输电线路新型电磁防除冰

王新掌，李红磊，高建良，王君莉，郝少帅

（1. 河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000；2. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；3. 郑州华信学院 机电工程学院，河南 郑州 451150）

我国是世界上输电线路覆冰最严重的国家之一，我国关于输电线路覆冰事故的记载始于1954年。2008年1月，我国南方广大地区遭遇了有气象记录以来最严重的持续低温雨雪、冰冻灾害，对我国西南、华中、华南、华东地区的电网运行造成了重大危害。2011年1月，南方电网供电区域内贵州大部分地区、广西桂北地区、广东粤北地区和云南滇东北地区的输变电设施相继出现覆冰险情，先后导致1 414条10 kV及以上线路、70个35 kV及以上变电站停运。因此，研究输电线路如何防除冰具有重要的实际意义。

20世纪70年代初，加拿大进行了三相交流短路融冰试验。1998年，法国AREVA公司与加拿大合作开发了高压直流融冰装置，其功率为250 MW，直流电压等级为17.4 kV，能实现对4条735 kV和1条两回315 kV共长564 km的线路融冰[1]。自20世纪70年代以来，我国针对220 kV以下的严重覆冰线路，采用交流短路融冰方法进行融冰，融冰效果较好[2-4]。2008年冰灾后，某省电力公司科学研究院研制出的新型直流融冰装置在线路融冰中取得良好效果。近几年，国内外研究重点主要是在输电线路覆冰形成的理论和除冰新技术上[5-13]。

虽然国内外应用于输电线路的除冰方法有很多，但这些方法都有一定的局限性，如输电线需要停运，需要较多的人力、物力，费用高，劳动强度大，能耗多等。本文所研究的新型防除冰方法能够保证在线路不停运的情况下防除冰，为输电线路防除冰提供了一项新的技术和理论依据。

1 新型电磁除冰原理及物理模型

本文的研究是基于高频电磁感应技术，将电力电子电路产生的高频电流通入缠绕在输电线上的螺线管线圈产生一定强度的高频电磁场，根据法拉第电磁感应定律，该高频电磁场在输电线内产生涡流，涡流又产生涡流损耗并转变成热能，使导线受热部分的温度迅速升高，热量由输电线的高温区域通过热传导传至低温区域，从而使整条输电线路温度达到0 ℃以上达到防除冰的目的。

高压输电线路的导线通常采用钢芯铝绞线，覆冰输电线的横剖面如图1所示。

图1 覆冰输电线的横剖面Fig. 1 The cross section of an icing transmission line

在需要防除冰的线路上每隔一段距离，缠绕一定厚度和长度的线圈，防除冰二维轴对称物理模型纵剖面如图2所示。

图2 电磁技术除冰的物理模型纵剖面Fig. 2 Longitudinal profile of the physical model for electromagnetic deicing technology

图2中的感应线圈层包含有2个参数一样的线圈，输电线路覆冰时，其中一个线圈用作防除冰，另一个线圈变换过电压和电流后作为电源引到安装在杆塔上的变频器，然后把经过变频后的高频电流通给防除冰线圈；不除冰时，2个线圈对接，使2个线圈产生的感应电动势相互抵消，线圈中不存在电流，不消耗能量，也不对环境造成影响。这些可以通过引到变电站的控制线来实现启动防除冰和停止防除冰的动作，同时应当避开雨雪天气停电检修。

2 耦合数值计算

本文采用有限元ANSYS分析软件对输电线中的电磁-热现象进行数值计算，计算出高频电磁场在输电线中所产生的焦耳损耗，然后再对输电线中的热传导过程进行数值计算。利用ANSYS参数化语言APDL进行编程，对磁场和温度场进行耦合分析，得出输电线温度的分布和变化情况，寻找出影响输电线温度变化的主要因素。

2.1 焦耳损耗的计算

本文以某500 kV输电线路LJG400/50导线为例，在ANSYS分析软件中建立仿真模型，LJG400/50导线的外径为D=27.63 mm，取导线的纵截面建立有限元计算模型进行分析求解，建立的计算模型如图3所示。

