发电机带线路融冰方式分析与计算

陈贤军，肖高美

（湖南省东江水力发电厂，湖南 资兴 423403）

0　引言

输电线路冰灾是电力系统最严重的威胁之一，2008年那场给我们带来身心伤害的冰灾记忆犹新，由于积雪的重压和严重的结冰，很多输电线路无法正常送电，造成电网大范围破坏，经济损失无可估量。当线路有融冰需求时就要第一时间抢在冰灾对整体线路造成重大损失前采取融冰措施。目前融冰方式有交流融冰方式与直流融冰方式。发电机带线路融冰属于交流融冰方式，其基本原理是改变电流的原始正常输电路径，将线路一端特意造成短路，另一端由发电机提供融冰交流电源，利用短路过程产生的大量热能 (控制在导线最大允许电流范围之内)把附在线路上的积冰融化。

1　发电机带线路融冰情况分析

发电机经变压器带融冰线路融冰一般有直接零起升压和带电压冲击合闸两种方案。零起升压方式简单易操作，适合所需融冰电流较小时。若融冰线路需要提供较大的电流，折算到变压器低压侧时电流可能超过单机的额定电流，那么单机满足不了融冰需求，就需要几台机组带一条线路来融冰了。此时就需要几台机组并列至融冰母线后再向线路冲击合闸，若采用全电压冲击，可能造成一次设备损坏，所以只能同步缓慢调整励磁电流，将融冰母线电压从额定降至某一电压后，合上线路断路器，对短路点进行冲击合闸了。待机组稳定后，将几台机组同步増磁，提高融冰电压，增大融冰电流至所需电流值。

融冰线路的终端三相短路接地，发电机组融冰时用某一电压向融冰线路进行冲击，实质就是一个短路过程，由暂态到稳态。暂态过程需考虑机组、线路、主变、电流互感器、励磁变等电力设备能承受的电流值。到达稳态后，可以通过增加励磁电流提高融冰电压直至所需融冰电流值。短路电流波形图如图1所示，短路电流由周期分量和非周期分量组成，周期分量决定了稳态短路电流的数值，非周期分量是衰减的直流分量，非周期分量的初始值（最大值）与短路发生瞬间负荷电流大小有关，最大情况发生在负荷电流为零而短路电流周期分量为最大值时发生短路。短路电流的实际波形为最初偏向时间轴一侧，并逐渐衰减为稳态周期分量，其最大值发生在短路后约半个周波瞬时。

图1　短路电流波形图

2　发电机带线路融冰方式选择

采用冲击合闸法冲击时电压低机组稳不住，冲击电压高造成冲击电流过大损坏系统设备。选择冲击电压时只能从较小电压开始往上加，直到融冰机组能够稳住。这样又会导致机组、主变等设备受到多次冲击。因此，只有分析计算选择合理冲击电压，一次性成功，才能既保证融冰时机组稳定输出融冰电流又避免对系统设备造成不能承受的冲击。另一方面融冰机组数量的选择也有着重要的影响。下面以某水电厂的融冰情况为例进行分析计算。

2.1　某厂融冰一次接线（图2）

图2　某水电厂融冰一次接线图

2.2　发电机、变压器等设备参数（表1）

表1　某水电厂发电机参数

变压器当前运行变比为235.95 kV/13.8 kV，短路阻抗0.128Ω，线路电流互感器变比为800 A/5 A。

2.3　测试励磁系统自并励方式下最低自维持电压

为验证励磁系统自并励方式下最低自维持电压，在2号机空载情况下进行了试验。试验录波图如图3所示。

图3中UAB为机端电压，UFD为转子电压，IFD为转子电流。

试验结果表明，机端最低自维持电压为1 400 V，即约为额定电压的10%。考虑到机组之间的差异与可靠性，计算时机端最低电压取额定电压的12%，即1 656 V。

图3　机端最低自维持电压测试录波图

合闸瞬间最低励磁电流计算：励磁变变比为13 800 V/700 V，机端电压12%时，励磁变输出电压为84 V，励磁调节器最小控制角按20°计算，此时所能输出最大转子电压为：Ud＝1.35×84×cos20°＝106.6 V；转子电阻0.275 Ω，运行时按额定转子电压与额定转子电流考虑：R＝360/1 112＝0.32 Ω；此时能输出的最大转子电流为Id＝106.6/0.32＝333 A；励磁变电流输出：I＝333×0.816＝272 A，励磁变额定电流为1 319.7 A，此时励磁电流满足融冰需求。

