時(shí)智勇1，袁 蒙1，賁寶強(qiáng)1，謝新航2
（1. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京102200；2. 北京交通大學(xué)，北京100044）
摘 要： 針對OPGW的去除覆冰難題，提出了基于內(nèi)嵌式OPGW的直流融冰技術(shù)，該方法通過在OPGW內(nèi)部增加若干條阻抗低且有一定強(qiáng)度的除冰專用導(dǎo)線，或采用中心專用導(dǎo)線替換中心加強(qiáng)件，無需對線路設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，外接一種基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）斬波調(diào)壓電路的電壓源換流器，借助光纖測量和通信技術(shù)，達(dá)到智能融冰功能，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞： 光纖復(fù)合架空地線；嵌入式；電壓源換流器；直流融冰
0 引言
我國是線路覆冰嚴(yán)重的國家之一，發(fā)生過多次線路斷線和桿塔折斷的大規(guī)模電網(wǎng)故障[1]。目前最為有效的融冰方法是熱融冰法，即大電流通過線路使線路發(fā)熱從而達(dá)到融冰的效果。針對線路中導(dǎo)線的融冰技術(shù)已相對成熟[2-3]，并有相應(yīng)的融冰產(chǎn)品投入使用。光纖復(fù)合架空地線 （Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW）在正常工作時(shí)無電流通過，故在相同氣象條件下覆冰厚度更大，且其機(jī)械強(qiáng)度通常比導(dǎo)線低，運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示架空地線的中斷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于輸電導(dǎo)線的中斷數(shù)量。光纖復(fù)合架空地線的斷線使得桿塔張力不平衡，從而導(dǎo)致塔頭明顯傾斜扭曲，甚至折斷[4]。我國的大部分輸電線路都架設(shè)有OPGW， OPGW斷線將導(dǎo)致電力通信通道中斷，危及電力控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此解決光纖復(fù)合架空地線的覆冰問題刻不容緩。目前針對OPGW的融冰尚無有效手段， 本文提出采用基于內(nèi)嵌式OPGW的直流融冰技術(shù)，可有效解決覆冰問題。
1 OPGW融冰特性
1.1 OPGW融冰特點(diǎn)分析
OPGW兼具通信通道和避雷線的功能，十多年來已在高壓輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用。通常情況下,普通避雷線為減少環(huán)流損耗可采用絕緣地線或分段絕緣、一點(diǎn)接地的方式，而OPGW要起到避雷線和通信通道的雙重作用，基本采用逐基接地方式，故在正常運(yùn)行狀態(tài)下，OPGW中不存在環(huán)流損耗；另外，采用逐基接地方式也可適度減少雷電先導(dǎo)向OPGW發(fā)展和擊中的概率。
OPGW與輸電導(dǎo)線直流融冰的不同之處在于導(dǎo)線相對大地是絕緣的，而OPGW是逐基塔接地的。由于常規(guī)情況下地線與鐵塔之間并不絕緣，直流電源接入地線后，無法如架空導(dǎo)線一樣使直流電流僅通過導(dǎo)體形成回路，因此，在一定程度上導(dǎo)線的融冰技術(shù)并不適用于OPGW線路。
我國的OPGW多為全鋁包鋼結(jié)構(gòu)，考慮耐雷特性，多層的股線大多為低導(dǎo)電率的鋁包鋼絞線，其電阻較大，所需的融冰電流較小，但所需的融冰電壓比較高，極有可能會(huì)破壞地線的絕緣或絕緣間隙。另外，由于直流融冰電源裝置一般由晶閘管整流得到，電壓等級(jí)的提高會(huì)導(dǎo)致融冰裝置設(shè)備成本增加，同時(shí)，小電流也不利于晶閘管整流器的換相，可能會(huì)給整流設(shè)備帶來額外損傷，不利于融冰裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。所以O(shè)PGW的融冰需對架空地線結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的融冰電源。
1.2 內(nèi)嵌式OPGW特性
內(nèi)嵌式OPGW是將幾根滿足性能要求的絕緣導(dǎo)線絞合于OPGW內(nèi)層與外層之間，同時(shí)應(yīng)滿足拉斷力、融冰導(dǎo)流、懸掛點(diǎn)承受應(yīng)力的要求。
對于短距離線路，可以通過在內(nèi)部增加一條阻抗低且有一定強(qiáng)度的除冰專用導(dǎo)線替換一條鋁包鋼線，或采用中心專用導(dǎo)線的方式替換中心加強(qiáng)件或者插入中心鋁管，這樣對現(xiàn)有線路上的其他元件沒有額外的要求，不需要對線路設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，一般110 kV以下線路均可以采用此種方式。圖1為鋁包層內(nèi)部增加若干根相互絕緣的鋁漆包線作為融冰載流導(dǎo)體的截面示意圖。
對于長距離線路。可直接采用增大OPGW線徑以保證其地線單元電氣性能，將OPGW 內(nèi)部的鋁包鋼拉線進(jìn)行絕緣處理，作為通電后的發(fā)熱導(dǎo)體。
根據(jù)估算，如果采用鋁包鋼線作為絕緣導(dǎo)體，按照每根抗覆冰OPGW 內(nèi)部6根2.5 mm 鋁包鋼線計(jì)算，每100 km的直流電阻低于200 Ω，很容易達(dá)到融冰條件需要。而且其架設(shè)方式也無特殊要求，僅需要在光纜接頭盒內(nèi)增加導(dǎo)線的接續(xù)工作即可，如圖2所示。
