基于模塊化設(shè)計(jì)的移動(dòng)式直流融冰裝置設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)的移動(dòng)式直流融冰裝置設(shè)計(jì)

0直流融冰裝置設(shè)計(jì)實(shí)施原則及構(gòu)成由于電網(wǎng)覆蓋和雪雪，線路上的跳轉(zhuǎn)、斷線、倒桿、導(dǎo)線舞、分離器閃絡(luò)、通信中斷和大面積停電等事故發(fā)生。歐美和亞洲都有國(guó)家曾因輸電線路覆冰引發(fā)安全事故,中國(guó)也深受其害,尤其是2008年初的長(zhǎng)時(shí)間冰凍災(zāi)害令中國(guó)南方各省損失巨大。從國(guó)內(nèi)外目前的技術(shù)水平來(lái)看,對(duì)于覆冰架空導(dǎo)線,“交流短路融冰”和“直流電流融冰法”是最為成熟可行的2種融冰手段。然而考慮到高壓輸電導(dǎo)線的交流阻抗及其對(duì)融冰電流的要求,傳統(tǒng)的交流短路融冰方法所需電源容量巨大且實(shí)現(xiàn)困難。與交流融冰法不同,在一定的環(huán)境條件下,直流融冰所需要的電源容量由于只取決于融冰線路的單位長(zhǎng)度直流電阻和導(dǎo)線長(zhǎng)度而大大降低,并可方便地實(shí)現(xiàn)零起升流,正成為融冰研究應(yīng)用的重點(diǎn)。前蘇聯(lián)自1972年開始使用二極管整流裝置實(shí)現(xiàn)直流融冰,現(xiàn)在主要采用晶閘管整流裝置。法國(guó)AREVA公司則開發(fā)了被稱為HVDCice的直流融冰裝置應(yīng)用于加拿大魁北克省的主要樞紐Levis變電站,當(dāng)不用于融冰時(shí),裝置還可作為靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)使用。相比較而言,國(guó)內(nèi)的直流融冰裝置研究近期才成為熱點(diǎn)。2008年10月,南方電網(wǎng)公司福泉500kV變電站60MW固定式直流融冰裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);2008年12月,國(guó)家電網(wǎng)公司益陽(yáng)500kV復(fù)興變電站120MW固定式直流融冰裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。然而,由于研究與應(yīng)用時(shí)間較短,目前公開發(fā)表的可供參考的直流融冰技術(shù)文獻(xiàn)較少,尤其是在多用途、移動(dòng)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)用方面。本文所述江西電網(wǎng)2套不同類型的直流融冰裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)施經(jīng)驗(yàn),為類似裝置的推廣和應(yīng)用起到有益的參考作用。1直流融冰裝置的設(shè)計(jì)實(shí)施原則直流融冰裝置的基本原理是在線路中通以直流使其產(chǎn)生的熱量大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和,從而使覆冰融化。較為準(zhǔn)確地核算出不同類型線路所需的融冰電流是裝置設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。使導(dǎo)線覆冰融化所需的融冰電流Ir的常用計(jì)算公式為:Ι2rR0Τr=ΔtRΤ0+RΤ1Τr+10g0db+0.045g0D2ΔtRΤ0+RΤ1(RΤ1+0.22RΤ0lnDd)(1)I2rR0Tr=ΔtRT0+RT1Tr+10g0db+0.045g0D2ΔtRT0+RT1(RT1+0.22RT0lnDd)(1)式中:Ir為融冰電流(A);R0為0℃時(shí)導(dǎo)線電阻(Ω/m);Tr為融冰時(shí)間(h);Δt為導(dǎo)線溫度與外界氣溫差(℃);g0為冰的相對(duì)體積質(zhì)量(一般取0.9);b為覆冰每邊冰厚(cm);D為導(dǎo)線覆冰后的外徑(cm);RT為對(duì)流及輻射等效熱阻,對(duì)于雨凇,RΤ=(0.09D+0.22+0.73(VD)23)-1RT=(0.09D+0.22+0.73(VD)23)?1,對(duì)于霧凇,RΤ=(0.04D+0.84(VD)34)-1RT=(0.04D+0.84(VD)34)?1;RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻,RΤ0=(lnDd)/(273λ)RT0=(lnDd)/(273λ);V為風(fēng)速(m/s);d為導(dǎo)線直徑(cm);λ為導(dǎo)熱系數(shù)(雨凇為0.0227,霧凇為0.0012)。