0 引言

线路覆冰受地形、海拔高度、空气湿度、风速等多种因素影响^[1-5]，覆冰达到一定厚度后会带来一系列问题，如导线相间舞动^[6]、杆塔倒塌^[7]、铝线断裂等，严重影响电网的安全稳定运行^[8]。我国各地区针对各自的线路覆冰情况采取了相应的融冰措施^[9-14]，文献[15-19]结合国内外融冰技术进行了充分研究，提出了各类新型融冰方案，成效显著。

220 kV以上电压等级输电线路的传输距离跨度较大，杆塔上一般同时安装有导线和地线，两者都有融冰需求。据工程统计，导线的直流电阻一般较小，需要施加较大的融冰电流进行除冰，导线在注入融冰电流后的线端压降一般较小；地线的直流电阻一般较大，施加较小的融冰电流即可实现除冰，地线在注入融冰电流后的线端压降一般较大^[20]。综上，导线融冰需要较大的融冰电流，地线融冰需要较高的融冰电压^[21-24]。

从经济性考虑，在站内安装的直流融冰装置一般需要同时兼顾导线和地线融冰，即需要同时具备大电流和高电压的输出能力，常规十二脉动直流融冰装置选用通态平均电流较大的晶闸管以输出较大的融冰电流^[25]；采用2组六脉动整流桥串联以输出较高的融冰电压。2组六脉动整流桥和换流变压器共同组成融冰装置，将待融冰线路接入融冰装置输出端，由融冰装置提供的直流电流通过发热进行融冰。该方案在对导线进行融冰时不需要融冰装置具备较高的电压输出能力，在对地线进行融冰时不需要融冰装置具备较大的电流输出能力，所以融冰装置在对导线或地线进行融冰作业时均存在部分性能浪费的问题。

文中研究的新型整流桥串并联切换直流融冰装置可以兼顾导线融冰的大电流和地线融冰的高电压需求。通过整流桥的串并联切换可以实现拓扑的适应性切换，选用的换流变压器容量和晶闸管通态平均电流均为常规十二脉动直流融冰装置的一半，大幅降低了设备投资成本。文中首先介绍新型整流桥串并联切换直流融冰装置的拓扑和工作原理，然后通过参数设计说明该装置的成本优势，最后搭建仿真模型验证该装置的运行可行性及其在大电流输出模式下具备的电流谐波优势。

1 新型整流桥串并联切换直流融冰装置拓扑及工作原理 1.1 拓扑

图 1为常规十二脉动直流融冰装置拓扑，主要由换流变压器、整流桥、平波电抗器和直流连接开关组成，适用于对融冰直流电压有较高要求的场合，目前在高压输电领域应用广泛。其中，整流桥采用晶闸管作为可控整流器件。

常规十二脉动直流融冰装置交流侧一般接入站内35 kV及以上电源系统，融冰装置的输出侧接入待融冰线路，一般是交流导线、交流地线或直流地线，采用“1-1”(导线融冰时单相去单相回，地线融冰时地线去导线回，即一去一回)或“1-2”(导线融冰时单相去两相并联回，即一去两回)连接方式进行全线或分段融冰，末端采用短接线或者短接开关进行短接。

文中研究的新型整流桥串并联切换直流融冰装置拓扑如图 2所示，该装置与图 1的应用场景相同。文中研究的直流融冰装置由换流变压器T，六脉动整流桥V₁和V₂，切换开关S₁和S₂，平衡电抗器L₁和L₂，平波电抗器L₃和L₄，直流连接开关S₃和S₄组成。其中，切换开关可采用单刀双掷开关，六脉动整流桥采用晶闸管作为可控整流器件。

1.2 工作原理

根据输电线路类型选择六脉动整流桥串并联模式。

1.2.1 并联工作模式

在对导线进行融冰作业时，将切换开关S₁和S₂分别切换到平衡电抗器侧，如图 3所示，此时2组六脉动整流桥处于并联工作模式，可以输出较大的融冰电流，满足导线融冰的大电流需求。在直流输出正极和负极分别设置一组平衡电抗器，使2组六脉动整流桥的输出电流趋于均衡，达到并联供电的目的。

设2组六脉动整流桥的输出电压瞬时值分别为u_d1和u_d2。由于2组六脉动整流桥的输出电压相位相差30°，当各晶闸管的触发角相同时，2组六脉动整流桥的输出平均电压相等。但是由于u_d1和u_d2存在相位差，非实时相等，如果直接将2个整流输出端并联，会导致其中一个六脉动整流桥的桥臂承受反向电压而阻断，所以应加入平衡电抗器。

