专利名称：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L6vis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
3Udp和Udn，直流侧电流互感器Idp和Idn，直流侧刀闸Si、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Sl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与直流侧刀间S3、S4的一端连接，直流侧刀间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IOOHz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| > AUsetl2) I Udp+Udn I > Δ Uset2式中Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，AUsetl为I段(报警段)定值， AUset2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 > AUsetl 式时 I 段报警；2)满足I Udp+Udn | > Δ Uset2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AUsetl 取 0. 05-0. lpu，延时取 1000ms-5000ms ； AUset2 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。
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。
具体实施例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IOkV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IOkV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IlOkV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IlOkV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IlOkV主变IOkV侧的直流融冰装置，220kV主变或IlOkV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IlOkV主变IOkV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IOkV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IlOkV主变IOkV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Si、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Sl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| > AUsetl2) I Udp+Udn | > Δ Uset2式中Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，AUsetl为I段(报警段)定值， AUset2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 > AUsetl 式时 I 段报警；2)满足I Udp+Udn | > Δ Uset2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Δ Usetl 取 0. 05-0. Ipu,延时取 1000ms-5000ms ； Δ Uset2 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IlOkV主变IOkV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IlOkV主变IOkV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IlOkV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°C，风速5 注米/秒，覆冰厚度IOmm ；2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20°C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°C，风速注5米/秒，覆冰厚度IOmm ；2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20°C值。表3直流融冰装置的保护配置 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。都勻地区是2008年初冰灾期间受灾最严重的地区之一，创下都勻市“全黑” 12 天的历史记录。在1月7日、8日对这一地区的IlOkV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 IlOkV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。
8
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IlOkV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IlOkV通梅线(220kV通济站-IlOkV 大桥站-1 IOkV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IlOkV通梅线导线温度开始逐 步上升，到导线温度升至8°C至10°C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°C，注风速5米/秒，覆冰厚度IOmm ；2.偏保守计算，输电线路直流电阻取20°C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
权利要求
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 > AUsetl2)|Udp+Udn|> AUset2式中Udp直流侧正极电压，Udn直流侧负极电，AUsetl为I段(报警段)定值， AUset2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> AUsetl式时I段报警；2)满足|Udp+Udn|> AUset2式时II段动作移相闭锁，跳交流断路器，锁定交流断路o
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 AUsetl 取 0. 05-0. lpu,延时 1000ms-5000ms ； AUset2 取 0. 15-0. 3pu,延时 100ms-300mso
全文摘要
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。
文档编号H02H3/04GK101882774SQ20101014008
公开日2010年11月10日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者傅闯, 吴怡敏, 李立浧, 许树楷, 赵杰, 饶宏, 黎小林 申请人:南方电网技术研究中心