由式(1)可知,導(dǎo)線類型、融冰時(shí)間和覆冰厚度是影響Ir的主要因素,設(shè)計(jì)時(shí)還要求Ir不得大于導(dǎo)線最大允許電流,同時(shí)為提高效率,融冰操作不應(yīng)在覆冰已十分嚴(yán)重的情況下進(jìn)行。因此,最理想的融冰方式應(yīng)當(dāng)是將線路覆冰監(jiān)測(cè)裝置與直流融冰裝置相結(jié)合,根據(jù)氣象預(yù)測(cè)在線路覆冰的初期即實(shí)施融冰操作,這樣做效果更好,也更為安全。融冰線路的長(zhǎng)度是影響融冰裝置設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要因素,它與裝置的容量直接相關(guān),在設(shè)計(jì)中必須以融冰線路的最大長(zhǎng)度為依據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)容量的核算,此時(shí)其所需直流電壓不得高于裝置所能提供的最高電壓。在需融冰線路對(duì)側(cè)短接的基礎(chǔ)上,融冰裝置的正、負(fù)極輸出端各接一相導(dǎo)線實(shí)施兩相同時(shí)融冰,也可一極接一相,另一極接并聯(lián)的兩相,從而實(shí)施單相融冰。相比較而言,后者雖然完成三相融冰所需改換接線的操作次數(shù)更多,但由于所需電源容量相對(duì)較小,因此在長(zhǎng)線路融冰中更為適宜。值得注意的是,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),為防范線路感應(yīng)電壓的影響,在融冰操作過(guò)程中,融冰線路對(duì)側(cè)可考慮短接接地?？紤]到500kV線路多采用大截面及多分裂導(dǎo)線,結(jié)合融冰線路的長(zhǎng)度,其所需融冰電流及裝置容量將遠(yuǎn)大于220kV及以下電壓等級(jí)線路的需求,加之融冰過(guò)程中可能產(chǎn)生的諧波和無(wú)功電流,其所需輸入電源的容量也將大一些?；谝陨显?設(shè)計(jì)一套裝置同時(shí)應(yīng)用于各電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線融冰較為困難,而將融冰裝置的應(yīng)用對(duì)象分為500kV和220kV及以下2個(gè)電壓等級(jí)將是更好的選擇。結(jié)合變電站電源的實(shí)際情況,前者通常取500kV變壓器35kV繞組作為輸入電源,后者的輸入電源則通常為10kV電壓等級(jí),容量需求更小的也可考慮自備小型發(fā)電機(jī)。由于融冰操作具有極為明顯的季節(jié)性,為提高裝置的性價(jià)比和使用率,在設(shè)計(jì)中必須考慮其多功能性。同時(shí),由于線路覆冰的不確定性,裝置應(yīng)具備可移動(dòng)性。綜合以上分析并針對(duì)江西電網(wǎng)的實(shí)際情況,在對(duì)各條可能覆冰的典型線路進(jìn)行詳細(xì)核算的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)采用2種不同類型的裝置來(lái)實(shí)施500kV線路和220kV及以下電壓等級(jí)線路的直流融冰操作。兩者均為可移動(dòng)式,其中500kV線路直流融冰裝置設(shè)計(jì)容量為20MW,輸入電壓為35kV,最大輸出電流為4kA,采用基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的電壓源型換流器(VSC)式主電路結(jié)構(gòu)。220kV及以下電壓等級(jí)線路直流融冰裝置設(shè)計(jì)容量15MW,輸入電壓10kV,最大輸出電流1.5kA,采用基于晶閘管的全控整流橋式主電路結(jié)構(gòu)。