文中研究的具备整流桥串并联切换功能的直流融冰装置在正极和负极各配置一台平衡电抗器，平衡电抗器左半绕组与右半绕组匝数相等，并绕在同一铁芯上，通过感应电压补偿u_d1和u_d2的瞬时压差。设2组六脉动整流桥输出电压平均值分别为U_d1和U_d2，则并联模式下融冰装置的总输出直流电压为：

$ U_{\mathrm{dP}}=\frac{1}{2}\left(U_{\mathrm{d} 1}+U_{\mathrm{d} 2}\right) $

(1)

设2组六脉动整流桥的输出电流平均值分别为I_d1和I_d2，则并联模式下融冰装置的总输出直流电流为：

$ I_{\mathrm{dP}}=I_{\mathrm{d} 1}+I_{\mathrm{d} 2} $

(2)

此时合上直流连接开关S₃和S₄，接入待融冰线路，即可进行升流。在并联工作模式下，2组六脉动整流桥分别输出负荷电流的一半。即在输出同等负荷电流时，相较于常规十二脉动直流融冰装置，可以选用一半通态平均电流的晶闸管。

1.2.2 串联工作模式

在对地线进行融冰作业时，将切换开关S₁和S₂分别切换到中间接地侧，如图 4所示，此时2组六脉动整流桥处于串联工作模式。工作原理与图 1中常规十二脉动直流融冰装置相同，可以输出较高的融冰电压，满足地线融冰的高电压需求。2个平衡电抗器各有一半绕组接入直流输出回路中，充当部分平波电抗器的功能，从而减少平波电抗器的设计电感值。

串联模式下融冰装置的总输出直流电压为：

$ U_{\mathrm{dS}}=U_{\mathrm{d} 1}+U_{\mathrm{d} 2} $

(3)

串联模式下融冰装置的总输出直流电流为：

$ I_{\mathrm{dS}}=I_{\mathrm{d} 1}=I_{\mathrm{d} 2} $

(4)

此时合上直流连接开关S₃和S₄，接入待融冰线路，即可进行升流。在串联工作模式下，2组六脉动整流桥分别承担输出电压的一半。即在输出同等直流电压时，选用和常规十二脉动直流融冰装置相同断态重复峰值电压的晶闸管。

综上，文中研究的具备整流桥串并联切换功能的直流融冰装置可以同时兼顾导线融冰的大电流和地线融冰的高电压需求，通过拓扑的适应性切换发挥融冰装置的最佳性能。

2 参数设计

文中基于云南500 kV牛寨换流站直流融冰装置进行参数设计，对比分析现有投运的常规十二脉动直流融冰装置和文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置的参数设计差异。溪洛渡—牛寨换流站Ⅰ/Ⅱ回导地线的融冰需求见表 1，表中列出了2回导地线中的最高融冰电压和最大融冰电流需求。

牛寨换流站直流融冰装置采用常规十二脉动直流融冰装置，主要技术参数如表 2所示。

融冰装置主要一次设备包括换流变压器、整流阀和电抗器，占整套融冰装置总成本的90%以上，文中基于上述一次设备分析常规十二脉动直流融冰装置和新型整流桥串并联切换直流融冰装置的差异。

2.1 换流变压器参数设计

换流变压器参数设计时，根据额定直流电流和额定直流电压反推换流变压器阀侧交流电流和交流电压，继而计算出变压器容量。

2.1.1 常规十二脉动直流融冰装置中的换流变压器参数设计

不考虑电网电压波动系数，整流阀交直流侧电压关系为：

$ U_{\mathrm{d}}=1.35 U_{\mathrm{a}} \cos \alpha-\frac{3 X_{\mathrm{r}} I_{\mathrm{d}}}{\pi} $

(5)

式中: U_d为融冰装置直流输出电压；U_a为换流变压器阀侧线电压；α为晶闸管额定触发角，取15°；I_d为融冰装置直流输出电流；X_r为回路阻抗，一般取变压器漏抗的近似计算值。

$ X_{\mathrm{r}}=\frac{U_{\mathrm{k}} U_{\mathrm{a}}^2}{0.5 S_{\mathrm{T}}} $

(6)

式中：变压器视在功率$S_{\mathrm{T}}=2 \sqrt{3} U_{\mathrm{a}} I_{\mathrm{a}}$, I_a为换流变压器阀侧电流, I_a=0.816I_d；变压器选用常规短路阻抗百分比，即U_k=12%。取U_d=12 kV, I_d=5 000 A，计算可得换流变压器阀侧线电压U_a为9.8 kV，换流变压器阀侧电流I_a为4 080 A。

