冰装置主接线及其测量点配置示意图。

图2为直流融冰装置融冰方式1的示意图。

图3为直流融冰装置融冰方式2的示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明直流融冰装置的电源可以直接取自发电机(或发电车)，但更多的是取自交流电网，常用移动式发电车额定输出电压为0.4kV，交流电网提供的可用作直流融冰电源电压主要包括35kV、10kV、6kV和0.4kV。由换流器阀侧电压决定的各类型导线融冰长度如表1所示，由直流融冰装置容量决定的各类型导线融冰长度如表2所示。从表1可以看出35kV和10kV直接作为阀侧电压时有效融冰距离可满足各种典型线路的融冰需求，从表2典型变压器35kV和10kV侧容量也能够满足各种典型线路的融冰需求。典型500kV主变、220kV主变和110kV主变低压侧短路电流小于常用普通晶闸管导通状态涌浪(非重复)电流，也即典型500kV主变、220kV主变和110kV主变均可提供换流器换相需要的换相电抗。

对于接入220kV或者110kV主变10kV侧的直流融冰装置，220kV主变或110kV主变能够提供换流器需要的换相电抗，将换流器直接接在220kV主变或110kV主变10kV侧，这种不带专用整流变压器的主接线如图1所示，采用6脉动整流，且直流侧不设接地点。这种直流融冰装置由于没有整流变压器，可较为方便地在各变电站之间移动。直流融冰装置运行时产生的无功和谐波可通过在10kV侧配置相应的滤波器组进行补偿和抑制。考虑到融冰的短时性，在一定条件下，如果能够将一台220kV主变或110kV主变10kV侧腾空以作为换流器的输入电源，则也可以不配置滤波器组进行无功补偿和谐波抑制。滤波器可以根据具体情况决定是否配置，如果配置则直流融冰装置在不作为融冰用时可转换为静止无功补偿装置(SVC)运行。

整流回路中平波电抗器的主要作用是防止电流断续、限制电流脉动和短路电流。如前所述，220kV主变能够限制短路电流。220kV线路电抗比直流电阻大4倍以上，时间常数T＝L/R＞4/314＝12.7ms，6脉动全波桥式整流的脉动周期Ts＝20/6＝3.3ms，融冰回路的时间常数大于电流脉动周期，电流不会断续，所以不需要设置专门的平波电抗器。同理，220kV主变能够提供换流器需要的换相电抗且限制短路电流，所以不需要专门设置换相电抗。

本发明提出不带专用整流变压器的直流融冰装置运行时只采用图2所示的融冰模式，不采用图3所示的融冰模式。

本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置如图1所示，包括有交流侧供电断路器QF、隔离刀闸K，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc，换流器，直流侧电压互感器Udp和Udn，直流侧电流互感器Idp和Idn，直流侧刀闸S1、S2、S3和S4，其中阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的一端通过隔离刀闸K及交流侧供电断路器QF与电源连接，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的另一端与换流器连接，换流器的一侧与直流侧电压互感器Udp连接及通过直流侧电流互感器Idp与直流侧刀闸S1、S2的一端连接，直流侧刀闸S1的另一端通过直流融冰母线与A相融冰导线连接，换流器的另一侧与直流侧电压互感器Udn连接及通过直流侧电流互感器Idn与直流侧刀闸S3、S4的一端连接，直流侧刀闸S4的另一端通过直流融冰母线与C相融冰导线连接，直流侧刀闸S2、S3的另一端通过直流融冰母线与B相融冰导线连接。

本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置测量点布置包括交流阀侧三相电压、三相电流、直流侧电流、直流侧电压等10个测量点。保护区域分为交流保护区、换流器保护区和直流线路保护区三个部分，保护功能配置如表3所示，共14种保护，其中1-13整定原则可参考高压直流输电相应保护确定，融冰线路直流电压差动保护是本发明首次提出的保护，保护范围和目的是在融冰时，检查直流侧正负极直流电压是否相等，以此判断线路上是否出现接地故障。整定原则为：如果直流侧正负极直流电压超出一定的定值的时候，则判断发生故障。本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的直流线路保护方法，其为融冰线路直流电压差动保护，在融冰时，检测所融交流线路正负极电压之和是否超过设定值，保护分两段：

1)|Udp+Udn|＞ΔUset1

2)|Udp+Udn|＞ΔUset2

式中：Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，ΔUset1为I段(报警段)定值，ΔUset2为II段(跳闸段)定值。

