CN102570369B - 一种不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法。包括如下步骤：1)确定融冰装置覆盖线路；2)预选融冰电流；3）确定导线最大允许电流；4）计算预选融冰电流下直流压降和功率；5）计算理想空载直流电压；6）计算换流器最小触发角下直流电压；7）计算换相电抗器阀侧额定电压；8）确定融冰装置额定参数；9）计算换流器交流侧额定电流；10）计算换相电抗器电感；11）确定TCR或TSR支路额定容量和电流；12）确定TCR或TSR支路总感抗值；13）确定TCR或TSR支路需增加电感值；14）确定融冰装置零功率回路电感；15）确定融冰装置零功率最小允许电流；16）设计交流滤波器。本发明提供了一种系统的直流融冰兼无功补偿装置设计方法。

Description

一种不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法

技术领域

本发明是一种不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，特别是一种涉及综合考虑直流融冰及其等效试验、晶闸管控制电抗器(TCR)或晶闸管投切电抗器(TSR)等功能的设计方法，属于高压及特高压电网输电线路直流融冰和静止无功补偿应用的创新技术。

背景技术

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，对国民经济造成重大损失。

随着全球气候的不断恶化，冰灾对输电线路造成的危害越发严重。特别是2008年初的冰灾，对我国电网造成了巨大的损失。

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。

我国自上世纪70年代以来就一直在220kV以下线路上采用交流短路方法对严重覆冰线路进行融冰，对防止冰灾起到了一定的作用。由于交流融冰需要很高的热量，且交流线路存在电抗，致使220kV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500kV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500kV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，国际上自上世纪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。1998年的北美冰风暴灾难后，魁北克水电局与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年完成现场调试。但是到目前为止，该装置还没有用于过实际融冰。

2008年冰灾后，我国电力科技工作者自主进行了直流融冰技术及装置的研发，成功研发出了具有完全自主知识产权的大功率直流融冰装置，主要包括带专用换流变压器、不带专用换流变压器和车载移动式等多种型式，进而在全国进行了推广应用。

2011年1月，受持续低温雨雪凝冻天气影响，南方电网供电区域内贵州大部分地区、广西桂北地区、广东粤北地区和云南滇东北地区的输变电设施相继出现覆冰险情，先后导致1414条10kV及以上线路、70个35kV及以上变电站停运。2011年次冰灾是继2008年之后南方电网遭遇的又一次特重冰灾。但与2008年多条线路断线倒塔、500kV主网架遭受重创、电网多处解列或孤网运行、大量减供负荷相比，本次冰灾期间未发生220kV及以上线路倒塔事故，未发生县级及以上城市停电事故，确保了电网安全稳定运行和电力正常供应。2011年冰灾中，南方电网已经安装的19套直流融冰装置首次得到了全面实战检验，发挥了巨大的作用，累计对110kV及以上线路融冰227次，其中500kV线路40余次。

鉴于直流融冰装置实际应用效果，我国电网企业从2011年开始又进行了新一轮的大规模推广应用。

鉴于直流融冰装置每年用于融冰的时间并不是很长，在实际的应用中一般均兼有静止无功补偿装置的功能，至今尚未有完整设计方案提出。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种综合考虑直流融冰及其等效试验、晶闸管控制电抗器或晶闸管投切电抗器等功能的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法。本发明方便实用。

