输电线路除冰技术

英文翻译2008 届电气工程及其自动化专业班级姓名学号指导教师职称二ОО年月日在冬季，暴风雪是一个导致高功率传输线路中断以及花费数以百万计美元用以线路维修的大麻烦。

用约8 - 200千赫的高频率震动法融化冰已经被提出来了(文献1-2)。

这种方法需要两个相结合的机械驱动。

在这种高频率下，冰是一种有耗介质，直接吸收热量加热冰。

另外，电线的集肤效应导致电流只有在薄冰层才导通，由此造成电阻损耗，产生热量。

在这篇文章中，我们在长达1，000公里长的线路上描述该系统设计的实施方法。

我们还利用一个适用于33-KV，100-千赫动力的标准系统测试报告了单位长度冻线的损耗的除冰模拟实验。

整个系统见图1。

它可以以两种不同的方式部署。

由于电线有慢性结冰的问题，或者那些有可能结冰和高可靠性需求的地方，这个系统可以永久的安装连接到部分线路的两端，用以设限控制励磁区域。

另外，它也可以安装在汽车上，用以紧急“营救”结冰线路。

三辆卡车可以携带一组电源和两套设备。

高频高压下输电线路的除冰系统图冰介质加热原理由于冰被视为是有损介质材料，等效电路进行了短暂的一段输电线路涂冰如图2。

该组件值赖斯和西塞可以通过文献3给的冰的导电特性模型计算出来。

在频率低至12赫兹，介电损耗成为产生热量的主要途径。

随着频率的增加，电压会产生大的压降。

虽然较低频率是可行的，但通常采用20-150kHz范围的频率，以避免管制频率（下一章节会详细介绍）。

冰冻输电线路的等效电路图实现均匀加热高频下的励磁传输线路会产生驻波，除非在线路远端有相匹配的阻抗来终止。

由于驻波，冰介质损耗或者集肤效应单独生热，导致加热不均。

一种可能的办法是终止线路的运行，而不是驻波的问题。

然而，运动波产生的能量流通常比冰上损耗要大。

这种能量需要电源的一端来处理，另一端来吸收并终止。

因此，电源的功率容量需要增加到远远超过所需的。

终止端必须有能力驱散或者是回收这些损耗功率。

因此，如果不循环利用的话，无论是在设备的成本，还是终端损耗，这都是一个昂贵的解决方案。

一个更好的解决方案是使用适用于两个热效应原理的驻波以达到相辅相成的效果。

在驻波模式中，冰介质加热时发生最强烈是在电压波腹，而集肤效应生热最为强烈是在电流波腹。

因此，两者是相辅相成的。

而且，如果幅度在适当的比例内，总热量就可以在线路上均匀分布了。

两个热效应产生热量的比例取决于诸多因素，包括导体的类型，形状和冰的厚度。

下面的例子是基于230-kv的双回路输电线路配置，其中线路中导体间距6.3m，导体线是直径35mm的钢芯铝绞线。

为了获得模拟线路的必要参数，我们进行了二维有限法仿真。

一相在高频率情况下导通其他相线，还有地线和作为高频电位的地表，之间的电容是8.06pf/m，外部电感是1.38mh/m。

如果忽略环境影响，把导体以圆铝线为模型，电阻就很容易计算出来了。

为了验证这一假设，我们在8khz频率下测算一段3m长导体的电阻。

测试采用全功率励磁以便为了检测出导体内部的非线性损耗。

然而，结果并没有透漏出丝毫显著的非线性。

在8khz下测量的电阻值大约高于理想铝筒值的10%。

为了在其他频率建立损耗模型，我们利用了一个铝筒计算出来的电阻值，增加了10%的实验因素。

图三显示了驻波在单一波长较长的传输线路上的综合热效应的效果。

我们可以看出这两种热效应互补性的本质：电解质加热法下波形的波峰对应电阻加热法下波形的波谷。

在这个例子中，依据的是50-khz的励磁和15mm厚的冰层，总的加热量还是有显著的波动。