图3 焦耳损耗的计算模型Fig. 3 Joule loss calculation model

图3的计算模型是图2中缠绕有除冰线圈段的输电导线的纵截面，长1 m，宽47.63 mm。图中1为除冰线圈层，厚度为10 mm；2为铝线层，厚度为9.753 8 mm；3为钢线层，厚度为8.122 4 mm。

给模型赋予初始材料属性，钢线的相对磁导率为200，电阻率为ρ=1.98×10-7Ω·m；铝线的相对磁导率为1，电阻率为ρ=2.655×10-8Ω·m；线圈的相对磁导率为1，材料属性参数会随着温度的变化而变化，在计算过程中由求解程序自动完成分析求解。剖分并加载磁力线平行边界条件会在模型中出现标示，如图4所示。

图4 模型的剖分和边界条件Fig. 4 Mesh and boundary conditions of the model

在电流密度为J=5×106A/m2，高频电流频率f=20 kHz，感应线圈厚度为d=10 mm时的焦耳损耗如图5所示。

图5 计算出的焦耳损耗Fig. 5 The calculated joule loss

计算出的焦耳损耗为30 860.109 1 W/m2。

2.2 热传导模型的建立及求解

仍取导线的纵截面建立有限元计算模型进行分析求解，设除冰感应线圈长为1 m，线圈间距为50 m，建立的热传导模型如图6所示。

图6 热传导的求解模型Fig. 6 Heat conduction solution model

图6的热传导模型表示的是输电导线的纵截面，长52 m，宽27.63 mm。图中1为外表面缠绕有除冰线圈的铝线层，长1 m，厚度为9.753 8 mm；2为铝线层，长50 m，厚度为9.753 8 mm；3为钢线层，长52 m，厚度为8.122 4 mm。

由于集肤效应的存在，产生的焦耳热主要集中在导线的表面附近[16]。因此，可把热流量加载在除冰感应线圈覆盖的那一部分导线表面来进行仿真，模型赋予初始材料属性，钢线的密度为7 850 kg/m3，比热容为472 J/kg·℃，导热系数为60.64 W/m·℃；铝线的密度为2 700 kg/m3，比热容为879 J/kg·℃，导热系数为228 W/m·℃，材料属性参数会随着温度的变化而变化，在计算过程中由求解程序自动完成分析求解。划分网格并把2.1节中计算出的焦耳损耗作为热流量加载在模型中，如图7所示。

图7 加载热流量后的模型Fig. 7 The model loaded with the heat flow

为了保证计算的精确度，剖分的网格要足够小，加载热流量后在图7中出现红色的标示。

忽略风速[17]、对流、辐射等因素的影响，设定初始温度为-5 ℃，感应加热20 min后输电线温度场分布如图8所示。

图8 输电线温度场分布图Fig. 8 The temperature field distribution of transmission lines

两线圈之间输电导线沿导线表面的温度分布情况如图9所示。

图8、图9表明：线圈处温度最高达65.989 ℃，导线中间点处温度最低达7.133 ℃，此温度在0 ℃以上，能够实现防除冰的目的。

3 不同电磁参数对计算结果的影响

影响计算结果的主要电磁参数有高频电流的频率、高频电流密度、感应线圈间距、感应线圈长度、感应线圈厚度和感应加热时间，通过改变各电磁参数进行计算，将计算结果进行对比、分析，可找出影响输电线温度变化的主要电磁参数，以便进行优化设计以提高防除冰的效率。

图9 导线表面的温度分布Fig. 9 The temperature distribution on the surface of the conductor

3.1 高频电流的频率对计算结果的影响

假定除冰感应线圈长1 m，线圈厚度为d=10 mm，线圈间距为50 m，电流密度为J=5×106A/m2，分别取高频电流的频率为10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz进行计算，感应加热20 min后各频率下输电线上最高温度与最低温度分布如图10所示。

图10 不同频率下输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 10 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different frequencies

从图10可看出，频率越高，温度升得越高，但电源造价就会越高，20 kHz的频率已能满足要求。

3.2 高频电流密度对计算结果的影响

除冰感应线圈长为1 m，线圈厚度为d=10 mm，线圈间距为50 m，高频电流频率为20 kHz，分别取电流密度为3×106A/m2、4×106A/m2、5×106A/m2、6×106A/m2进行计算，感应加热20 min后不同电流密度下输电线上最高温度与最低温度分布如图11所示。

