輸電線路新型電磁防除冰

王新掌，李紅磊，高建良，王君莉，郝少帥

（1. 河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3. 鄭州華信學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451150）

我國(guó)是世界上輸電線路覆冰最嚴(yán)重的國(guó)家之一，我國(guó)關(guān)于輸電線路覆冰事故的記載始于1954年。2008年1月，我國(guó)南方廣大地區(qū)遭遇了有氣象記錄以來(lái)最嚴(yán)重的持續(xù)低溫雨雪、冰凍災(zāi)害，對(duì)我國(guó)西南、華中、華南、華東地區(qū)的電網(wǎng)運(yùn)行造成了重大危害。2011年1月，南方電網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)貴州大部分地區(qū)、廣西桂北地區(qū)、廣東粵北地區(qū)和云南滇東北地區(qū)的輸變電設(shè)施相繼出現(xiàn)覆冰險(xiǎn)情，先后導(dǎo)致1 414條10 kV及以上線路、70個(gè)35 kV及以上變電站停運(yùn)。因此，研究輸電線路如何防除冰具有重要的實(shí)際意義。

20世紀(jì)70年代初，加拿大進(jìn)行了三相交流短路融冰試驗(yàn)。1998年，法國(guó)AREVA公司與加拿大合作開(kāi)發(fā)了高壓直流融冰裝置，其功率為250 MW，直流電壓等級(jí)為17.4 kV，能實(shí)現(xiàn)對(duì)4條735 kV和1條兩回315 kV共長(zhǎng)564 km的線路融冰[1]。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)針對(duì)220 kV以下的嚴(yán)重覆冰線路，采用交流短路融冰方法進(jìn)行融冰，融冰效果較好[2-4]。2008年冰災(zāi)后，某省電力公司科學(xué)研究院研制出的新型直流融冰裝置在線路融冰中取得良好效果。近幾年，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要是在輸電線路覆冰形成的理論和除冰新技術(shù)上[5-13]。

雖然國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于輸電線路的除冰方法有很多，但這些方法都有一定的局限性，如輸電線需要停運(yùn)，需要較多的人力、物力，費(fèi)用高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗多等。本文所研究的新型防除冰方法能夠保證在線路不停運(yùn)的情況下防除冰，為輸電線路防除冰提供了一項(xiàng)新的技術(shù)和理論依據(jù)。

1 新型電磁除冰原理及物理模型

本文的研究是基于高頻電磁感應(yīng)技術(shù)，將電力電子電路產(chǎn)生的高頻電流通入纏繞在輸電線上的螺線管線圈產(chǎn)生一定強(qiáng)度的高頻電磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，該高頻電磁場(chǎng)在輸電線內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流又產(chǎn)生渦流損耗并轉(zhuǎn)變成熱能，使導(dǎo)線受熱部分的溫度迅速升高，熱量由輸電線的高溫區(qū)域通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至低溫區(qū)域，從而使整條輸電線路溫度達(dá)到0 ℃以上達(dá)到防除冰的目的。

高壓輸電線路的導(dǎo)線通常采用鋼芯鋁絞線，覆冰輸電線的橫剖面如圖1所示。

圖1 覆冰輸電線的橫剖面Fig. 1 The cross section of an icing transmission line

在需要防除冰的線路上每隔一段距離，纏繞一定厚度和長(zhǎng)度的線圈，防除冰二維軸對(duì)稱物理模型縱剖面如圖2所示。

圖2 電磁技術(shù)除冰的物理模型縱剖面Fig. 2 Longitudinal profile of the physical model for electromagnetic deicing technology

圖2中的感應(yīng)線圈層包含有2個(gè)參數(shù)一樣的線圈，輸電線路覆冰時(shí)，其中一個(gè)線圈用作防除冰，另一個(gè)線圈變換過(guò)電壓和電流后作為電源引到安裝在桿塔上的變頻器，然后把經(jīng)過(guò)變頻后的高頻電流通給防除冰線圈；不除冰時(shí)，2個(gè)線圈對(duì)接，使2個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，線圈中不存在電流，不消耗能量，也不對(duì)環(huán)境造成影響。這些可以通過(guò)引到變電站的控制線來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)防除冰和停止防除冰的動(dòng)作，同時(shí)應(yīng)當(dāng)避開(kāi)雨雪天氣停電檢修。

2 耦合數(shù)值計(jì)算

本文采用有限元ANSYS分析軟件對(duì)輸電線中的電磁-熱現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出高頻電磁場(chǎng)在輸電線中所產(chǎn)生的焦耳損耗，然后再對(duì)輸電線中的熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。利用ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言APDL進(jìn)行編程，對(duì)磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，得出輸電線溫度的分布和變化情況，尋找出影響輸電線溫度變化的主要因素。

2.1 焦耳損耗的計(jì)算

本文以某500 kV輸電線路LJG400/50導(dǎo)線為例，在ANSYS分析軟件中建立仿真模型，LJG400/50導(dǎo)線的外徑為D=27.63 mm，取導(dǎo)線的縱截面建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析求解，建立的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 焦耳損耗的計(jì)算模型Fig. 3 Joule loss calculation model

