時智勇1，袁 蒙1，賁寶強1，謝新航2
?。?. 國網電力科學研究院，北京102200；2. 北京交通大學，北京100044）
摘 要： 針對OPGW的去除覆冰難題，提出了基于內嵌式OPGW的直流融冰技術，該方法通過在OPGW內部增加若干條阻抗低且有一定強度的除冰專用導線，或采用中心專用導線替換中心加強件，無需對線路設計進行調整，外接一種基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）斬波調壓電路的電壓源換流器，借助光纖測量和通信技術，達到智能融冰功能，試驗結果表明該方法的正確性和可行性。
0 引言
我國是線路覆冰嚴重的國家之一，發生過多次線路斷線和桿塔折斷的大規模電網故障[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熱從而達到融冰的效果。針對線路中導線的融冰技術已相對成熟[2-3]，并有相應的融冰產品投入使用。光纖復合架空地線 （Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW）在正常工作時無電流通過，故在相同氣象條件下覆冰厚度更大，且其機械強度通常比導線低，運行數據顯示架空地線的中斷數量遠遠多于輸電導線的中斷數量。光纖復合架空地線的斷線使得桿塔張力不平衡，從而導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有OPGW， OPGW斷線將導致電力通信通道中斷，危及電力控制系統的正常運行，因此解決光纖復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嵌式OPGW的直流融冰技術，可有效解決覆冰問題。
1 OPGW融冰特性
1.1 OPGW融冰特點分析
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用。通常情況下,普通避雷線為減少環流損耗可采用絕緣地線或分段絕緣、一點接地的方式，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，故在正常運行狀態下，OPGW中不存在環流損耗；另外，采用逐基接地方式也可適度減少雷電先導向OPGW發展和擊中的概率。
OPGW與輸電導線直流融冰的不同之處在于導線相對大地是絕緣的，而OPGW是逐基塔接地的。由于常規情況下地線與鐵塔之間并不絕緣，直流電源接入地線后，無法如架空導線一樣使直流電流僅通過導體形成回路，因此，在一定程度上導線的融冰技術并不適用于OPGW線路。
我國的OPGW多為全鋁包鋼結構，考慮耐雷特性，多層的股線大多為低導電率的鋁包鋼絞線，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，電壓等級的提高會導致融冰裝置設備成本增加，同時，小電流也不利于晶閘管整流器的換相，可能會給整流設備帶來額外損傷，不利于融冰裝置的穩定運行。所以OPGW的融冰需對架空地線結構進行改進，同時開發相應的融冰電源。
1.2 內嵌式OPGW特性
內嵌式OPGW是將幾根滿足性能要求的絕緣導線絞合于OPGW內層與外層之間，同時應滿足拉斷力、融冰導流、懸掛點承受應力的要求。
對于短距離線路，可以通過在內部增加一條阻抗低且有一定強度的除冰專用導線替換一條鋁包鋼線，或采用中心專用導線的方式替換中心加強件或者插入中心鋁管，這樣對現有線路上的其他元件沒有額外的要求，不需要對線路設計進行調整，一般110 kV以下線路均可以采用此種方式。圖1為鋁包層內部增加若干根相互絕緣的鋁漆包線作為融冰載流導體的截面示意圖。
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 內部的鋁包鋼拉線進行絕緣處理，作為通電后的發熱導體。
根據估算，如果采用鋁包鋼線作為絕緣導體，按照每根抗覆冰OPGW 內部6根2.5 mm 鋁包鋼線計算，每100 km的直流電阻低于200 Ω，很容易達到融冰條件需要。而且其架設方式也無特殊要求，僅需要在光纜接頭盒內增加導線的接續工作即可，如圖2所示。
2 OPGW直流融冰電源以及方案設計
應用于輸電線上的融冰方法主要包括交流融冰和直流融。交流融冰電源產生大量的無功，造成電力系統負擔加重，因此直流融冰成為電網融冰研究應用的主要方向。直流融冰是將交流電源通過大功率電力電子設備轉化為直流進而加熱一定長度的覆冰線路達到融冰目的[5-6]。
傳統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成，技術成熟，結構簡單，但體積大，諧波含量高，低負載時產生大量無功，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）構成的電壓源型換流器作為直流電源，該電源直流側電壓連續可調，交流側可實現單位功率因數運行，諧波含量低，模塊化設計支持多電源并聯，易于移動。其主電路結構如圖3所示。
從結構上看，融冰電源主要由進線斷路器、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：隔離電網電動勢與換流器交流側電壓，控制換流器交流側電壓實現四象限運行；濾除交流電流諧波；儲能，實現換流器與電網傳遞無功功率；使換流器具有升壓變換(Boost)特性。直流電容的主要作用為：緩沖交流側與直流負載之間的能量交換，穩定直流電壓；抑制直流側諧波電壓。
換流器實際上是一個交、直流側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坐標系下的等效數學模型，可實現有功無功獨立控制，其中有功部分直接決定融冰的直流電壓，無功部分通常設定為零，保持電源側單位功率因數運行[7]。
內嵌式OPGW的改造為直流融冰提供了可構成回路的導體，其內部載流導體與桿塔絕緣，通過接頭盒分段接出，根據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根短接接入電源負極，在OPGW末端，將所有鋁漆包線短接，從而構成回路。
由于OPGW 內包含光單元，使之在新技術應用的靈活度上大大高于普通電力導線，可以采用光纜測溫技術（分布式光纖測溫系統DTS、準分布式光纖光柵測溫系統FBG）實時監測OPGW 的運行溫度，一旦OPGW 的溫度接近或低于0℃，則可啟動外部電源對OPGW 進行升溫，甚至可以通過程序控制OPGW 運行溫度，使之在固定的溫度區間運行。
3 試驗
內嵌式OPGW參數等效如表1所示。
圖6為電壓源換流器交流側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，電壓電流相位基本一致，電源側保持單位功率因數運行。
圖7為電壓源換流器直流側輸出電流和直流電壓，在響應瞬間，直流電流階躍變化，直流電壓經過短暫擾動恢復穩定。
4 結論
分析了OPGW直流融冰的關鍵技術和發展狀況，針對接地線逐基接地的接線方式，本文提出了采用基于內嵌式OPGW的直流融冰技術，該方法通過對OPGW內部結構的改進，增加若干條阻抗低且有一定強度的除冰專用導線，或采用中心專用導線替換中心加強件，無需對線路設計進行調整，直流融冰電源采用基于IGBT的三相半橋電壓源換流器，取代傳統二極管與晶閘管整流源，借助光纖測量和通信技術，實現智能融冰功能。試驗結果表明該方法的正確性和可行性。
參考文獻
[1]趙杰，饒宏.電網防冰融冰技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.
[2]常浩，石巖，殷威揚,等．交直流線路融冰技術研究[J]．電網技術，2008，32(5)：1-6．
[3]姚致清， 劉濤， 張愛玲， 等.直流融冰技術的研究及應用[J]. 電力系統保護與控制,2010(21):57-62.
[4]歐陽克檢，陳紅冬，劉純.220 kV輸電線路OPGW線夾斷裂原因分析[J]. 湖南電力,2013, 33（6）:24-26.
[5]范瑞祥,賀之淵,周細文,等.基于IGBT的移動式多用途直流電源及其融冰調試[J]. 電力自動化設備，2010(3)：111-115.
[6]傅闖，許樹楷，饒宏,等.交流輸電系統直流融冰裝置設計及其應用[J]. 高電壓技術,2013, 39（3）:705-711.
[7]黃泳均. 電網不平衡下三相PWM整流器的控制策略研究[D].北京：北京交通大學，2009.