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 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000；2. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；3. 鄭州華信學院 機電工程學院，河南 鄭州 451150）

我國是世界上輸電線路覆冰最嚴重的國家之一，我國關于輸電線路覆冰事故的記載始于1954年。2008年1月，我國南方廣大地區遭遇了有氣象記錄以來最嚴重的持續低溫雨雪、冰凍災害，對我國西南、華中、華南、華東地區的電網運行造成了重大危害。2011年1月，南方電網供電區域內貴州大部分地區、廣西桂北地區、廣東粵北地區和云南滇東北地區的輸變電設施相繼出現覆冰險情，先后導致1 414條10 kV及以上線路、70個35 kV及以上變電站停運。因此，研究輸電線路如何防除冰具有重要的實際意義。

20世紀70年代初，加拿大進行了三相交流短路融冰試驗。1998年，法國AREVA公司與加拿大合作開發了高壓直流融冰裝置，其功率為250 MW，直流電壓等級為17.4 kV，能實現對4條735 kV和1條兩回315 kV共長564 km的線路融冰[1]。自20世紀70年代以來，我國針對220 kV以下的嚴重覆冰線路，采用交流短路融冰方法進行融冰，融冰效果較好[2-4]。2008年冰災后，某省電力公司科學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，國內外研究重點主要是在輸電線路覆冰形成的理論和除冰新技術上[5-13]。

雖然國內外應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，需要較多的人力、物力，費用高，勞動強度大，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的情況下防除冰，為輸電線路防除冰提供了一項新的技術和理論依據。

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技術，將電力電子電路產生的高頻電流通入纏繞在輸電線上的螺線管線圈產生一定強度的高頻電磁場，根據法拉第電磁感應定律，該高頻電磁場在輸電線內產生渦流，渦流又產生渦流損耗并轉變成熱能，使導線受熱部分的溫度迅速升高，熱量由輸電線的高溫區域通過熱傳導傳至低溫區域，從而使整條輸電線路溫度達到0 ℃以上達到防除冰的目的。

高壓輸電線路的導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，纏繞一定厚度和長度的線圈，防除冰二維軸對稱物理模型縱剖面如圖2所示。

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

圖2中的感應線圈層包含有2個參數一樣的線圈，輸電線路覆冰時，其中一個線圈用作防除冰，另一個線圈變換過電壓和電流后作為電源引到安裝在桿塔上的變頻器，然后把經過變頻后的高頻電流通給防除冰線圈；不除冰時，2個線圈對接，使2個線圈產生的感應電動勢相互抵消，線圈中不存在電流，不消耗能量，也不對環境造成影響。這些可以通過引到變電站的控制線來實現啟動防除冰和停止防除冰的動作，同時應當避開雨雪天氣停電檢修。

2 耦合數值計算

本文采用有限元ANSYS分析軟件對輸電線中的電磁-熱現象進行數值計算，計算出高頻電磁場在輸電線中所產生的焦耳損耗，然后再對輸電線中的熱傳導過程進行數值計算。利用ANSYS參數化語言APDL進行編程，對磁場和溫度場進行耦合分析，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 焦耳損耗的計算

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

圖3 焦耳損耗的計算模型Fig. 3 Joule loss calculation model

圖3的計算模型是圖2中纏繞有除冰線圈段的輸電導線的縱截面，長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，鋼線的相對磁導率為200，電阻率為ρ=1.98×10-7Ω·m；鋁線的相對磁導率為1，電阻率為ρ=2.655×10-8Ω·m；線圈的相對磁導率為1，材料屬性參數會隨著溫度的變化而變化，在計算過程中由求解程序自動完成分析求解。剖分并加載磁力線平行邊界條件會在模型中出現標示，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，感應線圈厚度為d=10 mm時的焦耳損耗如圖5所示。

圖5 計算出的焦耳損耗Fig. 5 The calculated joule loss

計算出的焦耳損耗為30 860.109 1 W/m2。

2.2 熱傳導模型的建立及求解

仍取導線的縱截面建立有限元計算模型進行分析求解，設除冰感應線圈長為1 m，線圈間距為50 m，建立的熱傳導模型如圖6所示。

圖6 熱傳導的求解模型Fig. 6 Heat conduction solution model

圖6的熱傳導模型表示的是輸電導線的縱截面，長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1 m，厚度為9.753 8 mm；2為鋁線層，長50 m，厚度為9.753 8 mm；3為鋼線層，長52 m，厚度為8.122 4 mm。