圖3的計(jì)算模型是圖2中纏繞有除冰線圈段的輸電導(dǎo)線的縱截面，長(zhǎng)1 m，寬47.63 mm。圖中1為除冰線圈層，厚度為10 mm；2為鋁線層，厚度為9.753 8 mm；3為鋼線層，厚度為8.122 4 mm。

給模型賦予初始材料屬性，鋼線的相對(duì)磁導(dǎo)率為200，電阻率為ρ=1.98×10-7Ω·m；鋁線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電阻率為ρ=2.655×10-8Ω·m；線圈的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，材料屬性參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化，在計(jì)算過(guò)程中由求解程序自動(dòng)完成分析求解。剖分并加載磁力線平行邊界條件會(huì)在模型中出現(xiàn)標(biāo)示，如圖4所示。

圖4 模型的剖分和邊界條件Fig. 4 Mesh and boundary conditions of the model

在電流密度為J=5×106A/m2，高頻電流頻率f=20 kHz，感應(yīng)線圈厚度為d=10 mm時(shí)的焦耳損耗如圖5所示。

圖5 計(jì)算出的焦耳損耗Fig. 5 The calculated joule loss

計(jì)算出的焦耳損耗為30 860.109 1 W/m2。

2.2 熱傳導(dǎo)模型的建立及求解

仍取導(dǎo)線的縱截面建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析求解，設(shè)除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)為1 m，線圈間距為50 m，建立的熱傳導(dǎo)模型如圖6所示。

圖6 熱傳導(dǎo)的求解模型Fig. 6 Heat conduction solution model

圖6的熱傳導(dǎo)模型表示的是輸電導(dǎo)線的縱截面，長(zhǎng)52 m，寬27.63 mm。圖中1為外表面纏繞有除冰線圈的鋁線層，長(zhǎng)1 m，厚度為9.753 8 mm；2為鋁線層，長(zhǎng)50 m，厚度為9.753 8 mm；3為鋼線層，長(zhǎng)52 m，厚度為8.122 4 mm。

由于集膚效應(yīng)的存在，產(chǎn)生的焦耳熱主要集中在導(dǎo)線的表面附近[16]。因此，可把熱流量加載在除冰感應(yīng)線圈覆蓋的那一部分導(dǎo)線表面來(lái)進(jìn)行仿真，模型賦予初始材料屬性，鋼線的密度為7 850 kg/m3，比熱容為472 J/kg·℃，導(dǎo)熱系數(shù)為60.64 W/m·℃；鋁線的密度為2 700 kg/m3，比熱容為879 J/kg·℃，導(dǎo)熱系數(shù)為228 W/m·℃，材料屬性參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化，在計(jì)算過(guò)程中由求解程序自動(dòng)完成分析求解。劃分網(wǎng)格并把2.1節(jié)中計(jì)算出的焦耳損耗作為熱流量加載在模型中，如圖7所示。

圖7 加載熱流量后的模型Fig. 7 The model loaded with the heat flow

為了保證計(jì)算的精確度，剖分的網(wǎng)格要足夠小，加載熱流量后在圖7中出現(xiàn)紅色的標(biāo)示。

忽略風(fēng)速[17]、對(duì)流、輻射等因素的影響，設(shè)定初始溫度為-5 ℃，感應(yīng)加熱20 min后輸電線溫度場(chǎng)分布如圖8所示。

圖8 輸電線溫度場(chǎng)分布圖Fig. 8 The temperature field distribution of transmission lines

兩線圈之間輸電導(dǎo)線沿導(dǎo)線表面的溫度分布情況如圖9所示。

圖8、圖9表明：線圈處溫度最高達(dá)65.989 ℃，導(dǎo)線中間點(diǎn)處溫度最低達(dá)7.133 ℃，此溫度在0 ℃以上，能夠?qū)崿F(xiàn)防除冰的目的。

3 不同電磁參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

影響計(jì)算結(jié)果的主要電磁參數(shù)有高頻電流的頻率、高頻電流密度、感應(yīng)線圈間距、感應(yīng)線圈長(zhǎng)度、感應(yīng)線圈厚度和感應(yīng)加熱時(shí)間，通過(guò)改變各電磁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，可找出影響輸電線溫度變化的主要電磁參數(shù)，以便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高防除冰的效率。

圖9 導(dǎo)線表面的溫度分布Fig. 9 The temperature distribution on the surface of the conductor

3.1 高頻電流的頻率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

假定除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，電流密度為J=5×106A/m2，分別取高頻電流的頻率為10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz進(jìn)行計(jì)算，感應(yīng)加熱20 min后各頻率下輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖10所示。

圖10 不同頻率下輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 10 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different frequencies

