CN102195261A - 18kV、40kHz 高频融冰装置及其融冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种18kV、40kHz高频融冰装置及其融冰方法，其包括激励源和陷波器，激励源和两个并联的陷波器并联后分别接地。本发明能减少线路的传输电流，提高发热功率；在不断电的情况下达到短时间内融冰的效果；18kV、40kHz高频融冰技术对于激励电源的频率及电压等级较之国外提出的33kV、100kHz高频融冰技术大为降低，大大减少高频对通信的影响，同时更有利于装置的实现。

Description

18kV、40kHz 高频融冰装置及其融冰方法

技术领域

本发明属于输电线路高频融冰方法，具体是一种18kV、40kHz高频融冰装置及其融冰方法。

背景技术

输电线路覆冰不仅严重影响电网稳定运行，而且对整个国民经济发展都有影响。世界上很多国家都对覆冰输电线路融冰技术进行了广泛而深入的研究，有很多方法已经被应用到了实际融冰过程中并取得了一定的效果。

根据融冰机理的不同，可以将常见的30余种融冰方法分为热力融冰、机械除冰及自然脱冰三类。

(1)热力融冰法：

表1

在表1所列四种方法中，有两种是焦尔效应加热导线使之融冰，如使用短路电流融冰，用较低电压提供较大短路电流加热导线的方法使导线的冰融化，取得了不错的效果，如湖南电网就曾使用短路电流融冰。俄罗斯专家研究的是用于加热融冰与无功静补的双用途可控硅整流装置；加拿大魁北克省研究的一种基于HVDC(高电压直流)技术用于输电线路除冰的可控硅整流装置，其融冰思想与俄罗斯的相近，都是用电力电子整流技术及其无功补偿功能扩展，既保证了融冰的主要任务，也充分利用了资源，具有很好的经济性与实用性；宝鸡电力局使用的是带负荷融冰。；靠电阻性伴线或铁磁线中有交流电产生的边际电流进行的间接加热，目前应用较多的是低居里铁磁材料，这种材料在温度＜0℃时，磁滞损耗大，发热可阻止积覆冰雪或融冰；当温度＞0℃时，不需要融冰，损耗很小。

(2)机械除冰法：

利用各种机械动力使冰产生应力破坏而从导线上脱落的除冰方法即为机械除冰方法。表2中所列为研究较多的三种方法。滑轮铲刮法已在加拿大的Manitoba使用了50多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力才能使冰破裂脱落。但拉扯时很容易损伤导线、避雷线和绝缘子。滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，简便易操作，较为实用，但它也有缺点，那就是费时，安全性能不完善，且受地形限制。据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需1～2小时。通过外部振动器使冻结导线和拉线振动的方法由于要求外振动源并且因振动会加速线缆疲劳，且除冰效果不佳，因而很少在实际工程中采用。“ad hoc”法由线路操作人员在现场处理，包括敲打、撞击等，方法千变万化，当线路停电，可以触及到冰时，可采用手工除冰。在线路带电时，应用与线路电压等级相符的绝缘棒敲打。这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用，如果要用，就得为这种方法制定标准的操作规则。机械除冰方法中只有滑轮辗压铲刮法取得了实际应用。

表2

(3)自然脱冰法：

自然脱冰方法是不需要外界供给能量而靠自然力除冰防冰的方法。在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置可使导线上的覆冰堆积到一定程度时，依靠风力、地球引力、辐射以及温度突变等作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同期脱冰产生的导线跳跃的线路事故，不能保证可靠除冰，具有一定的偶然性；刷涂吸热涂料利用太阳能除冰只在有足够辐射时才有效，但它难于应用到高压线上，因为在夏天它会增加导线的温度，但也许可以用于地线上。它虽然不能减少导线的覆冰量，也不能阻止导线覆冰，但是，它可以消除或减少导线覆冰后倒杆垮塔的事故，从这个意义上讲，它有助于确保冰灾事故后能使线路尽快恢复送电；在导线表面涂憎水性材料以达到防冰目的已引起广泛兴趣，憎水性涂料虽有好的憎水性能，但对覆冰的影响并不明显，然而它可以显著降低冰与导线表面之间的粘附力。

