CN106202808B - 基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法，步骤包括：1)确定变电站各线路的融冰需求电压；2)绘制出各线路融冰需求电压的二维平面图；3)提取二维平面图中各线路融冰需求电压的交集区段；4)根据各线路融冰需求电压的交集区段确定融冰变压器副边的档位。本发明能够简化融冰变压器档位的设计过程并使档位数量尽量少、降低融冰变压器的设计和制造成本，具有设计过程简单、设计结果优良、可移植性强、设计档位数量少、实现快捷、使用方便的优点。

Description

基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法。

背景技术

我国南方地区冰雪灾害频发，输电线路覆冰后易于引起断线倒杆，严重威胁到电网的安全稳定运行和供电可靠性。特别是2008年特大冰灾中，冰冻天气持续袭击我国华东、华中等地区，导致湖南、浙江、江西等多个省份大面积、长时间停电，给国民经济和人民群众的生产生活造成了巨大损失。为此，国内多家单位研制了多种型号的融冰装置，其中基于“可调档变压器+不控整流电路”拓扑结构的直流融冰装置因具有结构简单、成本低廉、融冰可靠性高等优点而成为市场主流。如图1所示，该直流融冰装置包括融冰变压器，融冰变压器的原边和10/35Kv母线相连，融冰变压器的副边抽头通过整流器、输出刀闸和覆冰线路相连。但该类装置是基于二极管不控整流电路，为了同时满足变电站多条输电线路的融冰需求，融冰变压器一般需设置多个档位来使装置输出电压电流可在较大范围内可调，此时融冰变压器的档位配置成为影响装置融冰性能、成本以及体积重量的关键因素。

目前，工程技术人员一般采用试凑法来设计融冰变档位，即首先根据某条线路的融冰需求设计出融冰变压器的一个档位；再核算该档位是否满足第二条线路的融冰需求，不满足时则增加新的变压器档位；然后再核算已有档位是否满足第三条线路的融冰需求……,如此反复直至所设计的多个档位能满足所有覆冰线路的融冰需求。这种方法原理简单、门槛低，但当有融冰需求的输电线路数量较多时(500kV变电站出线一般多达十条甚至二十条)，其循环迭代过程计算量大；而且若设计出的档位数量超过容许极限，则需要改换初设条件重新设计直至满足要求。更重要的是，每个档位对应副边电压的选定缺乏统筹性，即一般仅考虑某条线路的需求而不兼顾多条线路，这往往导致设计出的变压器档位数量偏多且缺乏对线路参数变化时的适应性，设计结果难以达到最优。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够简化设计过程并使档位数量尽量少、降低融冰变压器的设计和制造成本，设计过程简单、设计结果优良、可移植性强、设计档位数量少、实现快捷、使用方便的基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法，步骤包括：

1)确定变电站各线路的融冰需求电压；

2)绘制出各线路融冰需求电压的二维平面图：将融冰需求电压作为横轴、各线路的线路序号作为纵轴，将变电站各线路的融冰需求电压统一绘制在同一幅二维平面图中；

3)提取二维平面图中各线路融冰需求电压的交集区段：按照涵盖尽可能多线路的原则，在二维平面图标注出融冰需求电压的交集区段；检测是否剩余有和其它线路没有交集区段的线路，如果剩余有和其它线路没有交集区段的线路，则对该线路单独标注出融冰需求电压区域；

4)根据各线路融冰需求电压的交集区段确定融冰变压器副边的档位：从每一个融冰需求电压区域中选择一个电压作为一个档位，从而得到由所有融冰需求电压区域对应的电压构成融冰变压器副边的档位；且在前述各个交集区段中分别选择一个电压值作为变压器的多个副边电压，由此确定出变压器的各个档位。

优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：

1.1)确定变电站各线路容许的最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min；

1.2)根据直流融冰时输电线路的接线方式，结合最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min；

1.3)根据融冰装置中融冰变压器原边和副边的电压关系，计算出各线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围[U_2min,U_2max]作为融冰需求电压。

优选地，所述步骤1.2)中具体是指根据式(1)计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min，且当融冰装置的输出直流电流取值为最大融冰电流I_max时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max；当融冰装置的输出直流电流取值为最小融冰电流I_min时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最低输出直流电压U_min；

U_dc＝k₁I_dcr₀l (1)

式(1)中，U_dc为融冰装置的输出直流电压，k₁为表示直流融冰时输电线路的接线方式对应的接线系数，I_dc为融冰装置的输出直流电流，r₀为线路单位长度的电阻，l为线路长度。

本发明基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法充分利用了“线路融冰所需的电压电流可在一定范围内自由选取”这一固有特性，通过构造融冰需求电压二维平面图来使融冰变压器的档位设计过程可视化，将所有待融冰线路的融冰电压需求区段绘制在一副二维平面图中，然后根据各区段的交集特征来设计融冰变压器的各个档位，解决了现有方法设计过程过于复杂、且设计出的变压器档位偏多导致成本高、重量大等问题，能够简化设计过程并使档位数量尽量少、降低融冰变压器的设计和制造成本。与现有档位设计方法相比，本发明具有以下优点：