本发明的技术方案是：本发明不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，所述不带专用换流变压器直流融冰装置具有静止无功补偿功能，包括有电抗器L1a、L1b、L1c，六脉动换流器R，电抗器L2a、L2b、L2c，刀闸S1、S2、S3、S4，控制保护系统CP，交流滤波器组F，电抗器L1a、L1b、L1c在直流融冰模式下为换相电抗，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分，电抗器L2a、L2b、L2c全部或一部分在直流融冰模式下为平波电抗器，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分；在直流融冰模式下，六脉动换流器R交流侧通过电抗器L1a、L1b、L1c与所接交流系统主变低压侧相连，六脉动换流器R直流侧通过电抗器L2a、L2b、L2c与刀闸S1、S2、S3、S4相连；在无功补偿模式下，即晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR模式下，六脉动换流器R中的阀V1、V4反并联连接后与电抗器L2a、L1c串联后接在所接变电站主变低压侧b、c相间，六脉动换流器R中的阀V5、V2反并联连接后与电抗器L1a、L2b串联后接在所接变电站主变低压侧a、c相间，六脉动换流器R中的阀V3、V6反并联连接后与电抗器L2c、L1b串联后接在所接变电站主变低压侧a、b相间；滤波器F通过隔离刀闸K1和断路器QF1接在变电站主变低压侧；刀闸S1、S2、S3、K、隔离刀闸K1和断路器QF、QF1的位置信号及换相电抗器阀侧电流信号Iva、Ivb、Ivc及直流侧电流信号Idp、Idn及直流侧电压信号Udp、Udn及六脉动换流器R的监测信号接入控制保护系统CP；控制保护系统CP发出刀闸和断路器的分合命令及发出六脉动换流器R的控制和触发命令。

其中具有静止无功补偿功能的不带专用换流变压器的直流融冰兼装置的设计方法包括如下步骤：

1)确定直流融冰装置覆盖线路范围；

2)预选各导线融冰电流；

3)确定各导线最大允许电流；

4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率；

5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压；

6)计算换流器的理想空载直流电压；

7)计算换流器在最小触发角下的直流电压；

8)确定直流融冰装置额定参数；

9)计算换流器交流侧额定电流；

10)计算换相电抗器感抗值；

11)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定容量和额定电流；

12)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值；

13)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路除换相电抗器外需增加电抗器的电感值；

14)确定直流融冰装置零功率模式下回路电感；

15)确定直流融冰装置零功率模式下最小电流；

16)设计交流滤波器。

上述步骤1)确定直流融冰装置覆盖线路范围的方法如下：

根据直流融冰装置使用地点确定需要利用该装置进行融冰的线路，包括特殊情况下可能通过变电站串联连接进行融冰的个别线路，根据各线路导线型号可得到线路各导线在20℃时的直流电阻值，

上述步骤2)预选各导线融冰电流的方法如下：

根据布尔格斯道尔夫公式计算各线路在典型覆冰条件下的最小融冰电流，取计算值的1.1倍为各导线预选融冰电流，即

I_dpr＝1.1I_de·min     (1)

式中，I_dpr—各导线预选融冰电流，kA；I_de·min—线路最小融冰电流，kA。

上述步骤4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率的方法如下：

根据两相导线串联方式，即“一去一回”方式，或称“1-1”方式，计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率，即下式

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}\mathrm{RL}\\ P_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}^2\mathrm{RL}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，U_dpr—各导线“一去一回”方式融冰时直流压降，kV；R—融冰线路20℃直流电阻，Ω/km；L—线路长度，km；P_dpr—各导线‘一去一回’方式融冰时的直流功率，MW。

上述步骤5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压的方法如下：

U_VN＝U_N(1-U_CR％)  (3)

式中，U_VN为换相电抗器阀侧交流电压，kV；U_N—直流融冰装置交流侧电压，kV；U_CR％为换相电抗器阻抗电压，取0或0.04-0.15。

上述步骤6)计算换流器的理想空载直流电压的方法如下：

换流器的理想空载直流电压按下式计算，即

U_dioN＝1.35U_VN   (4)

式中，U_dioN为换流器的理想空载直流电压，单位为kV。

上述步骤7)计算换流器在最小触发角下的直流电压的方法如下：

换流器在最小触发角下的直流电压采用下式计算，即

U_dmax＝U_dioN(cosα_min-d_xn-d_rn)-V_T   (5)

式中，U_dmax—换流器在最小触发角下的直流电压，kV；U_dioN—理想空载直流电压，kV；α_min—额定最小触发角，°，取5°；d_xn—直流感性压降标幺值，U_K％为系统阻抗电压U_S％与换相电抗器阻抗电压U_CR％之和，本设计中忽略系统阻抗电压；d_rn—直流阻性压降标幺值，取0；V_T—换流器正向导通压降，取0。