本发明不带专用整流变压器的直流融冰装置的直流线路保护方法，其保护动作顺序如下：

1)满足|Udp+Udn|＞ΔUset1式时I段报警；

2)满足|Udp+Udn|＞ΔUset2式时II段动作移相闭锁，跳交流断路器，锁定交流断路器。

上述ΔUset1取0.05-0.1pu，延时取1000ms-5000ms；ΔUset2取0.15-0.3pu，延时取100ms-300ms。

典型500kV线路需要的融冰电流(超过3000A)和容量(超过50MW)较大，交流侧电流也超过2500A，鉴于500kV主变的重要性，对从500kV主变35kV侧获取电源的直流融冰装置，推荐采用带专用整流变压器接入。因此，不带整流变直流融冰装置不宜接在500kV主变35kV侧，只适合在接220kV或110kV主变10kV侧。

该直流融冰装置主接线的特点是：

1)不需要专用整流变压器，直接接在220kV主变或110kV主变10kV侧。

2)不需要专门设置换相电抗。

3)不需要专门设置平波电抗器。

4)不需要配置直流滤波器(阻波器)。

5)直流侧不设置接地点。

6)不采用1-2方式进行融冰。

7)可用于大多数220kV和110kV线路融冰，要求换流器具有长期大角度大电流运行能力。

8)可以根据需要配置交流滤波器，如果配置则直流融冰装置在不作为融冰用时可转换为静止无功补偿装置(SVC)运行，滤波器的容量根据直流融冰装置工况和无功补偿需要综合后确定。

9)可方便在各变电站间移动。

表1由阀侧电压决定的融冰线路长度

1.最小融冰电流根据国内外试验、经验公式计算，计算条件为：温度-5℃，风速5注：

米/秒，覆冰厚度10mm；

2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20℃值。

表2由直流融冰装置容量决定的融冰线路长度

1.最小融冰电流根据国内外试验、经验公式计算，条件为：温度-5℃，风速注：

5米/秒，覆冰厚度10mm；

2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20℃值。

表3直流融冰装置的保护配置

序号	保护名称	所属区域
			1	交流过电压保护	交流保护区
2	交流低电压保护	交流保护区

序号	保护名称	所属区域
			3	交流过流保护	交流保护区
4	阀短路保护	换流器保护区
			5	桥差动保护	换流器保护区
6	直流过流保护	换流器保护区
			7	晶闸管结温监视	换流器保护区
8	误触发保护	换流器保护区
			9	直流过压保护	融冰线路保护区
10	直流欠压保护	融冰线路保护区
			11	直流50Hz保护	融冰线路保护区
12	直流100Hz保护	融冰线路保护区
			13	开路试验保护	融冰线路保护区
14	融冰线路直流电压差动保护	融冰线路保护区

贵州电网福泉变电站在2008年1-2月冰灾中大部分220kV出线全部由于覆冰严重而损坏。2008年在该变电站安装了一套25MW直流融冰装置对所有220kV出线进行直流融冰。从表4(福泉变电站220kV出线1-1融冰模式主要参数)可以看出该直流融冰装置可满足福泉变电站所有220kV出线融冰的需求。其主接线图及测点配置如图1所示，主要技术参数如表5所示，配置的保护功能如表4所示。

另外，本发明提出的直流不带专用整流变压器的直流融冰装置主接线及其测量点配置方法还应用在贵州筑东、广西南塘、广东通济等10余个变电站。

2009年1月份，贵州省中部、东部、北部地区出现雨雪天气，一些线路覆冰，厚度达5～10mm。都匀地区是2008年初冰灾期间受灾最严重的地区之一，创下都匀市“全黑”12天的历史记录。在1月7日、8日对这一地区的110kV福牛线、220kV福旧线。这3条线路上的覆冰均为雨凇，呈坚实的冰块状，厚度分别达到4mm、5mm和8mm。六盘水地区是贵州省内海拔较高的地区，每年都有线路覆冰，多采用人工除冰的方式。1月9日对这一地区的110kV水树梅线进行了融冰。当时线路覆冰为雪凇，厚度已达100mm，档距中部导线弧垂较大。通电10分钟后，通以电流的导线开始有雪凇脱落，随后导线很快向上弹起，导线上的覆冰立刻全部脱落。

