雨雪冰冻是严重威胁电力系统安全稳定运行的自然因素之一，随着极端天气的频繁发生，冰灾对输电线路的影响愈加严重^[1-3].直流融冰技术在电网中的大规模应用，在预防冰灾、建设坚强电网中发挥了巨大作用^[4-7].近年来直流融冰装置日趋成熟，对其运行状态的研究多集中于融冰计划决策^{[8, 9]}、过电压保护及绝缘配合^[10]、新型融冰技术^[11]等方面，而如何在建成调试、故障检修后，采取可靠、合理的方法检测直流融冰装置各项功能已成为新的研究课题.

自2008年的严重冰雪灾害以来，各类型的直流融冰装置成为电网抵抗冰灾的重要设备，但由于气候变化，近年来冰灾对输电线路的威胁有所减弱，直流融冰装置性能检测方法日益成为学者关注重点.文献[12]提出了一种开路试验方法，在融冰装置直流侧断开条件下，借助控制系统建立检测直流电压，并通过电压参考值设置，检验融冰装置直流设备的绝缘水平以及电压控制系统是否正常.文献[13]提出一种零功率试验方法，该方法通过在平波电抗器出口处短接融冰装置直流端口的高、低压端，检测融冰装置直流电流控制功能以及换流阀、隔离开关等重要元件通流能力.目前上述2种方法已成为直流融冰装置可靠性检测的重要手段并进行了多次现场试验，取得一定工程效果^[14].但上述2种方法将电压、电流作为单一因素独立进行检测，并不能完全模拟实际融冰工况，导致对融冰装置功能可靠性检测结果缺乏说服力，且由于不带融冰线路运行，上述方法存在无功消耗大、交流测谐波严重、电压电流畸变率高等缺陷^{[15, 16]}.

针对上述问题，本文提出一种全压大电流的直流融冰装置检测方法，模拟实际融冰过程中的融冰装置大功率工况，提出水即为导电介质又作散热介质的等效负载设计思路，通过等效负载试验验证该方法的可行性与正确性，为工程应用推广提供参考.

1 试验方法与原理

直流融冰装置全压大电流试验检测方法是通过模拟实际带线路融冰工况，检验融冰装置电压、电流控制功能的同时兼顾检测直流元件的通流、耐压能力.相比于开路试验模式和零功率试验模式，带线路融冰运行模式下直流融冰装置直流侧谐波分量较少，可将被融冰输电线路等效为简单的电阻负载.针对我国不同电压等级输电线路所采用的典型导线，本文选择3种不同容量直流融冰装置，投运在不同电压等级输电线路时，基本技术参数如表 1所示^{[5, 17]}.由表 1可知，直流融冰装置带线路运行时，融冰线路的直流电阻较小，故该检测方法所要求的等效负载应是小电阻、大功率、易散热的电能耗散装置.

水介质比热容较大，易流动，能通过对流进行热传递，在工业散热系统中有较多成熟应用，其作为导电介质，因水中的离子在电场作用下的定向移动使得水介质具备较好的导电性.水介质取材方便、成本低的优点有利于直流融冰装置全压大电流检测平台的移动化设计和工程应用推广，故模拟负载考虑使用水同时作为导电和散热介质.

2 等效负载试验 2.1 试验参数

为验证直流融冰装置全压大电流试验检测方法的可行性，根据某3台并联式10 MW直流融冰装置单台实际运行参数和表 1对融冰线路电阻估算，确定功率等效负载为1/100的验证性等效试验参数，如表 2所示.

2.2 负载装置设计

试验需考虑可行性和经济性，根据表 2所示参数，等效试验回路电流较大，为保证试验安全性，采用尺寸规格为50 mm馈电电缆，根据试验现场实际情况，综合考虑电缆布置因素确定使用两平板电极的装置布置方式，由2块长1.2 m、高0.7 m、厚度为0.04 m的钢板作为散流电极，极间距为5 mm，吊装固定于长1.5 m、高1 m、宽1.1 m的塑料水箱中，水箱内壁与底部铺设薄金属板，并进行电气连接处理，水箱内两侧分别设置1个进水口和2个控制水位的溢流口以及1个底部出水口，通过调节水源处和底部出水口阀门控制流量平衡，保证水不从表面溢出，水流由入水口流入，3个出水口流出，流过两散流电极时，将热量带出，达到水既作为导电介质又作为散热介质的设计目的，装置实物图如图 1所示.

2.3 试验布置及方案

试验电源采用某移动式直流电源，额定输出参数为300 A/800 V，由动力配电柜、调压器以及调压台组成.本次试验功率缩比为1/100，注入电流应为130 A，考虑水介质电阻率的负温度特性导致的回路电流增大，为预留一定安全裕度，回路初始施加电流为110 A，试验通流时间30 min.

