鲁达 智勇1，元梦1，本宝强1，谢新航2
(1 .)。北京102200国家网络电力科学研究所；北京交通大学，北京100044)
摘要：为了解决OPGW的覆冰消除问题，提出了基于嵌入式OPGW的直流融冰技术。该方法不需要在OPGW内部添加阻抗低、强度高的除冰专用电线，也不需要使用中央专用电线更换中心加强件来调整电路设计。基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)斩波调压电路的电压源转换器。
0 引言
我国是线路覆冰严重的国家之一，发生过多次线路断线和杆塔折断的大规模电网故障[1]。目前最为有效的融冰方法是热融冰法，即大电流通过线路使线路发热从而达到融冰的效果。针对线路中导线的融冰技术已相对成熟[2-3]，并有相应的融冰产品投入使用。光纤复合架空地线 （Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW）在正常工作时无电流通过，故在相同气象条件下覆冰厚度更大，且其机械强度通常比导线低，运行数据显示架空地线的中断数量远远多于输电导线的中断数量。光纤复合架空地线的断线使得杆塔张力不平衡，从而导致塔头明显倾斜扭曲，甚至折断[4]。我国的大部分输电线路都架设有OPGW， OPGW断线将导致电力通信通道中断，危及电力控制系统的正常运行，因此解决光纤复合架空地线的覆冰问题刻不容缓。目前针对OPGW的融冰尚无有效手段， 本文提出采用基于内嵌式OPGW的直流融冰技术，可有效解决覆冰问题。
1 OPGW融冰特性
1.1 OPGW融冰特点分析
OPGW兼具通信通道和避雷线的功能，十多年来已在高压输电线路中得到了广泛应用。通常情况下,普通避雷线为减少环流损耗可采用绝缘地线或分段绝缘、一点接地的方式，而OPGW要起到避雷线和通信通道的双重作用，基本采用逐基接地方式，故在正常运行状态下，OPGW中不存在环流损耗；另外，采用逐基接地方式也可适度减少雷电先导向OPGW发展和击中的概率。
OPGW与输电导线直流融冰的不同之处在于导线相对大地是绝缘的，而OPGW是逐基塔接地的。由于常规情况下地线与铁塔之间并不绝缘，直流电源接入地线后，无法如架空导线一样使直流电流仅通过导体形成回路，因此，在一定程度上导线的融冰技术并不适用于OPGW线路。
我国的OPGW多为全铝包钢结构，考虑耐雷特性，多层的股线大多为低导电率的铝包钢绞线，其电阻较大，所需的融冰电流较小，但所需的融冰电压比较高，极有可能会破坏地线的绝缘或绝缘间隙。另外，由于直流融冰电源装置一般由晶闸管整流得到，电压等级的提高会导致融冰装置设备成本增加，同时，小电流也不利于晶闸管整流器的换相，可能会给整流设备带来额外损伤，不利于融冰装置的稳定运行。所以OPGW的融冰需对架空地线结构进行改进，同时开发相应的融冰电源。
1.2 内嵌式OPGW特性
内嵌式OPGW是将几根满足性能要求的绝缘导线绞合于OPGW内层与外层之间，同时应满足拉断力、融冰导流、悬挂点承受应力的要求。
对于短距离线路，可以通过在内部增加一条阻抗低且有一定强度的除冰专用导线替换一条铝包钢线，或采用中心专用导线的方式替换中心加强件或者插入中心铝管，这样对现有线路上的其他元件没有额外的要求，不需要对线路设计进行调整，一般110 kV以下线路均可以采用此种方式。图1为铝包层内部增加若干根相互绝缘的铝漆包线作为融冰载流导体的截面示意图。
对于长距离线路。可直接采用增大OPGW线径以保证其地线单元电气性能，将OPGW 内部的铝包钢拉线进行绝缘处理，作为通电后的发热导体。
根据估算，如果采用铝包钢线作为绝缘导体，按照每根抗覆冰OPGW 内部6根2.5 mm 铝包钢线计算，每100 km的直流电阻低于200 Ω，很容易达到融冰条件需要。而且其架设方式也无特殊要求，仅需要在光缆接头盒内增加导线的接续工作即可，如图2所示。
2 OPGW直流融冰电源以及方案设计
应用于输电线上的融冰方法主要包括交流融冰和直流融。交流融冰电源产生大量的无功，造成电力系统负担加重，因此直流融冰成为电网融冰研究应用的主要方向。直流融冰是将交流电源通过大功率电力电子设备转化为直流进而加热一定长度的覆冰线路达到融冰目的[5-6]。