250融冰裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)考慮到500kV線路移動(dòng)式直流融冰裝置對(duì)其多用途性和電能質(zhì)量的要求,采用可關(guān)斷器件構(gòu)成的脈寬調(diào)制(PWM)整流電路成為必然選擇。這樣既能保證融冰操作時(shí)具備較高的功率因數(shù)和較低的諧波含量,同時(shí)考慮到采用可關(guān)斷器件構(gòu)成的PWM整流電路實(shí)質(zhì)上也可受控變?yōu)槟孀冸娐?這將有助于方便地拓展融冰裝置的功能。在設(shè)計(jì)中為降低控制的難度并提高裝置的可靠性,主變流電路由結(jié)合了直流支撐電容Cz、電阻Rz和降壓斬波單元的IGBT型VSC構(gòu)成,如圖1所示。變流電路可通過(guò)直接電流控制法由IGBT脈沖整流實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓,而后經(jīng)由斬波電路實(shí)現(xiàn)連續(xù)直流調(diào)壓,從而控制輸出直流電流。當(dāng)采用最簡(jiǎn)單的控制方式時(shí),可同時(shí)閉鎖圖1中V1~V6的觸發(fā)脈沖,利用其續(xù)流二極管構(gòu)成的三相不可控整流橋完成穩(wěn)壓,再通過(guò)V7的通斷控制完成斬波調(diào)壓。此時(shí)輸出直流電壓Ud為:Ud=1.35ULα(2)式中:UL為輸入線電壓有效值;α為斬波導(dǎo)通比。應(yīng)用于500kV線路的直流融冰裝置其電源的電壓等級(jí)為35kV,由于電壓等級(jí)和容量所限,直接應(yīng)用圖1所示的電路無(wú)法選擇合適的IGBT。采用IGBT的串并聯(lián)是解決此困擾的一個(gè)方法,但由此造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)將使得裝置的控制和保護(hù)難度加大,可靠性和穩(wěn)定性降低。實(shí)際設(shè)計(jì)中,融冰裝置采用多繞組變壓器,通過(guò)變壓器低壓側(cè)多個(gè)變流單元輸出端的串聯(lián)來(lái)解決此問(wèn)題,達(dá)到選用低壓IGBT、輸出高壓直流電壓的目的,如圖2所示。圖2中,整流變壓器TM原邊為35kV繞組,采用星形接法,副邊共有6個(gè)520V繞組,采用三角形接法,每個(gè)副邊繞組連接一個(gè)以主變流單元為主體的功率單元DY,6個(gè)功率單元的直流輸出端按圖2所示方式連接。顯然,由于每個(gè)功率單元的輸入電壓僅為520V,因此變流單元中IGBT型號(hào)的選擇余地很大,也無(wú)需串并聯(lián)。由于功率單元直流輸出串聯(lián),因此盡管單個(gè)模塊的直流輸出電壓僅幾百伏,但融冰裝置總的直流輸出電壓仍可超過(guò)4kV,能夠滿足500kV線路的融冰要求。為防止在直流電容的初始充電儲(chǔ)能過(guò)程中過(guò)電流對(duì)電子器件帶來(lái)的損害,裝置輸入斷路器模塊由帶限流電阻的斷路器和普通斷路器并聯(lián)構(gòu)成。正常合閘時(shí)帶限流電阻的斷路器首先閉合,延時(shí)數(shù)秒后普通斷路器自動(dòng)閉合,而后帶限流電阻的斷路器自動(dòng)斷開。為實(shí)現(xiàn)裝置的可移動(dòng)化,在裝置內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì),將單個(gè)主變流單元中的IGBT、驅(qū)動(dòng)部件、二極管、電容、連接母線、水冷散熱器、單元控制器等元部件集中到一個(gè)模塊內(nèi),構(gòu)成箱式變流單元模塊,以減少雜散電感,降低干擾,方便散熱和維護(hù)。箱式變流單元模塊輸入端與濾波電感Lo和濾波電容Co連接構(gòu)成功率單元。圖2所示的6個(gè)變流模塊單獨(dú)組屏構(gòu)成功率單元柜,相對(duì)應(yīng)的濾波電感和濾波電容放在一起形成電抗器柜,冷卻水系統(tǒng)和控制柜組裝在一個(gè)柜體內(nèi)形成控制柜,連同進(jìn)線開關(guān)柜、出線開關(guān)柜和變壓器的所有柜體均放置于一臺(tái)半掛式平板拖車的箱體內(nèi),如附錄A圖A1所示?？