《直流融凍的主迴路設定方法》是南方電網科學研究院有限責任公司、南京南瑞繼保電氣有限公司於2009年3月6日申請的專利，該專利申請號為2009100257217，公布號為CN101540491，公布日為2009年9月23日，發明人是傅闖、田傑、康鵬、陳赤漢、晁劍、陳松林、趙傑、趙立進、張迅。
《直流融凍的主迴路設定方法》包括三相三繞組整流變壓器、12脈動整流裝置、控制保護裝置、自動切換裝置和直流側刀閘，三相三繞組整流變壓器的接線組採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線、三相三繞組整流變壓器的兩個低壓側繞組相位移30度，三相三繞組整流變壓器的兩組組低壓側的三相輸出分別連線到12脈動整流裝置即換流器的兩個閥組的三相輸入，12脈動整流裝置的正負極輸出在直流融冰方式時分別通過直流側開關連線到需要進行融凍的三相交流線路，形成直流融冰主迴路，對三相交流線路進行直流融冰。該發明具有均衡融冰、長期大電流運行功能，能夠安全、方便、快捷融冰；直流融冰擴展一次設備可兼顧無功補償功能。
2021年6月24日，《直流融凍的主迴路設定方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
基本介紹
- 中文名：直流融凍的主迴路設定方法
- 公布號：CN101540491
- 申請人：南方電網科學研究院有限責任公司、南京南瑞繼保電氣有限公司
- 發明人：傅闖、田傑、康鵬、陳赤漢、晁劍、陳松林、趙傑、趙立進、張迅
- 申請號：2009100257217
- 申請日：2009年3月6日
- 公布日：2009年9月23日
- 地址：廣東省廣州市珠江新城華穗路6號
- 代理機構：南京天翼專利代理有限責任公司
- 代理人：湯志武、王鵬翔
- Int. Cl.：H02G7/16(2006.01)I
- 類別：發明專利
技術背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,專利榮譽,
技術背景
輸電線路在冬季覆冰嚴重威脅電力系統的安全運行。由於導線上增加了冰載荷，對導線、鐵塔和金具都會帶來一定的機械損壞，覆冰嚴重時會斷線、倒桿塔，導致大面積停電事故，對中國國民經濟造成重大損失。
中國國內外研究融凍的幾種思路為：將電能轉化為熱能融冰；將電能轉化為機械能以破壞輸電線上的覆凍的物理結構，達到使覆冰脫落的目的；直接破壞物理結構的機械法除冰。
中國自20世紀70年代以來就一直在220千伏以下線路上採用交流短路方法對嚴重覆冰線路進行融冰，對防止冰災起到了較好的作用。由於交流融冰需要很高的熱量，且交流線路存在電抗，致使220千伏及以下線路融冰時要求的融冰電源容量是線路實際融冰功率的5～10倍；對於500千伏以上超高壓和特高壓交流輸電線路融冰時要求的融冰電源容量是線路實際融冰功率的10～20倍。在實施交流電流短路融冰時往往存在融冰電源容量遠遠不足的問題。因此，對於500千伏或更高電壓等級輸電線來說，由於難以找到滿足要求的融冰電源，採用交流短路融冰方案不可行。
由於交流短路融冰法的局限，國際上自20世紀80年代開始就一直在探討直流融凍的可能和開發直流融冰裝置。與傳統的三相交流短路融冰方法相比，直流融冰技術也是利用短路電流融冰方法，但融冰電流為直流，其電源由系統主變低壓側提供。該方法下線路等效阻抗主要取決於線路電阻參數，遠小於交流短路融冰時線路阻抗，對融冰電源容量要求低。通過大量實踐經驗的總結，發現採用直流融冰是一種切實可行、經濟有效的防止冰災事故發生的技術方法和措施。中國國外已經開始進行相關裝置的研製。
1998年的北美冰風暴災難後，魁北克水電公司考慮了各種線路融冰措施。通過加強網架的辦法帶來的投資巨大，而交流短路融冰不能解決200千米範圍的線路覆冰問題。所以，最終選擇了與AREVA公司合作，投入2500萬歐元開發了一套高壓直流融冰裝置，該裝置裝設於魁北克的Lévis變電站。但截至2009年3月6日，該裝置還沒有完成現場調試。