尽管这种情况是可以接受的，但是它仍然需要沿着线路给出一个既定的最小热功率密度以提供一个更高的总输入功率。

调整频率不仅影响了冰的介质损耗，也影响导体的集肤效应损耗，所以为了使线路恒温，调准频率是典型的可行法。

图4给出了一个33khz下的热功率，在这个频率下我们可以估算得出这些热量刚好被15-mm厚的冰完全吸收。

为每米电线提供一个50w的热功率，需要的33khz频率下的峰值电压是在100kv左右。

50Khz下15-mm冰的冻线介电损耗和集肤效应两者生热示意图。

其中波腹处电压有效值是100Kv。

33Khz下15-mm冰的冻线介电损耗和集肤效应两者生热均衡示意图。

其中波腹处电压有效值是110Kv。

图五显示了300km线路的热功率分布规律。

在图中，可以看出，沿着线路，脉冲上下波动并逐渐消失。

以同样的方法在中心部分运行一条600km长的线路是可行的。

超过300km的距离，波动衰减导致远端热功率的明显降低。

这就需要输入电压增加，但是总的输入功率相比于原先可以保证整个线路最低运行水平的功率只能增加大约18%。

更长的线路运行效率可能更低。

例如，从中心区域驱动一条1000公里的线路，如果要保证热均衡，相比于线路末端需要的热功率，输入的热功率要高55%左右。

若哪里有必要的话，可以用较小的高频率电源来保护较短的输电线路，比如一小段穿越大山的线路，或者甚至是两输电塔架之间的单芯电缆。

在超过300Km的线路上同时研究冰的介电效应和导线的集肤效应。

效果和从600Km中心驱动的线路的大有可能相似的。

电源设计小型样机和全面系统都是利用直流变频器技术解决的，其中在共振电感技术方面是最具挑战和创新意义的。

对于原型系统而言，相比于像电源隐现一个较低功率电容负载因子这样的整个线路的电容伏安特性损耗，冰的介电损耗还是很微不足道的。

为了融化一段1-m长电线上的冰，系统仅需要有功功率50w左右，而无功功率是16.5KVA。

这样来说，功率因数仅为0.3%。

如果系统有相对适中的效率，高标准的谐振电感是必需的。

最优选择（文献4-7）的绞线绕组是用来构建的关键组成部分。

原型逆变器原型逆变器是用来驱动一个直径25-mm，1m长的导线上在50W，33Kv 下冰的介电损耗。

把电线悬挂在有测试装置的冷冻间，测的电容是27pF，因此需要0.5A的电流，电压是33kv，100KHz。

这个应用程序的串联变频器见图6.对于有这套程序的电路有多个重要的优势。

切换技术允许100Khz下绝缘栅双极晶体管的正常运行。

逆变器模型的电路示意图在以前，场效应晶体管是用作原型系统的，但是对于全面逆变器而言，场效应晶体管价格相当昂贵。

而且，很多电路都是在1000v以下的低电压下运行的。

电感和线路之间的唯一节点是高压节点；因此，电感器是唯一可以产生高电压的电路元件，而且大部分电路若没有特殊的高压绝缘材料是构建不成的。

需要的电感是93.8mH。

我们最初的目标是保证电感上损耗等于冰上50W的介电损耗。

要实现大型高频交流电流下电感的低损耗需要特别注意绕组的交流电阻，其中交流电阻会因边缘电场产生负面影响。

对于（文献8-11）这些问题来说，分散式差距或者准分布式差距是可能的解决途径之一。

然而，在文献4中的研究表明，对于一个理想的分散式差距，绕组型的线路可以大大降低损耗，同时没有没有额外增加费用。

我们使用电感器的标准要依据符合五个电感器串联的使用说明。

由于适当磁芯尺寸的实用性，需要用一系列的电感；而且为了简化保温装置和避免寄生电容的问题，多个电感串联可以做到降低每个电感的电压。

这也是要用多个电感串联的原因。

为了构建起最佳方案的绕组，定制好的缠线管需要与一个铸造好的底板模型的轻便型设计机件焊铸在一起（如图7所示）。