上述步骤8)计算直流融冰装置额定参数的方法如下：

以式(1)和(2)计算得到的最大值为基础确定直流融冰装置的额定直流功率、直流电流和直流电压，直流融冰装置的额定直流功率、额定直流电流和额定直流电压大于等于式(1)和(2)计算得到的最大值，且额定直流电流小于导线最大允许电流I_max中的最大值，额定直流电压小于等于最小触发角下的直流电压，即

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{U_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\≤U_{\mathrm{dN}}\≤U_{d\max }\\ \max \left\{I_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\≤I_{\mathrm{dN}}\≤\max \left\{I_{\max \·i}\right\}\\ P_{\mathrm{dN}}\≥\max \left\{P_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，U_dN—直流融冰装置额定直流电压，kV；I_dN—直流融冰装置额定直流电流，kA；P_dN—直流融冰装置额定直流功率，MW；i—利用该直流融冰装置进行融冰线路序号。

本发明提供了一种综合考虑直流融冰及其等效试验、晶闸管控制电抗器或晶闸管投切电抗器等功能的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法。本发明方便实用。

附图说明

图1为不带专用换流变压器直流融冰装置示意图。

图2为不带专用换流变压器直流融冰装置转换为TCR或TSR运行的示意图。

图3为不带专用换流变压器直流融冰装置接在220kV主变10kV侧的示意图。

图4为不带专用换流变压器直流融冰装置在220kV主变10kV侧转换为TCR或TSR运行的示意图。

图5为不带专用换流变压器直流融冰装置接在500kV主变35kV侧的示意图。

图6为不带专用换流变压器直流融冰装置在500kV主变35kV侧转换为TCR或TSR运行的示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中，不带专用换流变压器的兼有SVC功能直流融冰装置接在220kV主变10kV侧，如图3和图4所示，包括有电抗器L1a、L1b、L1c，六脉动换流器R，电抗器L2a、L2b、L2c，刀闸S1、S2、S3、S4，控制保护系统CP，交流滤波器组F，电抗器L1a、L1b、L1c在直流融冰模式下为换相电抗，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分，电抗器L2a、L2b、L2c全部或一部分在在直流融冰模式下为平波电抗器，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分；在直流融冰模式下，六脉动换流器R交流侧通过电抗器L1a、L1b、L1c与220kV主变10kV侧相连，六脉动换流器R直流侧通过电抗器L2a、L2b、L2c与刀闸S1、S2、S3、S4相连；在无功补偿模式下，即晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR模式下，换流器R中的阀V1、V4反并联连接后与电抗器L2a、L1c串联后接在220kV主变10kV侧b、c相间，换流器R中的阀V5、V2反并联连接后与电抗器L1a、L2b串联后接在220kV主变10kV侧a、c相间，换流器R中的阀V3、V6反并联连接后与电抗器L2c、L1b串联后接在220kV主变10kV侧a、b相间；滤波器F通过隔离刀闸K1和断路器QF1接在220kV主变10kV侧；刀闸S1、S2、S3、K、K1和断路器QF、QF1的位置信号及换相电抗器阀侧电流信号Iva、Ivb、Ivc及直流侧电流信号Idp、Idn及直流侧电压信号Udp、Udn及换流器R的监测信号接入控制保护系统CP；控制保护系统CP发出刀闸和断路器的分合命令及发出换流器R的控制和触发命令。

其中具有静止无功补偿功能的不带专用换流变压器的直流融冰兼装置的设计方法包括如下步骤：

1)确定直流融冰装置覆盖线路范围

根据直流融冰装置使用地点确定需要利用该装置进行融冰的线路，包括特殊情况下可能通过变电站串联连接进行融冰的个别线路。根据各线路导线型号可得到线路各导线在20℃时的直流电阻值。

2)预选各导线融冰电流

根据布尔格斯道尔夫公式计算各线路在典型覆冰条件下(例如：-5℃，风速5m/s，冰厚10mm，1小时内完成融冰)的最小融冰电流，取计算值的1.1倍为各导线预选融冰电流，即

I_dpr＝1.1I_de·min   (1)

