1. 引言
我国是电力线路覆冰较为严重的国家之一。线路覆冰的危害主要表现在倒杆断线、绝缘子闪络、设备损坏、跳闸停电等方面，严重时甚至可能导致电网瘫痪。近年来，受全球气候变暖影响，各类气象灾害更为频繁，极端天气气候事件更显异常，破坏程度越来越强，造成的损失和影响也更趋严重。2008年初发生的低温雨雪冰冻灾害，共造成全国共170个县(市)发生供电中断。南方电网供电区域的电网设施遭受到严重破坏，直接经济损失就高达150多亿元[1] ，这次冰灾表明中国电网抵御和防范极端天气灾害的能力仍然较低。实际上每年都有程度不同的冰冻灾害和输配电线路覆冰现象，2014年初，也出现了较大的冰雪灾害，南方各省电网线路覆冰情况相当严重。
由于2008年冰灾极其严重的后果，电网迫切要求提高线路的抗冰能力，一些科研单位相继进行了直流融冰技术和装置的研究[1] -[4] ，由于直流融冰比交流融冰所需容量小得多，而现代直流技术的发展和大电流可控整流元器件的开发，更促进了直流融冰技术的快速发展。目前在江西、湖南、贵州、云南、广西等省份的220~500 kV电网中的若干超高压变电站先后安装有直流融冰装置[5] -[9] ，这些装置的投入使用对电网的安全运行起了重要作用，但是对于电压等级较低、直接和广大用电户相联的下层配电网10~35 kV线路的融冰关注不够，而这部分电网分布面更广、线路数更多、地形更复杂，且安全余度较低，冰灾引起的后果也很严重。这种只有高压输电网融冰而没有下层配电网融冰的状况，严重制约了融冰抗灾的效果，只有从大电网到地方电网、从输电网到配电网、从高压线路到低压线路，融冰装置相互配套、各司其职、同步运作，才能发挥融冰装置的最大作用和效益。在公开的报导中，只有文献[10] 介绍了采用不可控整流方式的配网线路直流融冰装置的研究，我们认为，这一研究具有一定的开拓性，但存在融冰线路长度过短、调节不便、成本较高等不足之处。因此进一步研究性能优良的配电网10~35 kV线路的融冰装置是十分必要的。
10~35 kV配电网的融冰装置有它的特殊性，其技术方案、装置型式、参数计算、结构设计与输电网高压线路融冰装置有很大区别，必须独立研制。主要区别是：
1) 高压线路融冰装置的投资十分巨大，结构和接线十分复杂，占地面积很大，装置一般采用水冷却，建有泵房、过滤设施、冷却装置等，还有复杂的计算机网络和光纤通信网络，另外还设有体积庞大的高压负荷试验装置，这样耗资巨大的庞然大物地方电力企业是无法承受的，只能望而却步。因此，研究一种成本低廉、结构简单、方便实用同时又有高的技术含量、性能优良的10~35 kV配电网直流融冰装置有重要现实意义，是大范围推广应用融冰技术的基础。
2) 地方电力企业的技术水平、管理水平和人员素质相对较低，配电网融冰装置不但要求工作可靠性高、性能优良，还要求简单实用，操作简便、维护容易，运行维护人员易于掌握。
3) 低压配电网的情况要比高压输电网复杂得多，不但变电站众多、网络结构复杂、线路数量多，而且地理条件复杂，不少是交通不便的高寒山区，融冰难度很大。因此，单一的融冰模式是不能满足要求的，必须研制开发应对不同情况的多模式、系列化融冰装置。为此，我们研制了四种模式的融冰装置：
①35 kV线路融冰装置：装于配电网110~220 kV中心变电站，融冰电源从10 kV引出直接整流，对全站35 kV线路和除电源线以外的其它电压等级线路进行融冰。
②10 kV线路融冰装置：装于配电网35 kV变电站，由于己有了35 kV主干线融冰装置，使沿线的变电站有了可靠的融冰电源，采取10 kV经变压器降压整流对变电站10 kV出线进行融冰。
③车载发电机组移动式融冰装置：对长线路和分支线以及电网无法供电时进行融冰，发电机组融冰车开到现场实施融冰，使用灵活、覆盖面广。
④轻型便携式融冰装置：10~35 kV线路地理条件复杂，有些线路往往在山上一小段覆冰，而融冰车又开不到，便携式融冰装置可以人工搬运到现场进行融冰。
我们己独立研制了四种模式的融冰装置，进行了实验室模拟试验和现场试验，表明技术性能优良，并于2014年初，桂北遭受冰雪灾害致线路覆冰时，装置投入了使用，短时间内覆冰全部脱落，达到理想的融冰效果。
2. 35 kV线路融冰装置
2.1. 融冰装置技术方案
35 kV线路直流融冰装置主回路接线如图1所示。
融冰电压直接从变电站10 kV进线开关柜引来，不设整流变压器，经限流电抗器引至整流装置，将
Figure 1. Configuration of 35 kV DC ice-melting equipment
图1. 35 kV线路直流融冰装置主回路接线图