截至2009年3月6日，中國國內外提出直流融冰裝置，未見採用該發明提出的技術方案。在AREVA公司方案和中國電力科學研究院申請專利200810223583.9中採用主接線重構方式實現融冰和SVC功能，設備及接線複雜；都不具備《直流融凍的主迴路設定方法》的方案接線簡單，對系統的諧波影響很小，不必配置濾波器組等優點。
Areva方案中：直流融冰裝置在融冰工作方式時，交流側採用三繞組變壓器的一個中壓繞組（43千伏）同時經過換相電抗器（分別連線兩個6脈動換流器，共兩組各3台電抗器）分別連線兩個6脈動換流器的方式；直流側採用兩個6脈動換流器的輸出通過均流電抗器並聯的方式。
在動態無功補償（SVC）工作方式時，交流側需將一組3台換相電抗器改接線到三繞組變壓器的一個低壓繞組（20千伏），再連線到一個6脈動換流器，並且只使用該6脈動換流器中間部分可控矽閥；該6脈動換流器可控矽閥正反並接後再連線到另一組3台換相電抗器。該方式是典型的三角形連線的TCR（晶閘管控制電抗器型靜止無功補償）接線。
發明內容
專利目的
《直流融凍的主迴路設定方法》的目的：提出直流融凍的主迴路設定方法，適用於高壓及特高壓電網輸電線路的融冰，通過擴展直流融冰迴路的少量一次設備，實現將無功控制功能作為直流融冰裝置的輔助功能，提供線路需要的感性無功功率的功能，進行動態無功補償。
技術方案
《直流融凍的主迴路設定方法》的技術方案是：
直流融凍的主迴路設計方法，包括三相三繞組整流變壓器、12脈動整流裝置、控制保護裝置、自動切換裝置和直流側刀閘，三相三繞組整流變壓器的接線組採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線、三相三繞組整流變壓器的兩個低壓側繞組相位移30度，其特徵是：三相三繞組整流變壓器的2組低壓側的三相輸出分別連線到12脈動整流裝置的2個閥組的三相輸入，12脈動整流裝置的正負極輸出在直流融冰方式時分別通過直流側開關連線到需要進行融凍的三相交流線路，形成直流融冰主迴路（如圖2所示），可對三相交流線路進行直流融冰；在無功補償方式擴展一次設備可分別形成直流融冰主迴路（如圖4、圖5所示）。
其中，如圖3所示，增加第一組電抗器和轉換開關刀閘，在整流變壓器與整流裝置之間每相串連1台電抗器LTCR，每台電抗器兩側和一把轉換開關刀閘並聯（如圖3所示），根據需要可以增加濾波器。
其中，如圖4所示，閉合併聯的轉換開關刀閘電抗器LTCR旁路（即短接），則主迴路進入融冰運行狀態；打開並聯的轉換開關刀閘將電抗器LTCR連線至換流器，再把直流融冰裝置的正、負極母排與兩個閥組之間的中性點母線之間短接，則主迴路進入無功補償運行狀態，作為晶閘管控制的星形連線的可控電抗器運行。
其中，如圖5所示，另設有第二組電抗器和轉換開關刀閘，每台電抗器兩側和一轉換開關刀閘並聯，並在換流器兩個閥組的直流側和交流側增加連線線，每台電抗器兩側和一轉換開關刀閘串聯接在連線線上，分別按照“直流側A相接交流側B”，“直流側B接交流側C”和“直流側C接交流側A”的方式連線，打開轉換開關刀閘將電抗器LTCR連線至換流器，則主迴路進入無功補償運行狀態，作為晶閘管控制的三角形連線的可控電抗器運行。
由於整流變壓器採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線，副邊兩個繞組相位移30度；融冰整流裝置採用12脈動接線方式，融冰裝置運行時對系統的諧波和無功影響很小。以用於500千伏交流線路融凍的60兆瓦固定式直流融冰裝置為例，其直流融冰運行時需要的有功、無功和濾波的總容量約為75兆伏安，通常不到變電站500千伏主變35千伏側容量的1/3，對系統影響很小；直流融冰裝置運行時產生的諧波是12k±1次諧波，k為1，2，3，...，即融冰裝置運行時產生的諧波主要是11、13次等特徵諧波。融冰裝置運行時產生的諧波對系統影響很小，對融冰裝置本身的穩定運行沒有影響，但是35千伏側略超過相關中國國家標準，融冰運行時可以不必裝設交流濾波器設備；對500千伏側和220千伏側的電壓諧波畸變影響很小，滿足相關中國國家標準。