式中，I_dpr—各导线预选融冰电流，kA；I_de·min—线路最小融冰电流，kA。

3)确定各导线最大允许电流

按GB5045-2010《110kV-750kV架空输电线路设计规范》条文说明5.0.6条提供的计算方法计算，计算条件：环境温度10℃，风速0.5米/秒，导线允许温度90℃，辐射系数0.9，吸收系数0.9，日照强度0.1W/cm²。

4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率

根据两相导线串联方式，即“一去一回”方式，或称“1-1”方式，计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率，即下式

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}\mathrm{RL}\\ P_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}^2\mathrm{RL}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，U_dpr—各导线“一去一回”方式融冰时直流压降，kV；R—融冰线路20℃直流电阻，Ω/km；L—线路长度，km；P_dpr—各导线‘一去一回’方式融冰时的直流功率，MW。

5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压

换相电抗器阀侧额定交流电压按下式计算，即

U_VN＝U_N(1-U_CR％)  (3)

式中，U_VN为换相电抗器阀侧交流电压，kV；U_N—直流融冰装置交流侧电压，kV；U_CR％为换相电抗器阻抗电压，取0或0.04-0.15。

6)计算换流器的理想空载直流电压

换流器的理想空载直流电压按下式计算，即

U_dioN＝1.35U_VN   (4)

式中，U_dioN为换流器的理想空载直流电压，单位为kV。

7)计算换流器在最小触发角下的直流电压

换流器在最小触发角下的直流电压采用下式计算，即

U_dmax＝U_dioN(cosα_min-d_xn-d_rn)-V_T  (5)

式中，U_dmax—换流器在最小触发角下的直流电压，kV；U_dioN—理想空载直流电压，kV；α_min—额定最小触发角，°，一般取5°；d_xn—直流感性压降标幺值，U_K％为系统阻抗电压U_S％与换相电抗器阻抗电压U_CR％之和，本设计中忽略系统阻抗电压；d_rn—直流阻性压降标幺值，可取0；V_T—换流器正向导通压降，可取0。

8)确定直流融冰装置额定参数

以式(1)和(2)计算得到的最大值为基础确定直流融冰装置的额定直流功率、直流电流和直流电压，直流融冰装置的额定直流功率、额定直流电流和额定直流电压大于等于式(1)和(2)计算得到的最大值，且额定直流电流小于导线最大允许电流I_max中的最大值，额定直流电压小于等于最小触发角下的直流电压，即

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{U_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\≤U_{\mathrm{dN}}\≤U_{d\max }\\ \max \left\{I_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\≤I_{\mathrm{dN}}\≤\max \left\{I_{\max \·i}\right\}\\ P_{\mathrm{dN}}\≥\max \left\{P_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，U_dN—直流融冰装置额定直流电压，kV；I_dN—直流融冰装置额定直流电流，kA；P_dN—直流融冰装置额定直流功率，MW；i—利用该直流融冰装置进行融冰线路序号。

9)计算换流器交流侧额定电流

换流器交流侧额定电流电流采用下式计算，即

$I_{\mathrm{VN}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{I}_{\mathrm{dN}}=0.816I_{\mathrm{dN}}---\left(7\right)$

式中，I_VN—换流器额定阀侧电流，kA。

10)计算换相电抗器感抗值

换相电抗器感抗值采用下式计算

$X_{\mathrm{CR}}=\frac{U_{2N}\×U_{\mathrm{CR}}\%}{I_{\mathrm{VN}}}---\left(8\right)$

式中，L_CR—换相电抗器电感值，H。

11)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定容量和额定电流

直流融冰装置转换为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR运行时，晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路容量决定于换流器额定电流，所以

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SVCN}}=\sqrt{3}{I}_{\mathrm{VN}}\\ Q_{\mathrm{SVCN}}=\sqrt{3}{U}_N{I}_{\mathrm{VN}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，I_SVCN—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定电流，kA；Q_SVCN—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR额定容量，MVAr。

