Smart Grid 智能电网, 2011, 1, 32-37 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2011.11007 Published Online June 2011 (http://www.hanspub.org/journal/sg/) Copyright © 2011 Hanspub SG High Frequency High Current Uninterrupted Power Serving De-icing Method Shuchang Hu, Shuwen Wang*, W e nchuan Ma College of engineering, Northeast Agricultural University, Harbin Email: wswtr@163.com Received: May 17th, 2011; revised: May 25th, 2011; accepted: Jun. 1st, 2011. Abstract: The de-icing method is given that the high frequency large current flow past transmission lines and extra filtering device forming the circuit. The method ensures to remove ice, at the same time not to affect the continuous supply of power, not to change the power distribution network and not to inject harmonics to the grid. High frequency large current has obvious skin effect and wiring heating power high. The results of si- mulation and calculation show that it has obvious effect and easily operates. Keywords: High Frequency High Current; Skin Effect; Harmonic Filter; De-icing 高频大电流不断电除冰方法 胡书昌,王树文*,马文川 东北农业大学工程学院,哈尔滨 Email: wswtr@163.com 收稿日期:2011年5月17 日;修回日期:2011 年5月25 日;录用日期:2011 年6月1日 摘 要:为了在除冰的同时,达到不影响电网连续供电、不改变电网潮流分布、不向电网注入谐波的目 标,提出采用高频大电流通过输电线路与外加滤波装置构成回路的方式除冰的方法。高频大电流的集肤 效应明显,导线发热功率高。计算及仿真结果表明,提出的除冰方法效果明显,操作方便。 关键词:高频大电流;集肤效应;滤波装置;除冰 1. 引言 架空线路覆冰是电网安全运行的一大威胁,严重 时会引起绝缘子脱落,导线断线甚至导致杆塔完全倒 塌[1]。2008 年初我国南方发生了严重的雨雪冰冻灾 害,造成重大的经济损失和大面积断电事故。为避免 此类事故重演,国内开始重视输配电线路除冰技术的 研究。在各种除冰方式中,热力融冰技术效果明显, 容易实现,成为研究的热点方向。目前主要有以下三 种: (1) 短路大电流融冰[2-5]:优点是效果明显,操作 简单。但是需要在原有电网中增加设备,短路侧加 装开关以实现短路。并且能耗大,需要断电操作,影 响用户正常用电。(2) 过负荷法[6]:优点是不需要外加 设备,成本低,不中断供电,提高了电网供电的可靠 性。但是需要多次倒闸,操作复杂,容易引起误操作, 改变了电网的潮流分布。并且只适用于部分电网,无 法全面推广。(3) 高频高压除冰:文献[7] 提出基于集 肤效应和冰在高频下变为有损电解质的特性进行除冰 的方法,找到了在驻波情况下使两种热效应叠加效果 达到最佳的频率 100 kHz。优点是能耗小,除冰效果 明显。但是高频大容量设备造价高,且开关频率过大 使得开关损耗增大。同时高频电信号会对周围产生较 严重的电磁干扰,严重时可能影响通信。文献[8]提出 了基于高频电流集肤效应的除冰方法。结合串联谐振 *:通讯作者。 胡书昌等 高频大电流不断电除冰方法33 | 原理,使得传输功率全部转化为输电线路热损耗,确 定了最佳除冰电流频率1250 Hz。优点是设备造价低, 但是拓扑复杂,且需要短路操作,影响正常供电。 综合以上研究成果,本文提出一种基于高频大电 流集肤效应并配合滤波装置的除冰方法。实现了不影 响电网正常供电,不改变电网潮流分布,不向电网注 入谐波的目标。 2. 集肤效应及滤波装置基本原理 2.1. 集肤效应原理 工程电磁场理论[9]指出,当交变电流流过导体时, 靠近导体表面的电流密度大,越深入导体内部,电流 密度越小,且电流振幅按照指数规律衰减。当频率很 高时,电流几乎只在导体表面附近,使得有效导电面 积减小,电阻率增大。文献同时指出,导线电阻 R正 比于频率的平方根 f 。文献[10]指出集肤效应会导 致电阻上升和内感下降。