交流电压变换成直流电压。整流方式采用高压大功率六脉动全控整流装置，每桥臂由7个高压大功率晶闸管串联成阀组，采用性能优良的高压大功率串联晶闸管数字触发电路。每一晶闸管接有静态和动态均压保护电路，电阻采用高压大功率氧化锌陶瓷电阻。整流装置采用风机强迫风冷，比采用水冷要简化得多，成本也低得多。切换装置采用6台性能优良、价格低廉的真空接触器，可以实现两相串联或两相并联加一相串联的融冰方式，装置能自动切换、闭环控制。整套装置由电抗器柜、整流柜、切换柜构成，结构紧凑，运输安装方便。交直流都有避雷器过压保护，控制电路有过流限制、脉冲消失等保护，进线柜有微机过电流保护。
2.2. 装置的技术特点
1) 新颖的脉冲高压隔离技术。为了节省投资，简化接线，直流融冰装置直接取用10 kV电源，因此用7个晶闸管串联组成一个桥臂(阀组)，这样对晶闸管触发脉冲要求很高：脉冲的一致性要非常好；脉冲前沿要很陡；脉冲的幅度和宽度要足够；三相触发要很平衡。我们采新一代的数字触发集成芯片，完全满足这些技术要求，且线路简单、成本低廉、维护方便。但是晶闸管处于高电压，而脉冲的生成和驱动电路是低电压，高、低压之间的耐压要求很高，现有的融冰装置都是采用光电隔离、光纤传输，这种方式成本高、接线复杂、可靠性低，我们所研制的融冰技术方案不采用光纤，而采用一根单芯高压电缆穿过多个磁环脉冲变压器实现高、低压隔离，做法简单而巧妙，费用极少。同时突破现有的融冰装置所采用的传统的电压触发方式，采用了电流触发方式。
2) 采用强迫风冷方式。高压大功率晶闸管以及均压电阻运行中会产生很大的热量，必须冷却。目前超高压系统直流融冰装置都采用强迫水循环冷却，这种方式耗资巨大，结构复杂，也降低了可靠性，不宜在中低压线路融冰装置使用，我们采用风机强迫风冷方式，投资省得多，结构简单得多，但阀组散热器的设计和参数选择很关键。
3) 采用氧化锌陶瓷电阻。高压大功率整流装置最高电压达15 kV，目前晶闸管最高耐压为6500 V，一般应有3倍以上的裕度，因此多个晶闸管串联的均压问题非常关键[11] ，需要研究有效的动态和静态均压措施，取消水冷以后，均压电阻的散热也是一个难点。我们起初采用大功率金属膜高压电阻作为动态均压电阻，试验中电阻多次打火烧坏，后来改用新型的大功率高能氧化锌陶瓷体无感线性电阻，这种电阻的特点是瞬间能吸收极大功率，在以后的试验和使用中，电阻再没有损坏过。
4) 创新的低成本分步试验方法。融冰装置每年使用的时间很有限，平时都在断电停运状态，因此每年冬季到来之前，必须进行试验，确保装置完好待命。试验最重要的内容就是带负载运行，因此高压电网融冰装置都带有高压大功率负载试验装置，此装置体积大，耗资大，占地多，如果照搬这一方法，很难将融冰装置的成本降下来。经过试验研究，我们采用“高压试压、低压试流”的分步试验新方法，即采用很小功率的高压负载电阻箱，加上高压以检验装置在高电压下的工作情况。实验室的高压试验接线如图2所示，试验电源接380 V系统，采用一台配电变压器升压，由三相调压器调节输出电压，因为实验室己检验装置高压工作正常，现场试验可直接加10 kV电压。然后将负载改接为价格很低的低压大功率负载电阻，加上低电压，以检验装置在大电流下的工作情况。试验接线如图3所示，试验电源仍接380 V系统，经三相调压器接三单相变压器组降压，以输出大电流。这种试验方法的费用很低。
35 kV线路融冰装置的技术参数见表1。
3. 10 kV线路融冰装置
3.1. 技术方案
10 kV线路直流融冰装置主回路接线如图4所示。
Figure 2. High voltage test configuration of ice-melting equipment
图2. 融冰装置高压试验接线图
Figure 3. Low voltage test configuration of ice-melting equipment
图3. 融冰装置低压试验接线图
融冰电压从变电站10 kV经整流变压器降压。整流方式采用晶闸管模块六脉动全控整流装置，每桥臂由2个晶闸管模块串联成阀组，采用性能优良的晶闸管数字触发电路。每一晶闸管有静态均压和阻容动态均压保护，直流侧有阻容过压保护。切换装置采用交流接触器，操作方便，成本低。控制电路有过
Table 1.Technical parameter of various mode ice-melting equipment
表1. 各种模式融冰装置的技术参数
Figure 4. Configuration of 10 kV line DC ice-melting equipment
