为了保证电力系统在严冬季节尤其是冰雪天气环境下能够依然安全可靠运行，国内外技术人员就输电线路的融冰方式和相关技术开展了大量的研究和分析工作。针对输电线路已经形成严重覆冰的情况主要采用机械除冰法和大电流融冰法等主动除冰方式。其中机械除冰法会损伤金属导线，我国尚没有在工程中应用。大电流融冰法又包括增加覆冰线路负荷电流融冰、采用高强度耐热铝合金线融冰、交流短路电流融冰、应用电力电子技术进行直流电流融冰。其中增加覆冰线路负荷电流融冰受运行方式的限制；采用高轻度耐热铝合金线融冰需要对线路进行改造，成本较高且线损大。因此，采用交流短路电流融冰、直流电流融冰成为两种最有效和可行的融冰方式。

短路电流融冰法在国内外都有成功应用的先例。2008年湖南冰灾发生期间，湖南省电力公司采用交流短路融冰技术对运行条件允许的20回220 kV输电线路进行融冰，从而确保了部分220 kV线路的安全可靠运行，对湖南电网抗击冰雪灾害发挥了重要作用^[3,4]。500 kV线路通常采用多分裂导线所需的融冰电流大(一般需要达到几千安培)，而其交流阻抗大，所需融冰电源电压高、容量大；再加上，输电线路导线型式和长度各异，为了适应融冰电源电压经常需要将几条线路串联起来进行融冰，给系统的运行方式带来极大影响；因此，采用交流短路融冰主要应用于220 kV及以下线路融冰，在500 kV及以上电压等级线路进行短路融冰的案例几乎没有^[5]。

众所周知，500 kV交流线路的直流电阻不到交流阻抗的10%，如果想要在融冰的时候产生相同电流值的融冰电流，运用直流模式所需要的电源容量相较于交流模式要小得多；同时在直流融冰模式中普遍采用全控整流桥，其输出电压、电流可以连续调节，可以适应不同长度、不同导线类型线路融冰。

直流融冰技术的主要工作原理就是将直流电流施加在覆冰线路上，即把覆冰线路作为负载，由此实现采用较低的电压产生的直流短路电流来加热导线使线路覆冰融化。根据实际的需要，直流电流融冰的解决方法有两种：专用的直流融冰装置、兼顾SVC和直流融冰两种用途的复合装置。

在国外，应用电力电子变流技术对线路进行直流融冰已有成功运行的工程。早在1972年，受到冰雪影响严重的前苏联就开始采用二极管整流装置进行线路融冰，后来到现在则采用可控硅整流装置。基于可控硅整流技术，俄罗斯直流研究院发明了两个电压等级组合的可控硅整流融冰装置，即由11 kV交流母线供电14 kV的可控硅整流装置和由38.5 kV交流母线供电的50 kV的可控硅整流装置。14 kV和50 kV电压等级装置的额定功率分别为14 MW和50 MW。其中在1994年对一条315 km的110 kV电压等级的输电线路采用了50 kV的可控硅整流装置(50 MW)装置进行除冰。

在1998年，阿海珐(AREVA)公司和加拿大合作开发了一种被称为HVDC-ice的直流融冰技术。采用该技术的直流融冰装置系统输出的直流电流高达7.2 kA，使得更容易将输电线路导线的温度升高，将覆盖在导线上的冰雪融化并滑落。HVDC-ice系统用在加拿大魁省的主要枢纽Levis变电站，系统覆盖约600 km输电线路^[5,6]。

在国内，应用电力电子变流技术对500 kV线路进行直流融冰也有了很多成功运行的工程，由中国电科院成功研究设计的亚洲首套大容量直流融冰装置，具备对四分裂500 mm²截面导线融冰180 km的能力^[7]。2008年12月，该装置在湖南复兴变电站至沙坪Ⅰ回500 kV线路上进行现场试验融冰，其输出融冰电流4 kA，测点最大温升47 ℃，各项试验数据均达到500 kV线路融冰要求。2009年1月，由南瑞集团自主研制的500 kV输电线路可移动直流融冰装置在湖北省咸宁500 kV变电站进行了咸宁-梦山50 km线路进行了融冰。自2008年以来，包括中国电科院、南瑞集团、许继、南方电网等单位在内的诸多企业，均研制出了针对各种输电线路的固定式或移动式直流融冰装置(有的直流融冰装经重构还具备SVC无功补偿功能)。

直流融冰技术的原理就是将直流电流施加在覆冰线路上，即把覆冰线路作为负载，由此实现采用较低的电压产生的直流短路电流来加热导线使线路覆冰融化^[8]。

所需的直流融冰电流可通过两种技术来产生，即发电机电源整流技术和可控硅阀组整流技术。前者虽可减少投资但却受发电机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求。因此采用可控硅阀组整流技术进行线路融冰成为目前的主流技术；这种融冰技术的适用工况更广泛，可以根据不同的线路融冰工况来调节所需的直流融冰电压和电流值大小，从而满足不同应用工况的需要，是现有融冰方法中最理想、最有效，也是最为普遍采用的一种直流融冰技术^[9]。

直流融冰装置主要由系统电源、整流变压器、晶闸管整流器、平波电抗器、交直流滤波器及各类开关组成^[8]。其中由可控硅(晶闸管)构成的整流器是直流融冰装置的主要设备，产生覆冰线路发热融冰所需的直流融冰电流。系统电源一般取自融冰线路所在的变电站交流系统，通过整流变压器向晶闸管整流器输送交流电源。可控硅(晶闸管)的控制系统通过改变可控硅(晶闸管)的触发角来调节在线路融冰过程中所需的直流融冰电流。交流滤波器主要用于抑制融冰装置产生的谐波，使其满足国标要求。直流滤波器主要用于滤除同杆并架线路工频感应电流，抑制整流变压器的直流分量^[10]。