进一步指出,在高频时, ,且都与角频率的平方根 X RR 内 成正比。因此 考虑集肤效应后,输电线路的阻抗可表示为: h Z hR jX (1) 其中表示所加的频率与工频50 Hz 的比值, 表示工频下的线路阻抗值。 h RjX 2.2. 滤波装置原理 2.2.1. 并联谐振滤波器 如图 1所示二端口的等效输入导纳: 22 1 j j RL YjCjC j RjL ZZ j 并联谐振时有: 20 j L CZ 求解可得到以下表达式: 2 11CL L LC (2) 通过选择合适的、、参数,可使图 1所示 电路对于工频电流相当于开路。对于高频电流,电感 电阻支路阻抗很大,电容支路阻抗很小,相当于短路, 总的并联阻抗接近于零。 L R C 2.2.2. 阻尼滤波器 如图 2所示,具体公式参考文献[9],这里给出定 性分析。对于较低频率的电流,由于电容 C及L、R 并联的作用电流被阻断;对于高频电流,通过电容 C 和电阻 R对大地构成回路,起到了阻断低频,导通高 频的作用。选择合适的 L、R、C参数,可以使图示 电路对于50 Hz 的工频电流呈现高阻抗,相当于断路。 对于施加的高频电流,呈现低阻抗,相当于开路。 并联滤波器作为主要的滤波装置,阻尼滤波器可 用于电压等级较低的线路。具体分析见下文。 2.3. 高频大电流电源装置原理 采用现代电力电子技术,实现把电网 50 Hz正弦 电流整流成直流稳定的大电流,然后逆变成高频大电 流作为电源装置。 2.3.1. 整流装置 在电解电镀等工业中,已经成熟运用了一种低压 Figure 1. Parallel resonance filter 图1. 并联谐振滤波器 Figure 2. Damp ing filter 图2. 阻尼滤波器 Copyright © 2011 Hanspub SG 胡书昌等 高频大电流不断电除冰方法 34 | 大电流(几十安、几 ——带平衡 2.3.2. 逆变装置 相桥式逆变电路,每个桥臂一周期 内导电 流装置和逆变装置组合在一起, 整流装置为 逆变 小。通过调节逆变装置,可以平滑调节输出电流的频 高频大电流除冰装置应用 3.1. 高电压等级线路的应用 高频大电流电源对于电网相当于第二个电源,应 用叠加定 千安)的可调直流电源 电抗器的双反星形整流电路[11]。整流变压器的二次侧 每相有两个匝数相同的绕组接成两组三相半波电路。 变压器二次侧两绕组的极性相反,可消除铁芯的直流 磁化。设置一个电感平衡电抗器,以保证两组三相半 波整流电路能同时导电,每组承担一半负载。与普通 三相桥式整流电路相比,同等电压下,双反星形电路 的整流电压平均值为三相桥式电路的一半,而电流平 均值是三相桥式电路的两倍。整流电压与整流电流的 波形相同。通过整流装置获得了稳定直流大电流电 源。 采用电流型三 120°,六个全控开关每隔 60°依次导通。这 样每个时刻上桥臂组的三个臂和下桥臂组的三个臂都 各有一个臂导通。环流时,在上桥臂组或下桥臂组内 依次环流。这种电路具有以下特点:直流侧串联有大 电感,相当于电流源,直流侧无脉动,直流回路呈高 阻抗。 将整 装置提供直流大电流电源,逆变装置作为整流装 置的负载。 通过调节整流装置,可以平滑调节输出电流的大 率。为除冰过程的智能控制奠定了硬件上的基础。 3. 理[12]进行分析。当高频电源单独工作时,经 过前面的分析,并联谐振滤波器对于高频电流相当于 短路。由电路理论[13]可知,三相对称电流流过三相对 称负载时有 0 。可以理解为两侧并联谐 振滤波器通过输电线路与三相高频电源构成回路,如 图3所示。同时可以看出,在右侧滤波器外侧的负载 AAA UUU Z 中,由于被滤波装置短路,所以不会有高频电流流 。 当 过 电网的工频电源单独工作时,滤波器对工频电 流相当于开路。工频电流的流通路径为:输电导线 RjX 和负载 Z 。 用叠加定理可运 以看出,除冰装置在除冰的同时, 对电 免会 3.2.1. 变压器滤波 电流通过特殊变压器[9]间接向输 电线 3.2.2. 阻尼滤波器滤波 输电线路,用阻尼滤波器代 替并 电路 网的正常供电不产生影响,且由于集肤效应,输 电线路电阻R增大,在高频恒定大电流作用下产生热 效应明显。反过来看,产生相同的热量所需的电流小。 这样不仅节约了能源,又降低了高频大电流电源装置 的容量,有效降低了造价。 3.2. 谐波的影响 一般来讲,高频大电流电源产生的高频电流中难 有一定的谐波。经过傅里叶级数分解可以得到正 序、负序和零序的谐波。正序、负序电流都可以通过 图3所示的电路构成回路。而零序电流由于相位相同, 不能流过滤波器,会对电网和负载产生一定的谐波干 扰。在对电能质量要求较高的地方,应该进行滤波。 可以通过变压器或阻尼滤波器滤波。 将产生的高频大 路供电。将变压器一次侧采用三角形连接,可以 有效隔断零序 3倍频谐波电流通过,保护了变压器两 边的设备。 在电压等级不太高的 联谐振滤波器。由前面分析可知,零序电流与正 序、负序电流一样,都为高频电流,可经过阻尼滤波 器直接流入大地。在参数选择合理情况下不存在零序 电流流入电网和负载,也就不会产生谐波污染。 3.3. 除冰设备的基本模式 基于以上电路,可以设计成两种基本模式的除冰 。一种为固定型,一种为机动型。 Figure 3. Fundamental figure 图3. 