图4. 10 kV线路直流融冰装置主回路接线图
流限制、脉冲消失等保护，进线有微机过电流保护。柜内配有负载电阻作试验用。
3.2. 技术特点
单条10 kV线路一般都不长，融冰所需容量并不大，因此装设整流变压器降压隔离，这样整流、均压、切换、测量、试验等回路都可以采用较低电压器件，整体结构简单轻便，全套装置安装在一个GGD型标准柜内，既可以固定于一个变电站内，也可运至其它变电站融冰。
10 kV线路融冰装置的技术参数见表1。
4. 移动式融冰装置
4.1. 技术方案
移动式融冰装置主回路接线如图5所示。
采用无刷励磁柴油发电机组作融冰电源，根据试验中出现的问题其励磁系统己进行了改造。发电机绕组接有星形–三角形切换开关，可输出三相690 V或400 V电压。整流方式采用二极管模块六脉动不可控整流电路，取消了脉冲触发控制电路，直流侧设阻容过压保护电路。为简化接线，融冰方式采用双投三相闸刀开关手动切换，整套装置安装于一个小型配电箱并固定于柴油发电机组的机座上，发电机组和融冰装置装在汽车上，可以运到融冰现场。
4.2. 技术特点
1) 目前采用的移动式发电机融冰装置，都是常规低压400 V的柴油发电机组[10] [12] ，融冰线路长度受到限制，难于满足实际要求，我们采用690 V发电机大幅提高电压，最大融冰长度增加1.73倍，这是一种煤矿、油田专用柴油发电机组，价格与400 V机组相同。当然同容量发电机的电压提高了，电流就相应减小了，我们又采用将定子绕组进行星形—三角形变换的新颖方法，以满足需要较大电流时的要求。此外，装置每年融冰时间毕竟是有限的，移动发电机组平时可作为应急电源使用，做到一机多用。
2) 励磁系统的改造。柴油发电机组都是自励恒压式发电机，装有自动励磁调节器AVR，密封固化于一块印刷板上，当负载变动时能维持机端电压稳定。但在发电机组融冰装置试验中，当融冰电流增大到一定数值时，电流出现大幅摆动振荡，振幅可从零至最大值，发电机的各项参数以及柴油机调速机构也随之摆动，而发电机组带一般负载却没有振荡现象，究其原因就在于融冰负载的特殊性。融冰装置的三相六脉动整流电路带负载后，会产生一系列高次谐波，包括6 k ± 1(k为整数)的特征波和非特征波，使发
Figure 5. Configuration of generator car ice-melting equipment
图5. 车载发电机组融冰装置接线图
电机电压波形严重畸变，而AVR是按基波正弦电压设计的，当较严重的谐波干扰时就会破坏其正常工作而出现振荡。为解决这一问题需对励磁系统适当改造，方法是加装一台输出电压可调的开关电源和转换开关，如图5所示。机组启动并起励建压时，融冰切换开关1~3 QS断开，转换开关QK投向“空载”位置，使发电机电压升至额定值。实施融冰时，融冰切换开关根据需要投切，QK投向“负载”位置，调节开关电源输出电压改变发电机励磁电流，从而调节融冰电流，现场使用表明，融冰电流平稳可调，振荡现象不复存在。同时，这样改造后可将整流方式由可控整流改为不可控整流，装置结构大为简化，降低了成本，提高了可靠性。
移动式发电机融冰装置的技术参数见表1。
5. 便携式融冰装置
5.1. 技术方案
便携式融冰装置主回路接线示意图如图6所示。
采用中频低压汽油发电机组作融冰电源，发电机频率采用中频700 Hz，以降低重量和体积。采用晶闸管模块六脉动全控整流电路，融冰时用特制的大电流夹子接到线路上，操作很方便。整套装置装于有轮子的推车上，便于移动。
5.2. 技术特点
我们实地了解到，有些线路往往只在山上一小段覆冰，而融冰车又开不到，便携式融冰装置可以人工搬运到现场进行融冰。由于装置要求很轻便，故不能采用常规的50 Hz发电机，而采用了中频和特殊结构的新型发电机组，使既能大幅降低重量和体积，又能满足融冰电流的要求，整套装置的重量约为90 kg。同时融冰装置又可作高性能的直流电焊机使用，动态特性好、效率高、引弧容易、电弧稳定，负载使用率可达100%(普通焊机60%)，比交流焊机或50 Hz整流直流焊机性能优越，最适合在山区或无电时对电杆和接地极进行焊接作业。
便携式融冰装置的技术参数见表1。
6. 结语
配电网融冰装置具有区别于输电网融冰装置的特点。针对配电网线路覆冰的复杂情况，自主研制成
Figure 6. Schematic configuration of portable ice-melting equipment
图6. 便携式融冰装置主回路接线示意图
功了四种模式适用于不同场合的融冰装置，装置结构简单、成本低廉、性能优良，现场试验和使用达到满意的融冰效果。