12)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值。

晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值采用下式计算，即

$X_{\mathrm{SVC}\·Y}=\frac{U_{2N}^2}{9Q_N}---\left(12\right)$

式中，X_SVC·Y—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总电抗值，Ω。

13)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路除换相电抗器外增加电抗器的电感值；

对于晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路，需要增加电抗器的电感值按下式计算，即

式中，L_TCR·Δ—晶闸管控制电抗器TCR支路增加电抗器的电感值，H；α_N—晶闸管控制电抗器TCR额定额定容量时的延迟触发角，°，取95-104°；L_TSR·Δ—晶闸管投切电抗器TSR支路增加电抗器的电感值，H。

14)确定直流融冰装置零功率模式下回路电感

采用晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路中增加电抗器中的一相作为平波电抗器，直流融冰装置零功率模式下整个回路电感按照下式计算，即

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{dcs}}=1.5(\frac{X_T}{2\mathrm{\πf}}+L_{\mathrm{CR}})+L_{\mathrm{TCR}\·\mathrm{\Δ}}\\ L_{\mathrm{dcs}}=1.5(\frac{X_T}{2\mathrm{\πf}}+L_{\mathrm{CR}})+L_{\mathrm{TSR}\·\mathrm{\Δ}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中，L_dcs—直流融冰装置零功率模式下回路电感值，H。

15)确定直流融冰装置零功率模式下最小电流

零功率模式下最小允许电流按照下式计算，即

$I_{\mathrm{al}\min }=K_{\mathrm{sr}}\frac{0.023U_{\mathrm{dioN}}}{\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{dcs}}}---\left(15\right)$

式中，I_al min—直流融冰回路最小允许电流，kA；K_sr—保证零功率试验时电流不断续的可靠系数，一般取1.2-2.0。

16)设计交流滤波器。

根据直流融冰装置以额定电流运行于零功率模式时的谐波和无功特性完成交流滤波器设计。

实施例2：

本实施例中，不带专用换流变压器的兼有SVC功能直流融冰装置接在500kV主变35kV侧，如图5和图6所示，包括有电抗器L1a、L1b、L1c，六脉动换流器R，电抗器L2a、L2b、L2c，刀闸S1、S2、S3、S4，控制保护系统CP，交流滤波器组F，电抗器L1a、L1b、L1c在直流融冰模式下为换相电抗，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分，电抗器L2a、L2b、L2c全部或一部分在在直流融冰模式下为平波电抗器，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分；在直流融冰模式下，六脉动换流器R交流侧通过电抗器L1a、L1b、L1c与500kV主变35kV侧相连，六脉动换流器R直流侧通过电抗器L2a、L2b、L2c与刀闸S1、S2、S3、S4相连；在无功补偿模式下，即晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR模式下，换流器R中的阀V1、V4反并联连接后与电抗器L2a、L1c串联后接在500kV主变35kV侧b、c相间，换流器R中的阀V5、V2反并联连接后与电抗器L1a、L2b串联后接在500kV主变35kV侧a、c相间，换流器R中的阀V3、V6反并联连接后与电抗器L2c、L1b串联后接在500kV主变35kV侧a、b相间；滤波器F通过隔离刀闸K1和断路器QF1接在500kV主变35kV侧；刀闸S1、S2、S3、K、K1和断路器QF、QF1的位置信号及换相电抗器阀侧电流信号Iva、Ivb、Ivc及直流侧电流信号Idp、Idn及直流侧电压信号Udp、Udn及换流器R的监测信号接入控制保护系统CP；控制保护系统CP发出刀闸和断路器的分合命令及发出换流器R的控制和触发命令。

其中具有静止无功补偿功能的不带专用换流变压器的直流融冰兼装置的设计方法包括如下步骤：

1)确定直流融冰装置覆盖线路范围

根据直流融冰装置使用地点确定需要利用该装置进行融冰的线路，包括特殊情况下可能通过变电站串联连接进行融冰的个别线路。根据各线路导线型号可得到线路各导线在20℃时的直流电阻值。

2)预选各导线融冰电流

根据布尔格斯道尔夫公式计算各线路在典型覆冰条件下(例如：-5℃，风速5m/s，冰厚10mm，1小时内完成融冰)的最小融冰电流，取计算值的1.1倍为各导线预选融冰电流，即

I_dpr＝1.1I_de·min(1)