1、设计过程简单。本方法中各条线路融冰电压-电流特性的计算完全平行而无先后之分，设计过程扁平化，一次即可得出设计结果，避免了传统方法中的反复试凑迭代。

2、设计结果优良。该方法设计的变压器任一档位都会尽量兼顾多条线路的融冰需求，可保证融冰变压器的档位数量最少，从而有助于降低其制造成本、体积、重量；并且可对线路参数变化具有更强的鲁棒性。

3、可移植性强。该方法每个步骤都有严格的客观约束条件，基本不需要设计者去人为选取数据，这时得其设计结果不会因设计人员的经验或偏好不同而出现明显差异。

4、本发明基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法基于二维平面图确定档位，既可利用计算机图形处理技术，也可人工处理，具有实现快捷、使用方便的优点。

附图说明

图1为现有技术基于“可调档变压器+不控整流电路”的直流融冰装置结构示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例中步骤2)得到的二维平面图。

图4为本发明实施例中步骤3)得到的交集区段示意图。

图5为本发明实施例中步骤4)得到的融冰变压器的档位示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实施例基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法的步骤包括：

1)确定变电站各线路的融冰需求电压；

2)绘制出各线路融冰需求电压的二维平面图；

3)提取二维平面图中各线路融冰需求电压的交集区段；

4)根据各线路融冰需求电压的交集区段确定融冰变压器副边的档位。

本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)确定变电站各线路容许的最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min；

1.2)根据直流融冰时输电线路的接线方式，结合最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min；

1.3)根据融冰装置中融冰变压器原边和副边的电压关系，计算出各线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围[U_2min,U_2max]作为融冰需求电压。

各线路容许的最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min为各个线路的固有特性，具体可以根据某输电线路的导线型号、途径地区的典型风速温度等环境参数，利用《输电线路电流融冰技术导则》中计算公式或查询相应表格、曲线，即可确定该线路容许的最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min。只要线路电流在两者之间，就能实现融冰，因此该线路的融冰电流需求可表示为I_min≤I_dc≤I_max，其中I_dc为实际电流，I_max表示线路容许的最大融冰电流，I_min表示线路容许的最小融冰电流。

本实施例中，步骤1.2)中具体是指根据式(1)计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min，且当融冰装置的输出直流电流取值为最大融冰电流I_max时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max；当融冰装置的输出直流电流取值为最小融冰电流I_min时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最低输出直流电压U_min；

U_dc＝k₁I_dcr₀l (1)

式(1)中，U_dc为融冰装置的输出直流电压，k₁为表示直流融冰时输电线路的接线方式对应的接线系数，I_dc为融冰装置的输出直流电流，r₀为线路单位长度的电阻，l为线路长度。直流融冰时输电线路的接线方式一般有且仅有“两相串联”和“两并一串”两种接线方式，两相并联时接线系数k₁取值为2.0，两并一串时接线系数k₁取值为1.5。式(1)中，r₀l表示为线路的单相总电阻R_l。

根据式(1)和线路的融冰电流需求(I_min≤I_dc≤I_max)可算出对该线路实施融冰时融冰装置输出直流电压应满足式(2)所示的范围约束；

1.5I_minR_l≤U_dc≤2I_maxR_l (2)

式(2)中，I_max表示线路容许的最大融冰电流，I_min表示线路容许的最小融冰电流，R_l表示线路的单相总电阻，U_dc为融冰装置的输出直流电压(融冰变压器原边电压)。

本实施例的在三相不控整流电路中，融冰装置中融冰变压器原边和副边的电压关系如式(3)所示；

U_dc＝1.25U_ac (3)

式(3)中，U_dc为融冰装置的输出直流电压(融冰变压器原边电压)，U_ac为融冰装置的输入交流电压(融冰变压器副边电压)。

根据式(2)和式(3)可知，为了实现对该线路的直流融冰，融冰变压器的副边输出电压应该满足式(4)所示的范围约束；

1.2I_minR_l≤U_ac≤1.6I_minR_l (4)

式(4)中，I_max表示线路容许的最大融冰电流，I_min表示线路容许的最小融冰电流，R_l表示线路的单相总电阻，U_ac为融冰装置的输入交流电压(融冰变压器副边电压)。将式(4)中代入具体参数，就可求出所有待融冰线路的融冰需求电压。以某220kV变电站为例，各条出线的基本参数如表1所示，利用前述方法计算各线路融冰电压电流，结果如表2所示。