图11 不同电流密度下输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 11 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different current densities

从图11可看出，电流密度越大，感应加热后导线温度升得越高，但对电源的要求就会越高，J=5×106A/m2的电流密度已能满足要求。

3.3 感应线圈间距对计算结果的影响

除冰感应线圈长为1 m，线圈厚度为d=10 mm，电流密度为J=5×106A/m2，电流频率为20 kHz，分别取线圈间距为40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、65 m、70 m进行计算，感应加热20 min后各不同线圈间距输电线上最高温度与最低温度分布如图12所示。

图12 不同线圈间距输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 12 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different distances between two induction coils

从图12可看出，线圈间距越远，最低温度降得越多，间距达65 m时最低温度已降到0 ℃以下，达不到除冰的目的，而最低温度又不能太低，故选择间距为50 m。

3.4 感应线圈长度对计算结果的影响

感应线圈间距为50 m，线圈厚度为d=10 mm，电流密度为J=5×106A/m2，电流频率为20 kHz，分别取除冰感应线圈长度为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m进行计算，感应加热20 min后各不同除冰线圈长度输电线上最高温度与最低温度分布如图13所示。

从图13可看出，线圈长度小于0.6 m后，导线上最低温度明显低于0 ℃，无法除冰，而在1 m附近最低温度明显高于0 ℃，故选择线圈长度为1 m。

图13 不同感应线圈长度输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 13 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different lengths of the induction coils

3.5 感应线圈厚度对计算结果的影响

除冰感应线圈长1 m，高频电流密度为J=5×106A/m2，线圈间距为50 m，电流频率为20 kHz，分别取感应线圈厚度为5.0 mm、7.5 mm、10.0 mm、12.5 mm、15.0 mm进行计算，感应加热20 min后不同感应线圈厚度下输电线上最高温度与最低温度分布如图14所示。

图14 不同感应线圈厚度输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 14 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different thicknesses of the induction coils

从图14可看出，线圈厚度为10 mm时，导线上最低温度为7.133 ℃，最高温度为65.989 ℃，该温度下除冰效果较好，故选择线圈厚度为10 mm。

3.6 感应加热时间对计算结果的影响

除冰感应线圈长为1 m，线圈厚度为d=10 mm，电流密度为J=5×106A/m2，线圈间距为50 m，电流频率为20 kHz，分别取感应加热时间为10 min、20 min、25 min、30 min进行计算，不同感应加热时间下输电线上最高温度与最低温度分布如图15所示。

图15 不同感应加热时间输电线上最高温度与最低温度分布Fig. 15 The maximum temperature and minimum temperature distribution of transmission lines under different induction heating times

从图15可看出，加热时间大于20 min后，导线上最低温度高于7 ℃，能满足实际环境中输电线防除冰要求。

根据我国架空输电线路设计规范的规定[16]，钢芯铝绞线的最高允许温度采用70 ℃。因此，除冰线路上导线要保证最高温度不超过70 ℃，而最低温度则要在0 ℃以上。通过对比各不同参数下输电线上最高温度与最低温度分布情况，可得出电流频率为20 kHz，电流密度为J=5×106A/m2，除冰感应线圈长为1 m，线圈厚度为d=10 mm，线圈间距为50 m，感应加热时间20 min是较合理的参数设置。

4 结论

1）建立了输电线路的物理模型和热传导模型，对输电线中的焦耳损耗和热传导过程进行了数值计算，得出了影响输电线温度变化的主要参数：高频电流的频率、高频电流密度、感应线圈间距、感应线圈长度、感应线圈厚度和感应加热时间。

2）通过改变线圈的参数和高频电流的频率进行计算，将计算结果进行对比、分析得出：电流频率为20 kHz，电流密度为J=5×106A/m2，除冰感应线圈长1 m，线圈厚度为d=10 mm，线圈间距为50 m，感应加热时间20 min是较合理的参数设置。

3）针对传统的输电线路防除冰时需要除冰线路停电的缺点，提出了不停电消除输电线路覆冰的新型电磁防除冰方法，为输电线路除冰提供了一种新的技术和理论依据，具有一定的工程应用价值。

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