式中，I_dpr—各导线预选融冰电流，kA；I_de·min—线路最小融冰电流，kA。

3)确定各导线最大允许电流

按GB5045-2010《110kV-750kV架空输电线路设计规范》条文说明5.0.6条提供的计算方法计算，计算条件：环境温度10℃，风速0.5米/秒，导线允许温度90℃，辐射系数0.9，吸收系数0.9，日照强度0.1W/cm²。

4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率

根据两相导线串联方式，即“一去一回”方式，或称“1-1”方式，计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率，即下式

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}\mathrm{RL}\\ P_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}^2\mathrm{RL}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，U_dpr—各导线“一去一回”方式融冰时直流压降，kV；R—融冰线路20℃直流电阻，Ω/km；L—线路长度，km；P_dpr—各导线‘一去一回’方式融冰时的直流功率，MW。

5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压

换相电抗器阀侧额定交流电压按下式计算，即

U_VN＝U_N(1-U_CR％)  (3)

式中，U_VN为换相电抗器阀侧交流电压，kV；U_N—直流融冰装置交流侧电压，kV；U_CR％为换相电抗器阻抗电压，取0或0.04-0.15。

6)计算换流器的理想空载直流电压

换流器的理想空载直流电压按下式计算，即

U_dioN＝1.35U_VN  (4)

式中，U_dioN为换流器的理想空载直流电压，单位为kV。

7)计算换流器在最小触发角下的直流电压

换流器在最小触发角下的直流电压采用下式计算，即

U_dmax＝U_dioN(cosα_min-d_xn-d_rn)-V_T  (5)

式中，U_dmax—换流器在最小触发角下的直流电压，kV；U_dioN—理想空载直流电压，kV；α_min—额定最小触发角，°，一般取5°；d_xn—直流感性压降标幺值，U_K％为系统阻抗电压U_S％与换相电抗器阻抗电压U_CR％之和，本设计中忽略系统阻抗电压；d_rn—直流阻性压降标幺值，可取0；V_T—换流器正向导通压降，可取0。

8)确定直流融冰装置额定参数

以式(1)和(2)计算得到的最大值为基础确定直流融冰装置的额定直流功率、直流电流和直流电压，直流融冰装置的额定直流功率、额定直流电流和额定直流电压大于等于式(1)和(2)计算得到的最大值，且额定直流电流小于导线最大允许电流I_max中的最大值，额定直流电压小于等于最小触发角下的直流电压，即

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{U_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\≤U_{\mathrm{dN}}\≤U_{d\max }\\ \max \left\{I_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\≤I_{\mathrm{dN}}\≤\max \left\{I_{\max \·i}\right\}\\ P_{\mathrm{dN}}\≥\max \left\{P_{\mathrm{dpr}\·r}\right\}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，U_dN—直流融冰装置额定直流电压，kV；I_dN—直流融冰装置额定直流电流，kA；P_dN—直流融冰装置额定直流功率，MW；i—利用该直流融冰装置进行融冰线路序号。

9)计算换流器交流侧额定电流

换流器交流侧额定电流电流采用下式计算，即

$I_{\mathrm{VN}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{I}_{\mathrm{dN}}=0.816I_{\mathrm{dN}}---\left(7\right)$

式中，I_VN—换流器额定阀侧电流，kA。

10)计算换相电抗器感抗值

换相电抗器感抗值采用下式计算

$X_{\mathrm{CR}}=\frac{U_{2N}\×U_{\mathrm{CR}}\%}{I_{\mathrm{VN}}}---\left(8\right)$

式中，L_CR—换相电抗器电感值，H。

11)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定容量和额定电流

直流融冰装置转换为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR运行时，晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路容量决定于换流器额定电流，所以

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SVCN}}=\sqrt{3}{I}_{\mathrm{VN}}\\ Q_{\mathrm{SVCN}}=\sqrt{3}{U}_N{I}_{\mathrm{VN}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，I_SVCN—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定电流，kA；Q_SVCN—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR额定容量，MVAr。