则换流变压器容量为：

$ S_{\mathrm{T}}=2 \sqrt{3} U_{\mathrm{a}} I_{\mathrm{a}}=138.51 \mathrm{MV} \cdot \mathrm{A} $

(7)

取1.1倍左右的裕度，换流变压器设计容量为150 MV ·A。

2.1.2 新型整流桥串并联切换直流融冰装置中的换流变压器参数设计

在对导线进行融冰时，2组六脉动整流桥为并联工作模式，此时每组六脉动整流桥的输出电流为表 2中融冰装置额定直流电流的一半，即2 500 A。取U_d=±6 kV(表 1中11.85 kV向上取整)，I_d=2 500 A，则换流变压器阀侧线电压和电流为：

$ \left\{\begin{array}{l} U_{\mathrm{a}}=4.9 \mathrm{kV} \\ I_{\mathrm{a}}=2040 \mathrm{~A} \end{array}\right. $

(8)

在对地线进行融冰时，2组六脉动整流桥为串联工作模式。取U_d=±12 kV，I_d=500 A(表 1中490 A向上取整)，计算可得换流变压器阀侧线电压和电流为：

$ \left\{\begin{array}{l} U_{\mathrm{a}}=9.8 \mathrm{kV} \\ I_{\mathrm{a}}=408 \mathrm{~A} \end{array}\right. $

(9)

分别取式(8)和式(9)中电压电流的较大值，则换流变压器容量为：

$ S_{\mathrm{T}}=2 \sqrt{3} U_{\mathrm{a}} I_{\mathrm{a}}=69.25 \mathrm{MV} \cdot \mathrm{A} $

(10)

取1.1倍左右的裕度，换流变压器设计容量为75 MV ·A。

综上，常规十二脉动直流融冰装置设计的换流变压器容量为150 MV ·A，文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置设计的换流变压器容量为75 MV ·A，容量减小一半，设备投资成本显著降低。

2.2 整流阀参数设计

整流阀的核心器件是晶闸管，晶闸管选型是根据直流电流预选晶闸管参数，预设串联级数，然后校核过压和过流裕度，判断是否满足设计需求。

2.2.1 常规十二脉动直流融冰装置中的整流阀参数设计

根据整流桥输出最大电流5 000 A初步选择断态重复峰值电压V_DRM为5 200 V、通态平均电流I_T(AV)为5 060 A的晶闸管。

对该型号晶闸管进行校验，按10只串联，其中2只冗余考虑，按照晶闸管断态重复峰值电压计算过压裕度k_u。

$ k_{\mathrm{u}}=\frac{(n-2) V_{\mathrm{DRM}}}{U_{\text {peak }}}=3.00 $

(11)

式中：n为晶闸管串联个数；U_peak为换流变压器低压侧额定线电压峰值，即$U_{\text {peak }}=\sqrt{2} U_{\mathrm{a}}=13.86 \mathrm{kV}$。

因此，选用断态重复峰值电压为5 200 V的晶闸管完全可以满足电压裕度要求。

取I_d=5 000 A，则整流桥臂交流电流有效值为：

$ I_{\mathrm{VT}}=0.577 I_{\mathrm{d}}=2885 \ \mathrm{A} $

(12)

流过晶闸管的通态平均电流为：

$ I_{\mathrm{VT}(\mathrm{AV})}=\frac{I_{\mathrm{VT}}}{1.57}=1837.58 \ \mathrm{A} $

(13)

按照晶闸管通态平均电流计算过流裕度k_i。

$ k_{\mathrm{i}}=\frac{I_{\mathrm{T}(\mathrm{AV})}}{I_{\mathrm{VT}(\mathrm{AV})}}=2.75 $

(14)

因此，选用通态平均电流为5 060 A的晶闸管完全可以满足电流裕度要求。

2.2.2 新型整流桥串并联切换直流融冰装置中的整流阀参数设计

根据整流桥输出最大电流2 500 A初步选择断态重复峰值电压V_DRM为5 200 V、通态平均电流I_T(AV)为2 760 A的晶闸管。

对该型号晶闸管进行校验，按10只串联，其中2只冗余考虑，取I_d=2 500 A，代入式(11)—式(14)可计算出晶闸管的过压、过流裕度为：

$ \left\{\begin{array}{l} k_{\mathrm{u}}=3.00 \\ k_{\mathrm{i}}=3.00 \end{array}\right. $

(15)