從圖10可看出，頻率越高，溫度升得越高，但電源造價(jià)就會(huì)越高，20 kHz的頻率已能滿足要求。

3.2 高頻電流密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)為1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，高頻電流頻率為20 kHz，分別取電流密度為3×106A/m2、4×106A/m2、5×106A/m2、6×106A/m2進(jìn)行計(jì)算，感應(yīng)加熱20 min后不同電流密度下輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖11所示。

圖11 不同電流密度下輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 11 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different current densities

從圖11可看出，電流密度越大，感應(yīng)加熱后導(dǎo)線溫度升得越高，但對(duì)電源的要求就會(huì)越高，J=5×106A/m2的電流密度已能滿足要求。

3.3 感應(yīng)線圈間距對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)為1 m，線圈厚度為d=10 mm，電流密度為J=5×106A/m2，電流頻率為20 kHz，分別取線圈間距為40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m、70 m進(jìn)行計(jì)算，感應(yīng)加熱20 min后各不同線圈間距輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖12所示。

圖12 不同線圈間距輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 12 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different distances between two induction coils

從圖12可看出，線圈間距越遠(yuǎn)，最低溫度降得越多，間距達(dá)65 m時(shí)最低溫度已降到0 ℃以下，達(dá)不到除冰的目的，而最低溫度又不能太低，故選擇間距為50 m。

3.4 感應(yīng)線圈長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

感應(yīng)線圈間距為50 m，線圈厚度為d=10 mm，電流密度為J=5×106A/m2，電流頻率為20 kHz，分別取除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m進(jìn)行計(jì)算，感應(yīng)加熱20 min后各不同除冰線圈長(zhǎng)度輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖13所示。

從圖13可看出，線圈長(zhǎng)度小于0.6 m后，導(dǎo)線上最低溫度明顯低于0 ℃，無(wú)法除冰，而在1 m附近最低溫度明顯高于0 ℃，故選擇線圈長(zhǎng)度為1 m。

圖13 不同感應(yīng)線圈長(zhǎng)度輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 13 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different lengths of the induction coils

3.5 感應(yīng)線圈厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)1 m，高頻電流密度為J=5×106A/m2，線圈間距為50 m，電流頻率為20 kHz，分別取感應(yīng)線圈厚度為5.0 mm、7.5 mm、10.0 mm、12.5 mm、15.0 mm進(jìn)行計(jì)算，感應(yīng)加熱20 min后不同感應(yīng)線圈厚度下輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖14所示。

圖14 不同感應(yīng)線圈厚度輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 14 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different thicknesses of the induction coils

從圖14可看出，線圈厚度為10 mm時(shí)，導(dǎo)線上最低溫度為7.133 ℃，最高溫度為65.989 ℃，該溫度下除冰效果較好，故選擇線圈厚度為10 mm。

3.6 感應(yīng)加熱時(shí)間對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)為1 m，線圈厚度為d=10 mm，電流密度為J=5×106A/m2，線圈間距為50 m，電流頻率為20 kHz，分別取感應(yīng)加熱時(shí)間為10 min、20 min、25 min、30 min進(jìn)行計(jì)算，不同感應(yīng)加熱時(shí)間下輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖15所示。

圖15 不同感應(yīng)加熱時(shí)間輸電線上最高溫度與最低溫度分布Fig. 15 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different induction heating times

從圖15可看出，加熱時(shí)間大于20 min后，導(dǎo)線上最低溫度高于7 ℃，能滿足實(shí)際環(huán)境中輸電線防除冰要求。

根據(jù)我國(guó)架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定[16]，鋼芯鋁絞線的最高允許溫度采用70 ℃。因此，除冰線路上導(dǎo)線要保證最高溫度不超過(guò)70 ℃，而最低溫度則要在0 ℃以上。通過(guò)對(duì)比各不同參數(shù)下輸電線上最高溫度與最低溫度分布情況，可得出電流頻率為20 kHz，電流密度為J=5×106A/m2，除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)為1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，感應(yīng)加熱時(shí)間20 min是較合理的參數(shù)設(shè)置。

4 結(jié)論

1）建立了輸電線路的物理模型和熱傳導(dǎo)模型，對(duì)輸電線中的焦耳損耗和熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了影響輸電線溫度變化的主要參數(shù)：高頻電流的頻率、高頻電流密度、感應(yīng)線圈間距、感應(yīng)線圈長(zhǎng)度、感應(yīng)線圈厚度和感應(yīng)加熱時(shí)間。

2）通過(guò)改變線圈的參數(shù)和高頻電流的頻率進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析得出：電流頻率為20 kHz，電流密度為J=5×106A/m2，除冰感應(yīng)線圈長(zhǎng)1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，感應(yīng)加熱時(shí)間20 min是較合理的參數(shù)設(shè)置。

3）針對(duì)傳統(tǒng)的輸電線路防除冰時(shí)需要除冰線路停電的缺點(diǎn)，提出了不停電消除輸電線路覆冰的新型電磁防除冰方法，為輸電線路除冰提供了一種新的技術(shù)和理論依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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