12)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值

晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值采用下式计算，即

$X_{\mathrm{SVC}\·Y}=\frac{U_{2N}^2}{9Q_N}---\left(12\right)$

式中，X_SVC·Y—晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总电抗值，Ω。

13)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路除换相电抗器外增加电抗器的电感值

对于晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路，需要增加电抗器的电感值按下式计算，即

式中，L_TCR·Δ—晶闸管控制电抗器TCR支路增加电抗器的电感值，H；α_N—晶闸管控制电抗器TCR额定额定容量时的延迟触发角，°，取95-104°；L_TSR·Δ—晶闸管投切电抗器TSR支路增加电抗器的电感值，H。

14)确定直流融冰装置零功率模式下回路电感

采用晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路中增加电抗器中的一相作为平波电抗器，直流融冰装置零功率模式下整个回路电感按照下式计算，即

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{dcs}}=1.5(\frac{X_T}{2\mathrm{\πf}}+L_{\mathrm{CR}})+L_{\mathrm{TCR}\·\mathrm{\Δ}}\\ L_{\mathrm{dcs}}=1.5(\frac{X_T}{2\mathrm{\πf}}+L_{\mathrm{CR}})+L_{\mathrm{TSR}\·\mathrm{\Δ}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中，L_dcs—直流融冰装置零功率模式下回路电感值，H。

15)确定直流融冰装置零功率模式下最小电流

零功率模式下最小允许电流按照下式计算，即

$I_{\mathrm{al}\min }=K_{\mathrm{sr}}\frac{0.023U_{\mathrm{dioN}}}{\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{dcs}}}---\left(15\right)$

式中，I_al min—直流融冰回路最小允许电流，kA；K_sr—保证零功率试验时电流不断续的可靠系数，一般取1.2-2.0。

16)设计交流滤波器。

根据直流融冰装置以额定电流运行于零功率模式时的谐波和无功特性完成交流滤波器设计。

Claims (7)

1.一种不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，所述不带专用换流变压器直流融冰装置具有静止无功补偿功能，包括有电抗器L1a、电抗器L1b、电抗器L1c，六脉动换流器R，电抗器L2a、电抗器L2b、电抗器L2c，刀闸S1、刀闸S2、刀闸S3、刀闸S4，控制保护系统CP，滤波器F，电抗器L1a、电抗器L1b、电抗器L1c在直流融冰模式下为换相电抗，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分，电抗器L2a、电抗器L2b、电抗器L2c全部或一部分在直流融冰模式下为平波电抗器，在无功补偿模式下为晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR的一部分；在直流融冰模式下，六脉动换流器R交流侧通过电抗器L1a、电抗器L1b、电抗器L1c与所接交流系统主变低压侧相连，六脉动换流器R直流侧通过电抗器L2a、电抗器L2b、电抗器L2c与刀闸S1、刀闸S2、刀闸S3、刀闸S4相连；在无功补偿模式下，即晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR模式下，六脉动换流器R中的阀V1、阀V4反并联连接后与电抗器L2a、电抗器L1c串联后接在所接变电站主变低压侧b、c相间，六脉动换流器R中的阀V5、阀V2反并联连接后与电抗器L1a、电抗器L2b串联后接在所接变电站主变低压侧a、c相间，六脉动换流器R中的阀V3、阀V6反并联连接后与电抗器L2c、电抗器L1b串联后接在所接变电站主变低压侧a、b相间；滤波器F通过隔离刀闸K1和断路器QF1接在变电站主变低压侧；刀闸S1、刀闸S2、刀闸S3、刀闸K、隔离刀闸K1和断路器QF、断路器QF1的位置信号及换相电抗器阀侧电流信号Iva、Ivb、Ivc及直流侧电流信号Idp、Idn及直流侧电压信号Udp、Udn及六脉动换流器R的监测信号接入控制保护系统CP；控制保护系统CP发出刀闸和断路器的分合命令及发出六脉动换流器R的控制和触发命令，