电感线需要淹没在非传导性的油中以避免高电压操作下的电晕问题。

绕组型筒的两个视图，EC70型铁芯。

绕组线长度70mm事实上，这个设计方案可以利用容易从原料获得的绞线来加以完善，而不是从最佳的设计方案处下手（如图8和表1）。

电感中的损耗很小而难以被估量出来；电感损耗最佳的测算方法是在有效谐振电路装置中测量，而且还得在真空下以确保介电损耗的最小化。

电感器连接一1-m的测试线与导线的电容形成一谐振电路，在谐振电路里网络的输入阻抗是实数，也就是电感器的等效电阻。

用微弱信号测试法得电阻是194Ω，它的损耗与最初期望损耗接近；尽管在全功率下运行，但是由于电感磁芯的非线性，电阻损耗仍旧会高一点的。

原型系统由一系列五个电感器组成铁芯EC70型，飞利浦3C85铁氧体转速375导线75型绞线，美标46型线筒最优化定制型电感18.76mh⋅5=93.8 mh表一电感器设计全控型逆变器如果一根长50-Km、包裹厚达15mm冰的线路在33kHz下以共振方式驱动，输电线路的计算表明：得出大约34Ω或者4.7kΩ的有效输入电阻取决于共振线路的串并联。

在50km线路的远距端（近输入端稍微高一些）提供50w/m的热功率，总的输入功率将达到2.53MW。

对于三相输电线路，一个单功率电源就可以通过转换不同的相来依次除掉每根线上的冰。

这个功率电平逆变器很大程度上提高了标准逆变器的特性。

谐振电感的设计再次成为重要的设计内容。

但是，由于线路的谐振效应，功率因数可能会降低。

如果我们依据五种已知的标准设计出逆变器的谐振回路，那么电感器影响单位无功功率是比原型系统低50的因素之一，这会使电感器的要求标准更加苛刻。

为了将损耗降到最小，仍然需要精心设计装置来考虑到散热。

除冰装置的实验测试原型系统的除冰性能是在一根1-m、裹有7mm厚冰的金属棒上测试的。

测试装置如图9。

包裹有冰的系统输入阻抗是850Ω。

其中大约55 0Ω代表冰的损耗，而另外的200Ω的损耗与电感器的损耗符合。

通过调节驱动频率，使其逐渐接近共振频率来以确保输入功率逐渐增加。

线路上施加5-KV的有效电压，25分钟之后，冰的损耗达到5W，冰就开始融化成水滴下来。

功率继续不断增加，融化速度也一直增加。

两个小时之后，线路上冰吸收大约17W的功率，施加电压是有效值11.6-KV，大块的冰加速从电线上掉落。

稍高功率下，融化速度也增加。

除冰装置通过集肤效应发热也测试和确保按预期运行。

1- m导线的除冰实验测试。

悬挂的导线棒直径25.4mm，棒上冰厚7mm用以实验。

导线右边的直径稍大的白筒里装有浸在油中的电感器。

其他注意事项电磁干扰30kHz激励下线路的电磁辐射有可能造成干扰无线电通信系统，而且很多国家对这个频率范围的辐射都是有管制规定的。

在紧急情况下，那些因功率损耗面积大而产生严重后果可能性的地方，除冰作业比潜在的干扰更重要。

如果电磁干扰仍然是要注意的事项，那么低频率下的除冰作业会受到影响。

例如，美国的8kHz的频率就低于规定范围。

然而，这个频率超出了那些集肤效应和冰的介电损耗生热就可以平衡热量的地方的频率范围。

但是仅集肤效应产热就可以起到作用。

由驻波产生的非均匀加热的情况，可以通过将激励模式移到四分之一频位来改变驻波而得到缓和，也可以通过扫频，或者激励出稍小于电源端（9km、8kHz）产生波长的四分之一来达到目的。

因为对于给定的热功率，在8kHz下，目前需要的稍微高一些；而且还因为特征阻抗保持不变，8kHz的驻波模式下的电压变高，还有8kHz下使发热部小于四分之一波长可能是最好的方法。