2 OPGW直流融冰電源以及方案設(shè)計(jì)
應(yīng)用于輸電線上的融冰方法主要包括交流融冰和直流融。交流融冰電源產(chǎn)生大量的無功，造成電力系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重，因此直流融冰成為電網(wǎng)融冰研究應(yīng)用的主要方向。直流融冰是將交流電源通過大功率電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)化為直流進(jìn)而加熱一定長度的覆冰線路達(dá)到融冰目的[5-6]。
傳統(tǒng)直流融冰裝置大都采用二極管不控整流或晶閘管整流橋構(gòu)成，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，但體積大，諧波含量高，低負(fù)載時(shí)產(chǎn)生大量無功，效率較低，可控性較差。為此提出采用基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的電壓源型換流器作為直流電源，該電源直流側(cè)電壓連續(xù)可調(diào)，交流側(cè)可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，諧波含量低，模塊化設(shè)計(jì)支持多電源并聯(lián)，易于移動(dòng)。其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
從結(jié)構(gòu)上看，融冰電源主要由進(jìn)線斷路器、軟起電阻、整流變壓器、濾波電抗器以及基于IGBT的三相半橋電壓源換流器組成。其中R為OPGW的等效電阻。濾波電抗器的主要作用為：隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢與換流器交流側(cè)電壓，控制換流器交流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；濾除交流電流諧波；儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)換流器與電網(wǎng)傳遞無功功率；使換流器具有升壓變換(Boost)特性。直流電容的主要作用為：緩沖交流側(cè)與直流負(fù)載之間的能量交換，穩(wěn)定直流電壓；抑制直流側(cè)諧波電壓。
換流器實(shí)際上是一個(gè)交、直流側(cè)可控的四象限變流裝置。圖4為電壓源換流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)有功無功獨(dú)立控制，其中有功部分直接決定融冰的直流電壓，無功部分通常設(shè)定為零，保持電源側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行[7]。
內(nèi)嵌式OPGW的改造為直流融冰提供了可構(gòu)成回路的導(dǎo)體，其內(nèi)部載流導(dǎo)體與桿塔絕緣，通過接頭盒分段接出，根據(jù)融冰電源容量和直流電壓確定每次融冰距離。如圖5所示，8根相互絕緣的鋁漆包線分為兩組，在首端將其中4根短接，接入融冰直流電源正極，其余4根短接接入電源負(fù)極，在OPGW末端，將所有鋁漆包線短接，從而構(gòu)成回路。
由于OPGW 內(nèi)包含光單元，使之在新技術(shù)應(yīng)用的靈活度上大大高于普通電力導(dǎo)線，可以采用光纜測溫技術(shù)（分布式光纖測溫系統(tǒng)DTS、準(zhǔn)分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)FBG）實(shí)時(shí)監(jiān)測OPGW 的運(yùn)行溫度，一旦OPGW 的溫度接近或低于0℃，則可啟動(dòng)外部電源對OPGW 進(jìn)行升溫，甚至可以通過程序控制OPGW 運(yùn)行溫度，使之在固定的溫度區(qū)間運(yùn)行。
3 試驗(yàn)
內(nèi)嵌式OPGW參數(shù)等效如表1所示。
圖6為電壓源換流器交流側(cè)PT、CT二次電壓電流波形，其中通道1為電壓，通道2為電流，融冰投入瞬間，電流輸出迅速響應(yīng)，電壓電流相位基本一致，電源側(cè)保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。
圖7為電壓源換流器直流側(cè)輸出電流和直流電壓，在響應(yīng)瞬間，直流電流階躍變化，直流電壓經(jīng)過短暫擾動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定。
4 結(jié)論
分析了OPGW直流融冰的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展?fàn)顩r，針對接地線逐基接地的接線方式，本文提出了采用基于內(nèi)嵌式OPGW的直流融冰技術(shù)，該方法通過對OPGW內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，增加若干條阻抗低且有一定強(qiáng)度的除冰專用導(dǎo)線，或采用中心專用導(dǎo)線替換中心加強(qiáng)件，無需對線路設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，直流融冰電源采用基于IGBT的三相半橋電壓源換流器，取代傳統(tǒng)二極管與晶閘管整流源，借助光纖測量和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能融冰功能。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法的正確性和可行性。
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