表3

(4)新涌现的除冰方法：

除了上述的常见的除冰方法外，随着研究的深入，近年来涌现出了很多新的融冰方法。例如：碰撞前颗粒冻结，电子冻结以及高频激励法等等。这些有的方法仍处于理论研究阶段，有的已经通过实验证实可以有效除冰但尚未付诸实践。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种18kV、40kHz高频融冰装置及融冰方法，减少线路的传输电流，提高发热功率；在不断电的情况下达到短时间内融冰的效果；减少高频对通信的影响，有利于装置的实现。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种18kV、40kHz高频融冰装置包括激励源和陷波器，激励源和两个并联的陷波器并联后分别接地。

18kV、40kHz高频融冰装置的融冰方法为：

1)低压试验，接入控制电源，对装置的冷却系统进行测试，在无异常的情况下，再进行低压触发试验，依次验证每个晶闸管都能够触发导通；

2)空载投切与调压试验，主要目的是验证融冰电源在额定电压、无电流情况下的耐压能力及装置在空载模式下的控制系统功能特性；

3)带线路融冰试验，第1阶段升压至额定值的50％左右，运行一段时间后再将输出电压降至0后退出，用以检验系统的调节及正常投退功能，若一切正常，则进入第2阶段升压至额定值进行试验，重点测试线路温升及装置融冰能力。

以下对本发明的技术方案做进一步说明。

高压激励融冰主要机理：高频时的冰是一种有损耗电介质，能直接引起发热，且集肤效应导致电流只在导体表面很浅范围内流通，造成电阻损耗发热。利用冰本身的介质发热结合导体表面电流集肤效应产生的电阻损耗发热可以达到输电线路融冰效果。

理论模型：将冰作为有损电介质时，覆冰输电线路的等值电路如附图一所示。运用有损均匀传输线理论，不难确定覆冰输电线路上的电压和电流振幅分布，进而可通过以下两个式子分别线路上单位长度的平均欧姆热功率和平均介质损耗热功率：

$P_{\mathrm{ohm}}=\frac{1}{2}{I}^2\left(z\right)R$

$P_{\mathrm{die}}=\frac{V^2\left(z\right)}{2}\frac{w^2{C}^2{G}_i}{w^2{(C+\mathrm{Ci})}^2+{\mathrm{Gi}}^2}$

计算与仿真：

激励源参数的确定：通过查阅相关文献，可确定气象条件为温度-5℃，风速8m/s，相对湿度90％，导线直径20mm，设计冰厚20mm。仿真计算时，取覆冰介质损耗角正切值0.1，冰层相对介电常数ε_r＝3，导线电导率3×10⁷S/m，待融冰的线路长度50km。经过大量计算，得到确定最佳融冰频率的步骤如下：首先，粗调频率，使两种热功率近似相等；然后，细调频率，使线路长度等于线路上电压波的半波长的整数倍，即相当于使融冰电源在电压波节点处接入线路。这样，在融冰热功率一定的前提下，可将电源工作电压降到最低。

附图3、4中给出了覆冰介质损耗角正切tanδ＝0.1时，不同激励频率下线路上欧姆热、介质热及合成热功率的分布。从图4可以看出，尽管欧姆热和介质热都呈准正弦式的不均匀分布，但总热功率的分布十分均匀。综上所述，可以将在ANSYS仿真计算过程中将高频高压激励源的参数设置为：频率40kHz，电压等级18kV。

仿真计算：对覆冰输电线路高频高压激励融冰法的ANSYS仿真计算过程可分两个步骤：电磁分析与热分析。基本思路是先用电磁分析计算出施以高频高压激励后导线集肤效应的感应发热与覆冰的介质发热两者的值，然后将能量损耗与分布结果导入热分析中得出高频融冰效果图。