融冰整流裝置對三相線路採用的融冰方式為：退出運行的線路，通過二相/三相的自動切換裝置，由控制裝置來自動切換三相線路連線到整流裝置，保證三相線路均衡融冰，切換過程中整流裝置及開關的操作都由自動順序控制來實現。這種融冰方式的特點是三相線路融冰程度均衡，不會產生三相導線的張力差並對桿塔造成影響。該技術具體可以參考同時提出的另一申請“直流融冰三相交流線路自動切換的方法”中。
《直流融凍的主迴路設定方法》有益效果：融冰裝置兼具有SVC功能，通過擴展一次設備，融冰裝置在不承擔融冰功能時可以兼做靜止型動態無功補償裝置，進行動態無功補償，充分利用用戶投資；同時迴路接線簡單，有效地解決日常運行維護的問題。與AREVA技術方案亦有所不同，AREVA技術方案採用設備較多、接線複雜，在進行直流融冰和無功補償（SVC）工作方式轉換時，改接線工作量很大；且直流融冰和無功補償（SVC）工作時都必須配置交流濾波器。
圖1為帶整流變壓器12脈動融冰整流裝置的系統原理接線圖；
圖2為《直流融凍的主迴路設定方法》實施方式一：單純作為的融冰功能的主迴路圖；
圖3為《直流融凍的主迴路設定方法》實施方式二：作為融冰功能的主迴路圖；
圖4為《直流融凍的主迴路設定方法》實施方式三：兼作星形連線的晶閘管控制的可控電抗器的主迴路圖；
圖5為《直流融凍的主迴路設定方法》實施方式四：兼作三角形連線的晶閘管控制的可控電抗器的主迴路圖；
圖2~圖5中：S1a-1、S1b-1、S1c-1，S2a-1，S2b-1，S2c-1分別為整流裝置交流側增加配置的轉換開關刀閘；S1a-2、S1b-2、S1c-2，S2a-2，S2b-2，S2c-2分別為整流裝置直流側增加配置的轉換開關刀閘；S1a、S1b、S1、S2a、S2b、S2c分別為原有的直流側開關刀閘；LTCR為增加配置的電抗器。
技術領域
《直流融凍的主迴路設定方法》涉及直流融凍的主迴路設定方法，尤其涉及適用於高壓及特高壓電網輸電線路的融冰和無功補償主迴路設定。
權利要求
1、直流融凍的主迴路設定方法，包括三相三繞組整流變壓器、12脈動整流裝置、控制保護裝置、自動切換裝置和直流側刀閘，三相三繞組整流變壓器的接線組採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線、三相三繞組整流變壓器的兩個低壓側繞組相位移30度，三相三繞組整流變壓器的兩組低壓側的三相輸出分別連線到12脈動整流裝置即換流器的兩個閥組的三相輸入，12脈動整流裝置的正負極輸出在直流融冰方式時分別通過直流側開關連線到需要進行融凍的三相交流線路，形成直流融冰主迴路，對三相交流線路進行直流融冰，其特徵是設有第一組電抗器和轉換開關刀閘，在三相三繞組整流變壓器與12脈動整流裝置之間每相串連一台所述電抗器，每台所述電抗器兩端與一轉換開關刀閘並聯；閉合併聯的轉換開關刀閘，即所述電抗器旁路，則直流融冰主迴路進入融冰運行狀態；打開並聯的轉換開關刀閘將所述電抗器連線至12脈動整流裝置，再把直流融冰主迴路的正、負極母排與兩個閥組之間的中性點母線之間短接，則直流融冰主迴路進入無功補償運行狀態，作為晶閘管控制的星形連線的可控電抗器運行。
2、如權利要求1所述的直流融凍的主迴路設定方法，其特徵是另設有第二組電抗器和轉換開關刀閘，在12脈動整流裝置與融冰裝置之間每相中串連所述第二組的一台電抗器，所述第二組每台電抗器兩端和一轉換開關刀閘並聯，並在12脈動整流裝置兩個閥組的直流側和交流側增加連線線，所述並聯連線的第二組電抗器和轉換開關刀閘串聯接在所述連線線上，分別按照“直流側A相接交流側B”，“直流側B接交流側C”和“直流側C接交流側A”的方式連線；打開並聯的轉換開關刀閘將所述第二組電抗器連線至12脈動整流裝置，則主迴路進入無功補償運行狀態，作為晶閘管控制的三角形連線的可控電抗器運行。