2.4　机组数量选择

当机组向融冰线路冲击，冲击电压越高，机组稳态电压越高，越易稳定，但电压越高线路电流越大，线路电流一般短时应不超过1 000 A（额定800 A），当线路电流达到800～1 000 A时，折算到机组侧电流 为800×235.95/13.8=13678A，1000 ×235.95/13.8=17 098 A，机组额定电流6 508 A，两台机额定电流之和为6 508×2=13 016 A＜13 678 A，3台机额定电流之和6 508×3=19 524 A＞17 098 A。

由两台机融冰方式也曾做过试验。由2、4号机组在空载情况下并列后同时向线路输送融冰电流，同时在方案中将融冰电流控制在相应安全范围内。在试验过程中发现双机方式下机组励磁系统不足以支撑住机端电压，造成机端电压不断下降，机组失磁后跳灭磁开关，图4为双机方式下冲击电压最高的试验波形图。

从图4中可以看出，合闸时的机端电压达到4 700 V，机端电压在线路开关合上后一直下降，最后低于励磁系统最低同步电压，造成机组失磁。冲击瞬间机组定子电流已经达到6 376 A，接近机组额定定子电流6 508 A，如再升高电压进行试验，冲击瞬间将对机组的安全不利，因此不能采用双机方式，考虑电厂必须一台机变单元带厂用电，所以只能采用三机方式试验。三机方式下冲击试验见图5。

图4　双机方式下冲击试验的波形图

图5　三机方式下冲击试验的波形

从图5可见，机端电压最低值为1 100 V，比最低同步电压略低，经过运行人员对3台机同时增磁，机端电压维持在最低同步电压之上，机端电压稳定在1 500 V。转子电压和机端电压的摆动幅度大幅降低。至此，融冰冲击试验成功。

3　发电机带线路融冰冲击电压计算

3台发电机带线路融冰电路图见图6，其等效图见图7。

以某实际融冰方式为例进行计算，某方式下融冰线路阻抗34.4 Ω，融冰电压48 kV。

发电机次暂态参数折算至变压器侧：0.177×150/155.6=0.1706

图6　3台发电机带线路融冰电路图

图7　等效电路图

发变组次暂态阻抗：0.1706+0.128=0.2986，有名值：0.2986×230×230/150=105 Ω

发电机稳态参数折算至变压器侧：0.927×150/155.6=0.894

发变组次暂态阻抗：Xd〃=0.894+0.128=1.022，有名值：1.022×230×230/150=360 Ω

假设3台机并列至融冰母线时，220 kV融冰母线电压从正常运行时的230 kV降至90 kV时合上线路开关。

暂态短路电流：90000/（105/3+34.7）/1.732=745A

母线暂态电压：1.732×745×34.7=44.8 kV

机组暂态电压：44.8+(1.732×745×0.128×230×230/150)/3=60 kV/(235.95/13.8)=3.51 kV

稳态短路电流：90000/（360/3+34.7）/1.732=336A

母线稳态电压：1.732×336×34.7=20 kV

机组稳态电压：20+(1.732×336×0.128×230×230/150)/3=28.7 kV/（235.95/13.8）=1.68 kV

机组稳态电压大于最低自维持电压1 656 V，说明此冲击电压下机组能稳住，稳定后增磁提高融冰电压至48 kV，至此融冰成功。

4　结语

我国是输电线路敷冰较为严重的国家之一，严重敷冰导致输电线路机械和电气性能急剧下降，威胁电力系统安全运行。在实际工作中我们必须摸索和积累经验，分析发电机带线路融冰的本质特征，通过计算选择合适的融冰方式，保障电网与设备安全稳定运行。

参考文献：

[1]国家电力调度中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，1999：13.