2009年1月7-10日，受较强冷空气影响，全国大范围出现持续降温天气，韶关坪石地区部分高海拔线路区段出现明显覆冰现象，广东电网输电线路覆冰在线监测及预警系统显示韶关部分监测点线路最大覆冰达3-7mm，人工观测110kV通梅线(高海拔大梅线段)最大覆冰约8mm。韶关供电局决定1月10日早上紧急启动110kV通梅线(220kV通济站-110kV大桥站-110kV梅花站)直流融冰程序，通过220kV通济站直流融冰装置向线路提供直流融冰电流，随着直流融冰装置输出电流的稳步上升，广东韶关110kV通梅线导线温度开始逐步上升，到导线温度升至8℃至10℃时，总长度66km公里线路上的覆冰纷纷掉落。

表4福泉变电站220kV出线1-1融冰方式主要参数计算

1.最小融冰电流根据国内外试验、经验公式计算，计算条件为：温度-5℃，注：

风速5米/秒，覆冰厚度10mm；

2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20℃值。

表5福泉变电站不带专用整流变直流融冰装置主要技术参数

指标名称及单位	指标值	备注
			直流融冰装置输入额定电压(kV)	12.5kV	从变电站10kV母线获得
直流融冰装置额定直流电压(kV)	10
			直流融冰装置额定直流电流(A)	2000
直流融冰装置额定容量(MW)	25
			直流融冰装置过载能力	1.2倍2小时	特指电流和容量过载能力

指标名称及单位	指标值	备注
			无功补偿和谐波抑制要求	不影响自身和主变的安全运行
换流器运行要求	长期大角度大电流
			换流器型式	6脉动桥式全波整流
运行方式要求	仅采用1-1方式进行融冰

Claims (7)

1.一种不带专用整流变压器的直流融冰装置，其特征在于包括有交流侧供电断路器QF、隔离刀闸K，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc，换流器，直流侧电压互感器Udp和Udn，直流侧电流互感器Idp和Idn，直流侧刀闸S1、S2、S3和S4，其中阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的一端通过隔离刀闸K及交流侧供电断路器QF与电源连接，阀侧电流互感器Iva、Ivb和Ivc的另一端与换流器连接，换流器的一侧与直流侧电压互感器Udp连接及通过直流侧电流互感器Idp与直流侧刀闸S1、S2的一端连接，直流侧刀闸S1的另一端通过直流融冰母线与A相融冰导线连接，换流器的另一侧与直流侧电压互感器Udn连接及通过直流侧电流互感器Idn与直流侧刀闸S3、S4的一端连接，直流侧刀闸S4的另一端通过直流融冰母线与C相融冰导线连接，直流侧刀闸S2、S3的另一端通过直流融冰母线与B相融冰导线连接。

2.根据权利要求1所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置，其特征在于上述直流融冰装置的测量点布置包括交流阀侧三相电压、三相电流、直流侧电流、直流侧电压10个测量点。

3.根据权利要求1所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置，其特征在于上述直流融冰装置的保护区域分为交流保护区、换流器保护区和直流线路保护区三个部分。

4.根据权利要求1所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置，其特征在于上述直流融冰装置的保护配置为交流过电压保护、交流低电压保护、交流过流保护、阀短路保护、桥差动保护、直流过流保护、接地过流保护、晶闸管结温监视、误触发保护、直流过压保护、直流欠压保护、直流50Hz保护、直流100Hz保护、开路试验保护和融冰线路阻抗保护。

5.一种根据权利要求1所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置的直流线路保护方法，其特征在于为融冰线路直流电压差动保护，在融冰时，检测所融交流线路正负极电压之和是否超过设定值，保护分两段：

1)|Udp+Udn|＞ΔUset1

2)|Udp+Udn|＞ΔUset2

式中：Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，ΔUset1为I段(报警段)定值，ΔUset2为II段(跳闸段)定值。

6.根据权利要求5所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法，其特征在于保护动作顺序如下：

1)满足|Udp+Udn|＞ΔUset1式时I段报警；

2)满足|Udp+Udn|＞ΔUset2式时II段动作移相闭锁，跳交流断路器，锁定交流断路器。

7.根据权利要求6所述的不带专用整流变压器的直流融冰装置的保护方法，其特征在于上述ΔUset1取0.05-0.1pu，延时1000ms-5000ms；ΔUset2取0.15-0.3pu，延时100ms-300ms。

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