其中具有静止无功补偿功能的不带专用换流变压器的直流融冰兼装置的设计方法包括如下步骤：

1)确定直流融冰装置覆盖线路范围；

2)预选各导线融冰电流；

3)确定各导线最大允许电流；

4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率；

5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压；

6)计算换流器的理想空载直流电压；

7)计算换流器在最小触发角下的直流电压；

8)确定直流融冰装置额定参数；

9)计算换流器交流侧额定电流；

10)计算换相电抗器感抗值；

11)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路额定容量和额定电流；

12)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路总感抗值；

13)确定晶闸管控制电抗器TCR或晶闸管投切电抗器TSR支路除换相电抗器外需增加电抗器的电感值；

14)确定直流融冰装置零功率模式下回路电感；

15)确定直流融冰装置零功率模式下最小电流；

16)设计滤波器。

2.根据权利要求1所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤1)确定直流融冰装置覆盖线路范围的方法如下：

根据直流融冰装置使用地点确定需要利用该装置进行融冰的线路，根据各线路导线型号可得到线路各导线在20℃时的直流电阻值，

上述步骤2)预选各导线融冰电流的方法如下：

根据布尔格斯道尔夫公式计算各线路在典型覆冰条件下的最小融冰电流，取计算值的1.1倍为各导线预选融冰电流，即

I_dpr＝1.1I_de·min     (1)

式中，I_dpr—各导线预选融冰电流，kA；I_de·min—线路最小融冰电流，kA。

3.根据权利要求2所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤4)计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率的方法如下：

根据两相导线串联方式，即“一去一回”方式，或称“1-1”方式，计算各线路在预选融冰电流时的直流压降和直流功率，即下式

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}\mathrm{RL}\\ P_{\mathrm{dpr}}=2I_{\mathrm{dpr}}^2\mathrm{RL}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，U_dpr—各导线“一去一回”方式融冰时直流压降，kV；R—融冰线路20℃直流电阻，Ω/km；L—线路长度，km；P_dpr—各导线‘一去一回’方式融冰时的直流功率，MW。

4.根据权利要求1所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤5)计算换相电抗器阀侧额定交流电压的方法如下：

U_VN＝U_N(1-U_CR％)    (3)

式中，U_VN为换相电抗器阀侧交流电压，kV；U_N—直流融冰装置交流侧电压，kV；U_CR％为换相电抗器阻抗电压，取0或0.04-0.15。

5.根据权利要求4所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤6)计算换流器的理想空载直流电压的方法如下：

换流器的理想空载直流电压按下式计算，即

U_dioN＝1.35U_VN     (4)

式中，U_dioN为换流器的理想空载直流电压，单位为kV。

6.根据权利要求1所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤7)计算换流器在最小触发角下的直流电压的方法如下：

换流器在最小触发角下的直流电压采用下式计算，即

U_d max＝U_dioN(cosα_min-d_xn-d_rn)-V_T (5)

式中，U_d max—换流器在最小触发角下的直流电压，kV；U_dioN—理想空载直流电压，kV；α_min—额定最小触发角，°，取5°；d_xn—直流感性压降标幺值，U_K％为系统阻抗电压U_S％与换相电抗器阻抗电压U_CR％之和，本设计中忽略系统阻抗电压；d_rn—直流阻性压降标幺值，取0；V_T—换流器正向导通压降，取0。

7.根据权利要求3所述的不带专用换流变压器直流融冰装置的设计方法，其特征在于上述步骤8)计算直流融冰装置额定参数的方法如下：

以式(1)和(2)计算得到的最大值为基础确定直流融冰装置的额定直流功率、直流电流和直流电压，直流融冰装置的额定直流功率、额定直流电流和额定直流电压大于等于式(1)和(2)计算得到的最大值，且额定直流电流小于导线最大允许电流I_max中的最大值，额定直流电压小于等于最小触发角下的直流电压，即

$\left\{\begin{array}{c}\max \left\{U_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\≤U_{\mathrm{dN}}\≤U_{d\max }\\ \max \left\{I_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\≤I_{\mathrm{dN}}\≤\max \left\{I_{\max \·i}\right\}\\ P_{\mathrm{dN}}\≥\max \left\{P_{\mathrm{dpr}\·i}\right\}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，U_dN—直流融冰装置额定直流电压，kV；I_dN—直流融冰装置额定直流电流，kA；P_dN—直流融冰装置额定直流功率，MW；i—利用该直流融冰装置进行融冰线路序号。