紤]到擬融冰線路長(zhǎng)短不一,其對(duì)融冰裝置容量的要求也有所差異,另外從器件選型考慮,20MW容量用一套裝置實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上有一定風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)中采用4套如附錄A圖A1所示的電源車構(gòu)成。單臺(tái)電源車容量5MW,各車可單獨(dú)或并聯(lián)使用,其中4臺(tái)車并聯(lián)使用達(dá)到最大容量20MW,如附錄B圖B1所示?；赩SC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),裝置也很容易被改造成輕型柔性直流輸電系統(tǒng),見(jiàn)附錄C圖C1。此時(shí)只需將同一電源車內(nèi)所有功率單元之間采用串聯(lián)模式形成一個(gè)換流站,2組電源車采用背靠背模式,中間直流部分通過(guò)直流電纜相聯(lián),除此之外,系統(tǒng)其他主回路及控制硬件都只需改變控制軟件即可。3220kV及以下電壓等級(jí)線路移動(dòng)式直流融冰裝置220kV及以下電壓等級(jí)線路移動(dòng)式直流融冰裝置設(shè)計(jì)的主要要求是簡(jiǎn)單、可靠且造價(jià)低,對(duì)電能質(zhì)量和多用途性沒(méi)有過(guò)多要求,為此,主電路采用基于晶閘管的全控整流橋式結(jié)構(gòu),如圖3所示。裝置主要由10kV進(jìn)線斷路器QF、陽(yáng)極電抗器L1、帶續(xù)流二極管VD11~VD17的晶閘管三相全控橋及其相應(yīng)的RC吸收回路、直流輸出隔離開關(guān)QS、避雷器和電壓互感器、電流互感器等構(gòu)成。正常工作時(shí),由晶閘管串構(gòu)成的各個(gè)橋臂依次導(dǎo)通,通過(guò)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角度改變直流輸出電壓,融冰線路作為阻感負(fù)載其電流亦隨之改變,從而實(shí)現(xiàn)輸出電流0~1.5kA的連續(xù)調(diào)節(jié)。融冰過(guò)程中的無(wú)功Q和輸入電流諧波In與晶閘管的觸發(fā)延遲角α密切相關(guān),在融冰線路參數(shù)較為準(zhǔn)確的前提下可根據(jù)式(3)和式(4)預(yù)先計(jì)算出來(lái),從而有助于為調(diào)試試驗(yàn)和實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的諧波和電壓波動(dòng)問(wèn)題提供完善的處理預(yù)案。Q=√3×√23×1.35U2LcosαR×√1-(0.955cosα)2(3)Ιn=√6nπ1.35ULcosαRn=2,3,?(4)式中:R為線路直流電阻值;UL為母線線電壓?？紤]到裝置交流進(jìn)線直接接入10kV電源,由于額定電壓所限,晶閘管和續(xù)流二極管必須分別串聯(lián)使用。其串聯(lián)個(gè)數(shù)的確定依據(jù)為:每相晶閘管或續(xù)流二極管串聯(lián)后其不可重復(fù)峰值電壓VDRM之和不得低于2.5倍母線額定峰值電壓(不包括熱備用晶閘管或續(xù)流二極管),且晶閘管閥或續(xù)流二極管的冗余度至少應(yīng)為1個(gè),則總電壓可靠性系數(shù)為:kV=(nS-1)VDRΜ√2UL>2.5(5)本工程所選晶閘管和二極管的VDRM均為6500V,UL=10.5kV,由式(5)可知,串聯(lián)晶閘管和續(xù)流二極管個(gè)數(shù)nS取7即可滿足要求。為使移動(dòng)方便,整套裝置所有設(shè)備集中放置于一個(gè)集裝箱體內(nèi),可整體吊裝,輸入/輸出電纜采用穿墻套管從箱體側(cè)面連接,整體布置如附錄D圖D1所示。根據(jù)融冰操作時(shí)的實(shí)際情況,裝置正常工作時(shí)的環(huán)境最高溫度設(shè)定為10℃,以此為依據(jù)進(jìn)行裝置緊湊化的冷卻方案設(shè)計(jì)。最終確定采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng),工作時(shí)冷卻風(fēng)從集裝箱下部打開的窗口進(jìn)入整流柜的下風(fēng)道,通過(guò)裝在頂部的3個(gè)軸流風(fēng)機(jī)把工作中產(chǎn)生的熱量從柜頂排出。