根据实际融冰过程，选定的初始温度为-5℃，施加激励时间为80分钟。求解完毕后可以在后处理模块中以图形的形式查看各节点的温度值，其温度分布如附图5所示。

表4

本发明能减少线路的传输电流，提高发热功率；在不断电的情况下达到短时间内融冰的效果；18kV、40kHz高频融冰技术对于激励电源的频率及电压等级较之国外提出的33kV、100kHz高频融冰技术大为降低，大大减少高频对通信的影响，同时更有利于装置的实现。

附图说明

图1为激励融冰技术实施原理图；

图2为输电线路覆冰高频高压激励下原理图；

图3为tanδ＝0.1，f＝12kHz时20mm覆冰仿真计算发热曲线图；

图4为tanδ＝0.1，f＝40kHz时20mm覆冰仿真计算发热曲线图；

图5为施以18Kv、40kHz高频激励80分钟后，覆冰输电线路温度场分布图。

其中：

C1：线路对地电容；Cice：覆冰等效电容；Rice：覆冰等效电阻。

具体实施方式

18kV、40kHz高频融冰装置由激励源与陷波器组成，既可固定安装在特定线路使用也可移动使用。通过在线路中央加设高频激励源，线路两边装设陷波器，将线路的高频信号限制在需要融冰的线路范围内，防止对其它输电线路、电气设备造成危害。1套融冰系统中需要2个陷波器实现高频阻抗匹配。

以郴州市电网两江口站-土桥站线路为例，输电线为线路LGJ-240/100，线路总长度103KM。单位工频电阻R₀＝0.133W/km，单位工频电抗X₀＝0.396W/km。

通过施加18kV、40kHz激励，线路上可获得约50W/m的热功率，80分钟内能融化厚约10mm的覆冰。证明了该方法是高效可行的。

由附图5可知，施以高频高压激励一小时后，覆冰整体温度升高，覆冰区域的最低温度超过0℃，达到0.3479℃。从覆冰最外层到导线最内层温度逐渐升高，依次为0.3479℃、0.6748℃……、2.963℃、3.29℃，这代表施以高频激励80分钟后，覆冰已完全融化。在后处理中，可以查看空间各部分储能以及能量损耗情况，具体见表5：

表5

由表5可知，施以高频激励后，电磁场的部分能量分别储存在导线与覆冰中并转换为热能用于融冰，而其中的绝大部分是储存在覆冰中，并且高达269.3kJ/m的能量损耗于融化覆冰，这样的能量分布体现了高频激励融冰法的一个最重要的特点，即覆冰在高频强电场的反复极化下变成有损电介质，自身发热，所以效率较一般的融冰法更高。

融冰设备方面，目前没有成熟的高频电源产品能够满足实际运行线路开展高频高压激励融冰工作需要，必须开发适用的覆盖多个频带的大功率专用电源，而且仍有许多应用基础技术需进一步研究探讨。

Claims (3)

1.一种18kV、40kHz高频融冰装置，包括激励源和陷波器，其特征在于，激励源和两个并联的陷波器并联后分别接地。

2.根据权利要求1所述的18kV、40kHz高频融冰装置，其特征在于，所述激励源为18KV，40KHz激励源。

3.根据权利要求1所述的18kV、40kHz高频融冰装置的融冰方法，其特征在于，该方法为：

1)低压试验，接入控制电源，对装置的冷却系统进行测试，在无异常的情况下，再进行低压触发试验，依次检测每个晶闸管是否能够触发导通；

2)空载投切与调压试验，验证融冰电源在额定电压、无电流情况下的耐压能力及装置在空载模式下的控制系统功能特性；

3)带线路融冰试验，第1阶段升压至额定值的50％左右，运行一段时间后，将输出电压降至0后退出，检验系统的调节及正常投退功能，若一切正常，则进入第2阶段升压至额定值进行试验，测试线路温升及装置融冰能力。

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