散流平板电极的温度变化是本试验重点监测对象之一，本文采用压片式温度传感器固定于极板表面，多路温度巡检仪采集并记录数据，传感器输出补偿导线和接头处作防水绝缘处理，传感器实际布置如图 2所示；在极板表面左右交错对称分布9个温度传感器测点，按照相同方法对温度传感器编号为A₁~A₉、B₁~B₉.由于电流主要在正负极板间流动，为不影响极板端部散流，将温度传感器全部布置在两极板内侧，传感器距离端部和电极边角一定距离，布置位置如图 3所示.

为研究不同入口水流流速对负载装置的散热效果的影响，在供水源与水箱入口的管路上装配涡轮式液体流量计，用以测量入口流速，采用万用表和直流钳形表分别测量极板间电压以及回路电流，试验整体布置示意图如图 4所示.

2.4 试验结果及分析 2.4.1 不同流速条件下散热效果分析

负载装置在流量平衡条件下，通过调节水源处与水箱出口处的阀门，改变入口流速的大小.分别选取入口流速为8.8(记为大流速组)、2.0(记为小流速组)、0 m³/h(记为对照组)时，采用多路温度巡检仪记录负载装置的温度变化.

分别绘制不同入口流速条件下，散流极板测点A₁~A₉、B₁~B₉随着通流时间改变温度的变化曲线如图 5所示.由图 5(a)、(b)可知，对照组在没有形成水对流散热条件下，两电极表面温度与水温将以较快的变化速率持续升高，由于水电阻率的负温度效应，等效负载装置电阻不断减小，回路电流持续增大，并且在通流30 min后温度并没有达到稳定，整体温度和回路电流有继续增大的趋势.由于水加热后，温度较高的水密度较小，具有向上流动的趋势使得位于电极上端的3个测量点温度较电极上其他6个位置高，其中靠近馈电电缆与电极连接固定处的A₃、B₃为极板温升较高处.

与对照组相比，由图 5(c)、(d)可知，负极板上温度传感器位置相比于正极板上温度传感器，更靠近水箱溢流口和底部出水口，故整体温度相对于正极板较低；正负极板上各测点温度也随通流时间增加而升高，但温升速率比对照组小，30 min后的最终温度也比无对流条件下小，两电极上端3个测点位置温度仍然较其他点高，且最高点依然是靠近电缆接线处的A₃和B₃，说明在小流速条件下，装置内部水介质的对流对整个装置的散热起到一定的效果，但各测点温度在30 min内未到达稳定状态；在大流速条件下，由图 5(e)、(f)可知，在达到流量平衡的基础上，装置散热也基本达到平衡，在经过将近10 min左右的温度升高后，各测点温度基本保持稳定，在通流30 min后，正极板上各测点温度比较平均，上端位置温度仍较其他点高，负极板上端温度不再为各测点最高，各点温度分布较为平均，由于负极板的测点布置位置靠近出水口一侧，故温度较正极板测点低.以上现象表明在该入口流速条件下，水介质的对流散热效果明显，达到预期效果.

2.4.2 温度对负载电阻大小的影响

在每组试验通流时间30 min内，每5 min记录1次极板间电压和回路电流.

绘制装置电阻与通流时间关系曲线如图 6所示，从图中可知，对照组无对流条件下，负载装置电阻随着通流时间增加而迅速减小，说明该条件下整体温度在逐渐升高，且温升速率较大，并且在通流后10 min左右，电阻下降到2 Ω指标值以下；小流速条件下，装置电阻也随着通流时间增加减小，但减小速率较对照组小，说明该条件下整体温度在逐渐升高，但温度升高速率较对照组小，在通流20 min左右时，电阻开始下降到2 Ω指标值以下；大流速条件下，电阻在减小一段时间后逐步趋于平稳，稳定值在2 Ω左右，说明该流速条件下，温度在通流一段时间后趋于稳定，使水电阻率变化幅度减小，整体散热效果较好的同时，也满足设计指标对负载电阻的要求.

3 结论

1) 在合理的体积约束和散热条件设置下，水介质能够作为全压大电流等效负载的导电介质和散热介质.

2) 在不同流速条件下，正极板与负极板温度分布基本相同：轴向比较，靠近出水口一侧极板温度较入水口一侧低，但相差不大，基本在4 ℃以内；纵向比较，极板上端温度仍然较其他位置高，且最高点集中并靠近电缆接线处附近.

3) 在流量平衡的前提下，与对照组和小流速组相比，当入口流速达到8.8 m³/h时，等效负载模拟装置整体温度在上升一段时间后基本达到稳定，装置整体电阻稳定在2 Ω左右，满足性能检测试验要求.

4) 由于水介质电阻率的负温度效应，等效负载电阻随整体温度升高而减小，从而使回路电流增大，但一旦整体温度达到稳定，负载电阻和回路电流几乎无变化，稳定在某一值.