表1：某变电站易覆冰线路的基本参数表。

线路号	电压(kV)	导线型号	长度(km)	电阻Rl(Ω)	感抗Xl(Ω)
						1#	220	LGJ-300/40	10.6	1.00	4.35
2#	220	JLHA1-400	51	3.67	20.45
						3#	220	LGJ-400/35	56.053	4.04	22.48
4#	110	LGJ-300/40	12.18	1.14	4.99
						5#	110	LGJ-240/30	9.375	1.23	3.76
6#	110	LGJ-240/30	44.515	5.83	17.85
						7#	110	LGJ-240/30	3.5	0.46	1.40
8#	110	LGJ-240/30	16.684	2.19	6.69
						9#	110	LGJ-240/30	22.757	2.98	9.13
10#	110	LGJ-240/30	8.573	1.12	3.44
						11＃	110	LGJ-240/30	39.23	5.14	15.73
12#	110	LGJ-240/30	39.230	1.00	4.35

表2：各线路所对应的融冰电压电流需求表。

参见表2，以1#线路为例，该线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围[813,1754]为该线路的融冰需求电压；以2#线路为例，该线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围[3525,7050]为该线路的融冰需求电压。

本实施例中，步骤2)具体是指：具体是指将融冰需求电压作为横轴、各线路的线路序号作为纵轴，将变电站各线路的融冰需求电压统一绘制在同一幅二维平面图中，得到的结果如图3所示。参见图3可知1#线路所需要的融冰变压器副边的电压范围为[813,1754]，2#线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围为[3525,7050]。

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：按照涵盖尽可能多线路的原则，在二维平面图标注出融冰需求电压的交集区段；检测是否剩余有和其它线路没有交集区段的线路，如果剩余有和其它线路没有交集区段的线路，则对该线路单独标注出融冰需求电压区域，得到的结果如图4所示。参见图4可知，1#线路、4#线路、5#线路、8#线路、10#线路有共同的交集区段，2#线路、3#线路、6#线路、9#线路、11#线路有共同的交集区段，7#线路为和其它线路没有交集区段的线路，最终得到三个交集区段。

本实施例中，步骤4)具体是指：从每一个融冰需求电压区域中选择一个电压作为一个档位，从而得到由所有融冰需求电压区域对应的电压构成融冰变压器副边的档位，得到的结果如图5所示。在前述各个交集区段中分别选择一个电压值作为变压器的多个副边电压，由此确定出变压器的各个档位。同时，在前述交集范围之内，可以微调所选取的具体电压值来让相邻档位的电压比值适当，从而增强装置对变电站电压、线路阻抗、环境参数变化时的适应性。本实施例中根据三个交集区段设置三个档位，各档对应的融冰变压器副边电压分别为500V、1580V和4180V。

综上所述，本实施例充分利用了“线路融冰所需电压电流可在一定范围内自由选取”这一固有特性，通过构造融冰需求电压二维平面图使融冰变压器档位设计过程可视化，避免了融冰变副边电压的盲目选择及反复试凑，可在满足所有线路融冰需求的前提下，使融冰变压器的档位数量最少，且提高对线路参数变化的鲁棒性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法，其特征在于步骤包括：

1)确定变电站各线路的融冰需求电压；

2)绘制出各线路融冰需求电压的二维平面图：将融冰需求电压作为横轴、各线路的线路序号作为纵轴，将变电站各线路的融冰需求电压统一绘制在同一幅二维平面图中；

3)提取二维平面图中各线路融冰需求电压的交集区段：按照涵盖尽可能多线路的原则，在二维平面图标注出融冰需求电压的交集区段；检测是否剩余有和其它线路没有交集区段的线路，如果剩余有和其它线路没有交集区段的线路，则对该线路单独标注出融冰需求电压区域；

4)根据各线路融冰需求电压的交集区段确定融冰变压器副边的档位：从每一个融冰需求电压区域中选择一个电压作为一个档位，从而得到由所有融冰需求电压区域对应的电压构成融冰变压器副边的档位；且在前述各个交集区段中分别选择一个电压值作为变压器的多个副边电压，由此确定出变压器的各个档位。

2.根据权利要求1所述的基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法，其特征在于，所述步骤1)的详细步骤包括：

1.1)确定变电站各线路容许的最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min；

1.2)根据直流融冰时输电线路的接线方式，结合最大融冰电流I_max和最小融冰电流I_min计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min；

1.3)根据融冰装置中融冰变压器原边和副边的电压关系，计算出各线路融冰时所需要的融冰变压器副边的电压范围[U_2min,U_2max]作为融冰需求电压。

3.根据权利要求2所述的基于图解法的直流融冰装置融冰变压器档位设计方法，其特征在于，所述步骤1.2)中具体是指根据式(1)计算各线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max和最低输出直流电压U_min，且当融冰装置的输出直流电流取值为最大融冰电流I_max时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最高输出直流电压U_max；当融冰装置的输出直流电流取值为最小融冰电流I_min时，计算得到的融冰装置的输出直流电压U_dc为线路容许的融冰装置最低输出直流电压U_min；

U_dc＝k₁I_dcr₀l (1)

式(1)中，U_dc为融冰装置的输出直流电压，k₁为表示直流融冰时输电线路的接线方式对应的接线系数，I_dc为融冰装置的输出直流电流，r₀为线路单位长度的电阻，l为线路长度。