4移動(dòng)式融冰裝置系統(tǒng)試驗(yàn)江西應(yīng)用的2套融冰裝置的系統(tǒng)試驗(yàn)基本相同,僅在一些細(xì)節(jié)上有差異。主要有以下幾個(gè)部分:1)一般檢查與低壓試驗(yàn)首先需要檢查運(yùn)輸過(guò)程對(duì)設(shè)備有無(wú)損傷及明顯的外部問(wèn)題;然后進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試,即采用2.5kV兆歐表分別測(cè)量主電路和輔助電路對(duì)外機(jī)殼的絕緣電阻。在絕緣電阻檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上,接入控制電源,對(duì)裝置的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試;在無(wú)異常的情況下,再進(jìn)行低壓觸發(fā)試驗(yàn)。對(duì)500kV裝置而言,可將380V交流電源接入單個(gè)功率單元模塊依次進(jìn)行觸發(fā)測(cè)試;對(duì)220kV及以下線路直流融冰裝置,依次短接各橋臂除一個(gè)晶閘管外的其他6個(gè)晶閘管,接入380V交流電源,觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管,測(cè)試觸發(fā)脈沖與輸出電流,依次驗(yàn)證每個(gè)晶閘管都能夠觸發(fā)導(dǎo)通。低壓觸發(fā)若正常,即可應(yīng)用繼保測(cè)試儀進(jìn)行采樣精度以及保護(hù)定值的校驗(yàn)。2)空載投切與調(diào)壓試驗(yàn)緊接低壓試驗(yàn)后進(jìn)行的空載投切與調(diào)壓試驗(yàn),主要目的是驗(yàn)證融冰電源在額定電壓、無(wú)電流情況下的耐壓能力及裝置在空載模式下的控制系統(tǒng)功能特性。一般而言,空載投切3次,每次間隔5min~10min,第3次投入之后進(jìn)行空載調(diào)壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄母線電壓,檢查融冰裝置控制系統(tǒng)同步電壓的大小和相位,測(cè)試驗(yàn)證交流輸入電壓和直流輸出電壓,巡視晶閘管閥體、冷卻系統(tǒng)、避雷器、電抗器等設(shè)備有無(wú)異常。3)模擬負(fù)載試驗(yàn)為在線路試驗(yàn)之前進(jìn)一步確認(rèn)裝置的運(yùn)行狀態(tài),空載投切與調(diào)壓試驗(yàn)之后還可進(jìn)行模擬負(fù)載試驗(yàn),即用阻感性負(fù)載模擬融冰線路,進(jìn)行30min以上200A~400A直流輸出電流的測(cè)試試驗(yàn)。考慮到500kV融冰裝置的特殊性,此項(xiàng)試驗(yàn)還需分為1臺(tái)車、2車并聯(lián)及4車并聯(lián)這3種典型運(yùn)行方式分別進(jìn)行。多車并聯(lián)運(yùn)行時(shí)還需特別注重各臺(tái)車直流輸出電流的均衡性。由于融冰裝置采用移動(dòng)式結(jié)構(gòu),空間比較緊湊,對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求相對(duì)更高,因此,在此項(xiàng)試驗(yàn)中要格外注意功率器件溫升是否正常。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),水冷方式下10min左右裝置即可達(dá)到熱平衡,風(fēng)冷方式下則需20min左右。4)帶線路融冰試驗(yàn)?zāi)M負(fù)載試驗(yàn)通過(guò)之后即可進(jìn)入最后階段的帶線路融冰試驗(yàn)。其中500kV線路裝置在夢(mèng)山變電站選用500kV夢(mèng)永Ⅱ線進(jìn)行試驗(yàn),220kV及以下線路融冰裝置在虎崗變電站選用220kV萬(wàn)虎I線進(jìn)行試驗(yàn)。為穩(wěn)妥起見(jiàn),帶線路融冰試驗(yàn)可分為2個(gè)階段。第1階段升流至額定值的50%左右,運(yùn)行一段時(shí)間后再將輸出電流降