實施方式
操作內容
《直流融凍的主迴路設定方法》將無功控制功能作為直流融冰裝置的輔助功能，擴展一次設備可兼顧可控電抗器功能。基本方法是，在融冰裝置的一次設備中增加電抗器、開關等設備，在控制保護系統系統中設定相應無功補償的功能。並根據交流母線上諧波的情況配上相應的濾波器，使直流融冰裝置成為靜止無功補償器（SVC）。
融冰裝置作為電力系統內比較特殊的設備，其融冰功能只在冬季線路覆凍的情況下才需要運行，每年可能只運行有限的天數；在其餘時間將其用於靜止無功補償器，可提供線路需要的感性無功功率的功能，還可同時有效地解決運行維護的問題，充分利用用戶投資。
用於500千伏交流線路固定式直流融冰裝置和用於220千伏、110千伏交流線路並接入變電站35千伏系統的移動式直流融冰裝置的電源可通過電纜或管母線直接引自變電站500千伏主變35千伏側，經整流變壓器連線整流裝置，其原理接線如圖1所示。
實施案例
《直流融凍的主迴路設定方法》的具體實施方式有以下四種，可根據系統情況進行選擇：
1、實施例一
包括採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線、副邊兩個繞組相位移30度的三相三繞組整流變壓器，12脈動整流裝置，控制保護裝置，自動切換裝置和直流側刀閘，其特徵是：三相三繞組整流變壓器的2組低壓側的三相輸出分別連線到12脈動整流裝置的2個閥組的三相輸入，12脈動整流裝置的正負極輸出在直流融冰方式時分別通過直流側開關連線到需要進行融凍的三相交流線路，形成直流融冰主迴路（如圖2所示），可對三相交流線路進行直流融冰。
採用帶整流變壓器12脈動融冰整流裝置，可以針對不同類型和長度的線路，設計選擇整流變壓器輸出電壓，利於整流器工作點的選擇；融冰裝置通過整流器觸發角調節，提供需要的融冰電流和直流電壓，適應性較好；並且整流變壓器提供交流/直流的隔離，滿足故障情況下限制可控矽閥短路電流的要求。
整流變壓器採用D/d0/y11或Y/y0/d11接線，副邊兩個繞組相位移30度；融冰整流裝置採用12脈動接線方式，融冰裝置運行時對系統的諧波和無功影響很小。以用於500千伏交流線路融凍的60兆瓦固定式直流融冰裝置為例，其直流融冰運行時需要的有功、無功和濾波的總容量約為75兆伏安，通常不到變電站500千伏主變35千伏側容量的1/3，對系統影響很小；直流融冰裝置運行時產生的諧波是12k±1次諧波，k為1，2，3，...，即融冰裝置運行時產生的諧波主要是11、13次等特徵諧波。融冰裝置運行時產生的諧波對系統影響很小，對融冰裝置本身的穩定運行沒有影響，但是35千伏側略超過相關中國國家標準，融冰運行時可以不必裝設交流濾波器設備；對500千伏側和220千伏側的電壓諧波畸變影響很小，滿足相關中國國家標準。
2、實施例二和實施例三
在具體實施方式一主接線的基礎上，需要在換流變壓器與融冰裝置之間每相中串連1台電抗器，每台電抗器迴路兩側和一把轉換開關刀閘相併聯，共需要6台電抗器和6把轉換開關刀閘，根據需要可以配置若干個濾波器。在交流側增加配置的轉換開關刀閘需按照電力系統安全要求進行配置。
融冰裝置換流器直流側短接，交流側利用轉換開關刀閘倒換接線連線電抗器作為晶閘管投切的星形連線的可控電抗器（TCR）運行。整流變壓器兩個副邊繞組連線的設備如圖3所示。換流器在這種模式下變為每相兩個反並聯的晶閘管閥組的運行方式，對電抗器LTCR進行投切或連續控制。當採用投切控制方式（投切控制：晶閘管按照全導通或不導通方式工作）時，優點是不存在諧波問題，損耗較小，可以進行固定的無功調節。當採用連續控制方式（連續控制：晶閘管按照觸發角連續控制）時，融冰裝置作為星形連線的TCR運行，具備連續的無功調節能力。