现有的大部分直流融冰装置一般都是采用以下两种融冰接线方式：

1)两相导线串联，简称“一去一回”方式。

2)两相导线并联后与第三相导线串联，简称“一去两回”方式。

国内、外已成功运行的诸多直流融冰装置工程，成熟的直流融冰技术和直流融冰装置设备应用于电网，这为文章论及的技术研究的可行性奠定了良好的理论和实践基础。

为了方便对输电线路的导线及地线融冰，通常直流融冰装置被设计及安装成完全独立的两套装置，两套独立的整流变及整流装置^[11,12]，控制保护系统也各自独立。这样就增加了设备投入，同时占地面积增大，运维等费用成倍增加。因此，为了更好地实现对输电线路的导线及地线进行融冰，文章介绍一种输电线路导线及地线复用新型直流融冰装置技术方案，对解决输电线路导线和地线覆冰、降低直流融冰装置投资、提高输电系统抵御自然灾害的能力具有重要意义。

文章推介的导线及地线复用新型直流融冰装置的主拓扑结构如图1所示，该拓扑结构由电网侧母线供电，主要包括三绕组整流变压器、大电流晶闸管整流器、小电流晶闸管整流器以及断路器、隔离开关等。

图  1  导线及地线复用新型直流融冰装置原理图

Figure 1.  Schematic diagram of new model dc ice-melting device for phase wire and ground wire

如图1所示，装置对线路导线进行融冰时，启动三绕组整流变压器大容量、小容量线圈，以及大电流阀组，此时小电流阀组处于带电闭锁状态。由交流电源供电，6脉动大电流晶闸管整流器经过对交流电整流后，以覆冰线路导线为负载输出直流电流，直流电流施加在线路上，产生热量使线路导线覆冰融化。直流融冰装置通过改变晶闸管阀的触发角来调节在线路融冰过程中线路直流电流的大小。

装置对线路地线进行融冰时，启动三绕组整流变压器大容量、小容量线圈，以及大电流、小电流晶闸管整流器，此时大电流及小电流晶闸管整流器串联同时工作，由交流电源供电，6脉动大、小电流晶闸管整流器串联组合经过整流以覆冰线路地线为负载输出直流电流，直流电流施加在线路上，产生热量使线路地线覆冰融化。直流融冰装置通过改变晶闸管阀的触发角来调节在线路融冰过程中线路直流电流的大小。

该装置的大电流晶闸管整流器、小电流晶闸管整流器，两者共用一套水冷却装置，利用隔离开关串联组合连接，通过对线路导线和地线隔离开关的操作以及控制保护系统的闭锁功能，对电流晶闸管整流器、小电流晶闸管整流器进行拆分重组，对小电流晶闸管整流器带电闭锁控制选择，构成不同的拓扑结构，从而实现其在导线直流融冰功能和地线直流融冰功能之间进行切换，解决大电流、低电压、大容量导线直流融冰装置问题和小电流、高电压、小容量导线直流融冰装置问题。

如今，导线融冰和地线融冰独立装置已经广泛的应用，现有成熟技术在对输电线路的导线及地线融冰时，通常直流融冰装置被设计及安装成完全独立的两套装置，如图2所示。

图  2  导线、地线直流融冰装置原理图

Figure 2.  Schematic diagram of DC ice-melting device for phase wire or ground wire

与现有技术比，该复用新型装置有以下优点：

1)本装置中导线及地线复用新型直流融冰装置主拓扑，利用主要设备的不同应用状态下的重构，可以分别实现线路导线和线路地线直流融冰功能。

2)本装置的主拓扑结构，在不影响装置效果的情况下，相比较于导地线独立融冰装置技术，节省了一台整流变、一套控制器、一套水冷却装置、一套控制保护系统，减少了装置整体占地面积，降低了噪声和装置整体的投资，较大增强了装置整体的经济性。

3)本装置的大电流、小电流晶闸管整流器，可以在导线和地线两种直流融冰模式下实现设备及其参数全部兼容，包括整流变压器、晶闸管阀组、水冷系统、断路器、隔离开关及控制系统等设备完全通用。

4)本装置的导线和地线两种直流融冰快速切换方式，可以通过控制晶闸管阀组及整流变压器的刀闸分合快速简便地实现导线融冰、地线融冰功能的切换，完成整个装置的构造。

5)本装置的整流变压器和大电流、小电流晶闸管整流器组合配置方案，在进行优化设计的基础上，可以整流输出不同直流电流值，分别满足导线和地线融冰需求不同电流值的需求，同时可以优化阀正常运行时触发角范围，保证整流阀组在最优工况下运行，提高装置运行的可靠性。

6)本装置的三绕组整流变压器和双套晶闸管整流器组合配置方案，在优化设计的基础上，可以在省去一台整流变、一套直流融冰控制器、一台晶闸管整流器用水冷装置的同时保证导线和地线直流融冰功能的实现以及仍然可以保证直流融冰电流不出现断续情况，提高了整套装置的经济性。

7)本装置的导线融冰功能和地线融冰功能在同一套装置上实现的方法，可以有效快速地利用三绕组整流变压器和双套晶闸管整流器的重构实现装置功能的变化，导线、地线融冰功能的运行方式转换方便快速，节省了成本。