选用断态重复峰值电压为5 200 V、通态平均电流为2 760 A的晶闸管完全可以满足电压、电流裕度要求。

综上，常规十二脉动直流融冰装置选用的晶闸管通态平均电流为5 060 A，文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置选用的晶闸管通态平均电流为2 760 A，通态平均电流减少近一半，设备投资成本显著降低。

2.3 电抗器参数设计

常规十二脉动直流融冰装置涉及的电抗器是平波电抗器，文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置涉及的电抗器是平衡电抗器和平波电抗器。

2.3.1 常规十二脉动直流融冰装置中的电抗器参数设计

平波电抗器的作用是避免直流电流出现断续。计算回路等值总电感为：

$ L_{\Sigma}=\frac{U_{\mathrm{dio}} k_1 \sin \alpha_{\max }}{\omega I_{\mathrm{dj}}}=29.06 \ \mathrm{mH} $

(16)

式中: U_dio为理想空载直流电压，取1.35U_a；k₁为计算系数，取0.023；α_max为最大触发角，取90°；ω为角频率，ω=2πf, f=50 Hz；I_dj为临界电流，一般取100 A。

平波电抗器的电感值为：

$ L=L_{\Sigma}-k_2 L_{\mathrm{T}}=27.35 \ \mathrm{mH} $

(17)

式中: k₂为计算系数，取3.5；L_T为换流变压器折算到阀侧的电感，计算值为0.49 mH。对式(17)计算结果取1.1倍左右的裕度，可得L为30 mH，即正负极各配置一台15 mH的平波电抗器。

2.3.2 新型整流桥串并联切换直流融冰装置中的电抗器参数设计

触发角α=0°时，设其中一组六脉动整流桥的输出电压傅里叶分解为：

$ \begin{aligned} u_{\mathrm{d} 1}=& 1.35 U_{\mathrm{a}}\left(1+\frac{2 \cos (6 \omega t)}{5 \times 7}-\frac{2 \cos (12 \omega t)}{11 \times 13}+\right.\\ &\left.\frac{2 \cos (18 \omega t)}{17 \times 19}-\frac{2 \cos (24 \omega t)}{23 \times 25}+\cdots\right) \end{aligned} $

(18)

另一组六脉动整流桥的输出电压平均值相等，在相位上相差π/6，傅里叶分解为：

$ \begin{aligned} u_{\mathrm{d} 2}=& 1.35 U_{\mathrm{a}}\left(1-\frac{2 \cos (6 \omega t)}{5 \times 7}-\frac{2 \cos (12 \omega t)}{11 \times 13}-\right.\\ &\left.\frac{2 \cos (18 \omega t)}{17 \times 19}-\frac{2 \cos (24 \omega t)}{23 \times 25}+\cdots\right) \end{aligned} $

(19)

平衡电抗器两端压降u_p即为2组六脉动整流桥的输出电压差，即：

$ \begin{gathered} u_{\mathrm{p}}=u_{\mathrm{d} 1}-u_{\mathrm{d} 2}= \\ 1.35 U_{\mathrm{a}}\left(\frac{4 \cos (6 \omega t)}{5 \times 7}+\frac{4 \cos (18 \omega t)}{17 \times 19}+\cdots\right) \end{gathered} $

(20)

由式(20)可知，u_p的主要成分为6次谐波。

六脉动整流桥交直流侧电压波形如图 5所示。图中u_an为换流变压器阀侧相电压瞬时值，u_d1和u_d2幅值相等，相位相差π/6。

由图 5可知，ωt=π/6时，u_d1达到谷值，ωt=π/3时，u_d1达到峰值，则u_p峰值U_pmax为：

$ \begin{gathered} U_{\text {p max }}=\left(\sqrt{2} U_2 \sin \frac{\pi}{3}-\sqrt{2} U_2 \sin \frac{5 \pi}{3}\right)- \\ \left(\sqrt{2} U_2 \sin \frac{\pi}{6}-\sqrt{2} U_2 \sin \frac{3 \pi}{2}\right)=\sqrt{2} U_2\left(\sqrt{3}-\frac{3}{2}\right) \end{gathered} $

(21)

式中: U₂为换流变压器阀侧相电压。

近似计算可取：

$ \frac{U_{\mathrm{p} \operatorname{ax}}}{6 \omega L_{\mathrm{p}}}=I_{\mathrm{p} \max } $

(22)

式中: I_pmax为最大环流值，一般取I_pmax=I_dmin/2，I_dmin为最小负载电流，I_dmin按照并联工作模式下融冰装置额定直流电流的10%选取，即500 A。代入式(22)可解出：