進行融冰時：閉合整流變壓器交流側轉換開關刀閘將電抗器LTCR迴路旁路（即短接），即為具體實施方式二，如圖3所示。
進行無功補償時：打開轉換開關刀閘將電抗器LTCR連線至換流器，將直流融冰裝置的正、負極母排與兩個閥組之間的中性點母線之間短接，即為具體實施方式三，如圖4所示。
在兩個閥組上各串3台電抗器可使融冰裝置兩個閥組平衡的運行，且對交流系統的無功補償容量增加一倍。電抗器參數由站內需要融冰裝置吸收的感性無功量、主變容量以及融冰裝置的容量共同決定。
直流融冰裝置轉變成靜止型動態無功補償（SVC）裝置運行時，只需要通過打開轉換開關刀閘，並將直流融冰裝置的正、負極母排與兩個閥組之間的中性點母線之間短接即可實現，直流融冰裝置一次設備的其它部分不需要做任何變動。這種轉換方式使現場運行人員對融冰裝置的操作與維護簡單、易行。也大大降低了由於一次系統的拓撲結構發生較大變化而引起的風險。
3、實施例四
在具體實施方式一主接線的基礎上，需要在換流變壓器與融冰裝置之間每相中串連1台電抗器，每台電抗器迴路兩側和一把轉換開關刀閘相併聯，總計需要6台電抗器和6把轉換開關刀閘，根據需要可以配置幹個濾波器。整流器的兩個閥組的直流側和交流側需要增加連線，按照“直流側A相-交流側B”，“直流側B-交流側C”，“直流側C-交流側A”的方式進行接線（如圖5所示）。在交流側增加配置的轉換開關刀閘需按照電力系統安全要求進行配置。
換流器直流側通過融冰裝置的轉換開關刀閘改接線，交流側利用轉換開關刀閘倒換接線連線到三相/六台電抗器作為晶閘管控制的三角形連線的可控電抗器運行（TCR）。整流變壓器每個副邊繞組連線的設備如圖5所示。換流橋在這種模式下變為每相兩個反並聯的晶閘管閥組的運行方式，對電抗器LTCR進行連續控制。
圖5中方案與通常的靜止型動態無功補償的TCR接線方式一致，即採用三角形方式。作為TCR運行情況下，裝置具備連續的無功調節能力。
4、作為無功補償裝置運行時對系統的影響及補償效果
直流融冰裝置在SVC融冰方式下運行時，可向交流系統提供感性無功功率；並且無功功率的大小可以快速、連續的調節。直流融冰裝置按上述方式作為SVC運行時，對系統的諧波影響很小，不需要配置濾波器組也能保證35千伏母線電壓的諧波畸變率滿足中國國家相關標準。因此，在直流融冰裝置做SVC運行時，35千伏母線上其它負荷都不需要退出，可以正常運行。如果35千伏母線上能配置11、13次及高通濾波器組或者電容器組，那么融冰裝置處於SVC模式運行時，通過濾波器組或電容器組與融冰裝置配合，還可以向交流系統提高感性或容性的無功功率，實現雙向無功調節；並且補償無功功率的大小同樣可以快速、連續可調。可以有效抑制35千伏母線電壓幅值在正、負兩個方向的波動。
5、仿真試驗驗證及實際套用情況
直流融冰裝置無功補償功能的仿真試驗驗證：為了驗證《直流融凍的主迴路設定方法》的可行性，利用RTDS系統和控制保護試驗樣機進行了仿真。仿真結果表明，《直流融凍的主迴路設定方法》實施方式可有效滿足交流線路融冰需求；融冰裝置在不承擔融冰功能時可以兼做SVC，進行動態無功補償。
直流融冰裝置的現場試驗驗證：2008年9月5日，25兆瓦站間移動式直流融冰裝置樣機現場試驗工作在貴州電網都勻500千伏福泉變電站成功完成，試驗線路為220千伏福都線，線路長57公里，最大融冰試驗電流達到2000安培，試驗過程中試驗線路、金具、接頭和直流融冰裝置各設備運行正常，220千伏福都線溫升達到25攝氏度。2008年10月12日，60兆瓦固定式直流融冰裝置樣機現場試驗工作在貴州電網都勻500千伏福泉變電站成功完成，試驗線路為500千伏福施II線，線路長93公里，最大融冰試驗電流達到4000安培，試驗過程中試驗線路、金具、接頭和直流融冰裝置各設備運行正常，500千伏福施II線溫升達到35攝氏度。
專利榮譽
2021年6月24日，《直流融凍的主迴路設定方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