原理图 Copyright © 2011 Hanspub SG 胡书昌等 | 高频大电流不断电除冰方法 Copyright © 2011 Hanspub SG 35 固定型装置适用于冰灾多发地区的长距离输电线 路。 动型设备适用于突发性冰灾。所谓机动型就是 基于 相同电流下单位时间内发出的焦 耳热 果 .0 对整个电路进行仿真,由于 Simulink 在输电线路中间设立一个融冰站,用于安放高频 大电流电源装置。线路两端分别配备一组滤波装置。 这种类型的电源容量大,可有效融化大面积的线路覆 冰。 机 同样原理的容量相对较小的高频大电流装置,和 两组滤波装置。设计成便于安装、便于拆卸、便于运 输的形式。当某一地区突发小范围覆冰时,可灵活调 派,迅速除冰。 4. 实际计算 Figure 4. The relation of frequency and calory 图4. 频率与发热量的关系 工具箱中没有随频率变化的电抗原件,所以在仿真过 程中对电网电源和高频电源分别仿真。仿真模型如图 5所示: 4.1. 频率的确定 根据欧姆定律, 设置仿真参数,输电线路为LJG - 240/100,线路 总长 100 km,单位工频电抗 为0.665 + j9.9 Ω/km。根据公式(1)可以算出 5 kHz下线路长度的一 半对应的电阻和电感:R = 66.5Ω,L = 6.3 mH。电网 电源参数:线电压 33 kV,频率 50 Hz,Yg 型连接。 滤 波器参数:无功功率 50 kvar,转折频率5 kHz,品质 因数 Q = 3。 RjX 与电阻成正比。由于集肤效应,电阻与频率的平 方根成正比,由此得到图 4。如图所示,在电流一定 的情况下,频率越高热量越大。但同时,设备造价越 高,损耗越大。所以在明显存在集肤效应的前提下, 应该尽可能的减小频率。可以看出频率在 3~7 kHz 时,曲线斜率明显下降,发热量的增量随着频率的增 加逐渐减小。所以综合考虑,建议取 5~7 kHz,这里 取5 kHz。 4.2. 仿真结 4.2.1. 高频电源单独供电 统计仿真结果如表 1和图 6所示。 4.2.2 电网正常工作 使用 Matlab7 统计仿真结果如表 2和图 7所示。 Figure 5. Simulated m odel 图5. 仿真模型 胡书昌等 高频大电流不断电除冰方法 36 | Table 1. High frequency source simply 表1. 高频电源单独作用 /A 电流的位 最大值置 电流 左侧滤波器电流 163.5 右侧滤波器电流 160 负载电流 4 Figure 6. High frequency source s imply 图6. 高频电源单独作用 电流的 最大值/A Table 2. Grid source simpl y 表2. 电网电源单独作用 位置 电流 电源发出的电流 15.13 左侧滤波器电流 1.86 右侧滤波器电流 1.84 Figure 7. Grid source simply 图7. 电网电源单独作用 Table 3. Melting ice current 表3. 除冰电流 混合淞 雨淞 导线型号 Hz 5 kHz 50 Hz 5 kHz 50 LGJ-70/10 1162.3 51.3 LGJ-0 214.167.7 221.0.0 37.6 43.5 120/2 4 7 LGJ-240/30380.2 120.2 407.5 128.9 LGJ-400/50 486.8 153.9 532.8 168.5 LGJ-500/65 522.5 165.2 596 188.5 从以上结果可以看出:高频电流主要从滤波器中 构成回路,工频电流主要流经负载。仿真结果基本证 4.3. 钢芯铝 绞线典型覆冰条件下的融冰电流。根据(1)式,可以算 电流,与50 Hz时进行比较,作出 表3。 的理想频 率,输电线路的集肤效应明显,除冰效果好。 滤波器作为高频电流的通路,起到了通高 频,阻工 线路的 潮流分布 [M]. 北京: 中国 电力 [2] 谢彬, 洪文国, 熊志荣等. 500 KV复兴变电站固定式直流融 [J]. 电网技术, 2009, 33(18): 等. 220 KV线路带负 207- 9. 明了高频不断电除冰方法的可行性。 实例计算 取文献[14]中的数据作为参考,算出常用 出5 kHz时的融冰 从表 3中可以明显看出,高频与工频相比,融冰 电流大为减小,降低了高频电源的造价。 5. 总结 (1) 采用高频大电流融冰,确定了 5 kHz (2) 将 频的作用。 (3) 实现了除冰过程中不断电,不改变输电 ,谐波注入量小的目标。 参考文献 (References) [1] 蒋兴良, 易慧. 输电线路覆冰及其防护 出版社, 2002: 2-9. 冰兼 SVC 试点工程的设计 180-185. [3] 贵阳供电局. 关于架空线路大电流融冰的研究[J]. 贵州电力 技术, 2008, 增刊Ⅰ: 214-216. [4] 黄新波, 刘家兵, 蔡伟等. 电力架空线路覆冰雪的国内外研 究[J]. 电网技术, 2008, 32(4): 23-28. [5] 邓健, 肖顺良, 姚璞等. 220 kV线路融冰方案的改进[J]. 电网 技术, 2008, 32(4): 29-30. 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