$ L_{\mathrm{p}}=\frac{U_{\mathrm{p} \max }}{6 \omega I_{\mathrm{p} \max }}=3.94 \ \mathrm{mH} $

(23)

即输出正负极各配置一台电感值为1.97 mH的平衡电抗器。

在整流桥串联工作模式下，由2.3.1节可知，直流回路所需平波电抗器的电感值为30 mH，在该模式下2台平衡电抗器各有一半绕组接入直流回路中，则所需平波电抗器电感值为：

$ L=28.03 \ \mathrm{mH} $

(24)

即每台平波电抗器的电感值为14.02 mH。

综上，采用常规十二脉动直流融冰装置需要设计2台电感值为15 mH的平波电抗器；采用文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置需要设计2台电感值为1.97 mH的平衡电抗器和2台电感值为14.02 mH的平波电抗器。由于平衡电抗器的一半绕组在串联模式下兼具平波功能，增加的投资成本有限。

3 成本对比

常规十二脉动直流融冰装置和新型整流桥串并联切换直流融冰装置的成本差异体现在换流变压器、整流阀、切换开关、平衡电抗器和平波电抗器上。

2种方案的设备投资成本对比如表 3所示，采用常规十二脉动直流融冰装置的总成本为875万元，采用新型整流桥串并联切换直流融冰装置的总成本为731万元，节省成本144万元，占成套设备总成本的10%左右，经济效益显著，具有一定的实用价值。

4 仿真验证

利用PSCAD仿真软件搭建仿真模型，验证文中新型整流桥串并联切换融冰装置的运行可行性及其在大电流输出模式下的电流谐波优势。

4.1 运行可行性分析

导线融冰模式下，满负荷输出即I_d=5 000 A，U_d=12 kV时，2组六脉动整流桥的输出波形如图 6所示，此时2组六脉动整流桥处于并联工作模式。

由图 6(a)可知，在并联工作模式下，2组六脉动整流桥输出电压u_d1和u_d2的平均值相等，且等于融冰装置总输出电压u_d，u_d1与u_d2的相位差为π/6，瞬时电压值不相同。由图 6(b)可知，经过平衡电抗器后实现了均流，2组六脉动整流桥的输出电流i_d1和i_d2幅值相等且等于融冰装置总输出电流i_d的一半，与理论分析一致。

地线融冰模式下，满负荷输出即I_d=500 A，U_d=24 kV时，2组六脉动整流桥的输出波形如图 7所示，此时2组六脉动整流桥处于串联工作模式。

由图 7(a)可知，在串联工作模式下，文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置与常规十二脉动直流融冰装置工作原理相同，2组六脉动整流桥的输出电压u_d1和u_d2的平均值相等且等于融冰装置总输出电压u_d的一半。由图 7(b)可知，2组六脉动整流桥的输出电流i_d1和i_d2相等且等于融冰装置总输出电流i_d，与理论分析一致。

综上，文中所提具备整流桥串并联切换功能的直流融冰装置在并联工作模式下可以实现均流，在串联工作模式下工作原理与常规十二脉动直流融冰装置相同，仿真结果与理论分析一致。

4.2 注入系统的谐波电流对比

在对导线进行融冰时，2组六脉动整流桥处于并联工作模式，相较于常规十二脉动直流融冰装置，每组六脉动整流桥的输出电流减小一半，注入系统的谐波电流相应减小一半左右，换流变压器高低压侧特征次谐波电流仿真结果如表 4所示。

在对地线进行融冰时，2组六脉动整流桥处于串联工作模式，与常规十二脉动直流融冰装置的工作原理相同，换流变压器高低压侧特征次谐波电流仿真结果如表 5所示。

综上，相较于常规十二脉动直流融冰装置，文中新型整流桥串并联切换直流融冰装置在对导线进行融冰即处于大电流输出模式时，注入系统的谐波电流减小一半，有效降低了系统电压畸变。

5 结语

理论分析和仿真结果表明，文中所提具备整流桥串并联切换功能的直流融冰装置具有显著优势，相较于常规十二脉动直流融冰装置，优点体现在：可以选用一半容量的换流变压器，节省成本与占地；可以选用一半通态平均电流的晶闸管，节省成本；大电流输出模式下注入系统的谐波电流大幅减小，有效降低系统电压畸变；结合控保系统可实现拓扑的自适应切换，可操作性强。综合上述优点，文中所提新型融冰拓扑具有较强的工程应用价值。

本文得到南瑞集团有限公司科技项目(JS2001741)资助，谨此致谢！