传统直流融冰装置大都采用二极管不控整流或晶闸管整流桥构成，技术成熟，结构简单，但体积大，谐波含量高，低负载时产生大量无功，效率较低，可控性较差。为此提出采用基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的电压源型换流器作为直流电源，该电源直流侧电压连续可调，交流侧可实现单位功率因数运行，谐波含量低，模块化设计支持多电源并联，易于移动。其主电路结构如图3所示。
从结构上看，融冰电源主要由进线断路器、软起电阻、整流变压器、滤波电抗器以及基于IGBT的三相半桥电压源换流器组成。其中R为OPGW的等效电阻。滤波电抗器的主要作用为：隔离电网电动势与换流器交流侧电压，控制换流器交流侧电压实现四象限运行；滤除交流电流谐波；储能，实现换流器与电网传递无功功率；使换流器具有升压变换(Boost)特性。直流电容的主要作用为：缓冲交流侧与直流负载之间的能量交换，稳定直流电压；抑制直流侧谐波电压。
换流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限变流装置。图4为电压源换流器在两相同步旋转坐标系下的等效数学模型，可实现有功无功独立控制，其中有功部分直接决定融冰的直流电压，无功部分通常设定为零，保持电源侧单位功率因数运行[7]。
内嵌式OPGW的改造为直流融冰提供了可构成回路的导体，其内部载流导体与杆塔绝缘，通过接头盒分段接出，根据融冰电源容量和直流电压确定每次融冰距离。如图5所示，8根相互绝缘的铝漆包线分为两组，在首端将其中4根短接，接入融冰直流电源正极，其余4根短接接入电源负极，在OPGW末端，将所有铝漆包线短接，从而构成回路。
由于OPGW 内包含光单元，使之在新技术应用的灵活度上大大高于普通电力导线，可以采用光缆测温技术（分布式光纤测温系统DTS、准分布式光纤光栅测温系统FBG）实时监测OPGW 的运行温度，一旦OPGW 的温度接近或低于0℃，则可启动外部电源对OPGW 进行升温，甚至可以通过程序控制OPGW 运行温度，使之在固定的温度区间运行。
3 试验
内嵌式OPGW参数等效如表1所示。
图6为电压源换流器交流侧PT、CT二次电压电流波形，其中通道1为电压，通道2为电流，融冰投入瞬间，电流输出迅速响应，电压电流相位基本一致，电源侧保持单位功率因数运行。
图7为电压源换流器直流侧输出电流和直流电压，在响应瞬间，直流电流阶跃变化，直流电压经过短暂扰动恢复稳定。
4 结论
分析了OPGW直流融冰的关键技术和发展状况，针对接地线逐基接地的接线方式，本文提出了采用基于内嵌式OPGW的直流融冰技术，该方法通过对OPGW内部结构的改进，增加若干条阻抗低且有一定强度的除冰专用导线，或采用中心专用导线替换中心加强件，无需对线路设计进行调整，直流融冰电源采用基于IGBT的三相半桥电压源换流器，取代传统二极管与晶闸管整流源，借助光纤测量和通信技术，实现智能融冰功能。试验结果表明该方法的正确性和可行性。
参考文献
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[2]常浩，石岩，殷威扬,等．交直流线路融冰技术研究[J]．电网技术，2008，32(5)：1-6．
[3]姚致清， 刘涛， 张爱玲， 等.直流融冰技术的研究及应用[J]. 电力系统保护与控制,2010(21):57-62.
[4]欧阳克检，陈红冬，刘纯.220 kV输电线路OPGW线夹断裂原因分析[J]. 湖南电力,2013, 33（6）:24-26.
[5]范瑞祥,贺之渊,周细文,等.基于IGBT的移动式多用途直流电源及其融冰调试[J]. 电力自动化设备，2010(3)：111-115.
[6]傅闯，许树楷，饶宏,等.交流输电系统直流融冰装置设计及其应用[J]. 高电压技术,2013, 39（3）:705-711.
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