由于集膚效應的存在，產生的焦耳熱主要集中在導線的表面附近[16]。因此，可把熱流量加載在除冰感應線圈覆蓋的那一部分導線表面來進行仿真，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·℃，導熱系數為60.64 W/m·℃；鋁線的密度為2 700 kg/m3，比熱容為879 J/kg·℃，導熱系數為228 W/m·℃，材料屬性參數會隨著溫度的變化而變化，在計算過程中由求解程序自動完成分析求解。劃分網格并把2.1節中計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

為了保證計算的精確度，剖分的網格要足夠小，加載熱流量后在圖7中出現紅色的標示。

忽略風速[17]、對流、輻射等因素的影響，設定初始溫度為-5 ℃，感應加熱20 min后輸電線溫度場分布如圖8所示。

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

兩線圈之間輸電導線沿導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65.989 ℃，導線中間點處溫度最低達7.133 ℃，此溫度在0 ℃以上，能夠實現防除冰的目的。

3 不同電磁參數對計算結果的影響

影響計算結果的主要電磁參數有高頻電流的頻率、高頻電流密度、感應線圈間距、感應線圈長度、感應線圈厚度和感應加熱時間，通過改變各電磁參數進行計算，將計算結果進行對比、分析，可找出影響輸電線溫度變化的主要電磁參數，以便進行優化設計以提高防除冰的效率。

圖9 導線表面的溫度分布Fig. 9 The temperature distribution on the surface of the conductor

3.1 高頻電流的頻率對計算結果的影響

假定除冰感應線圈長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進行計算，感應加熱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，但電源造價就會越高，20 kHz的頻率已能滿足要求。

3.2 高頻電流密度對計算結果的影響

除冰感應線圈長為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進行計算，感應加熱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，感應加熱后導線溫度升得越高，但對電源的要求就會越高，J=5×106A/m2的電流密度已能滿足要求。

3.3 感應線圈間距對計算結果的影響

除冰感應線圈長為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進行計算，感應加熱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，最低溫度降得越多，間距達65 m時最低溫度已降到0 ℃以下，達不到除冰的目的，而最低溫度又不能太低，故選擇間距為50 m。

3.4 感應線圈長度對計算結果的影響

感應線圈間距為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，分別取除冰感應線圈長度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m進行計算，感應加熱20 min后各不同除冰線圈長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，線圈長度小于0.6 m后，導線上最低溫度明顯低于0 ℃，無法除冰，而在1 m附近最低溫度明顯高于0 ℃，故選擇線圈長度為1 m。

圖13 不同感應線圈長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 感應線圈厚度對計算結果的影響

除冰感應線圈長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，分別取感應線圈厚度為5.0 mm、7.5 mm、10.0 mm、12.5 mm、15.0 mm進行計算，感應加熱20 min后不同感應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，導線上最低溫度為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 感應加熱時間對計算結果的影響

除冰感應線圈長為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，分別取感應加熱時間為10 min、20 min、25 min、30 min進行計算，不同感應加熱時間下輸電線上最高溫度與最低溫度分布如圖15所示。

圖15 不同感應加熱時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，加熱時間大于20 min后，導線上最低溫度高于7 ℃，能滿足實際環境中輸電線防除冰要求。

根據我國架空輸電線路設計規范的規定[16]，鋼芯鋁絞線的最高允許溫度采用70 ℃。因此，除冰線路上導線要保證最高溫度不超過70 ℃，而最低溫度則要在0 ℃以上。通過對比各不同參數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，除冰感應線圈長為1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，感應加熱時間20 min是較合理的參數設置。

4 結論

1）建立了輸電線路的物理模型和熱傳導模型，對輸電線中的焦耳損耗和熱傳導過程進行了數值計算，得出了影響輸電線溫度變化的主要參數：高頻電流的頻率、高頻電流密度、感應線圈間距、感應線圈長度、感應線圈厚度和感應加熱時間。

2）通過改變線圈的參數和高頻電流的頻率進行計算，將計算結果進行對比、分析得出：電流頻率為20 kHz，電流密度為J=5×106A/m2，除冰感應線圈長1 m，線圈厚度為d=10 mm，線圈間距為50 m，感應加熱時間20 min是較合理的參數設置。

3）針對傳統的輸電線路防除冰時需要除冰線路停電的缺點，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和理論依據，具有一定的工程應用價值。

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