外文翻译译文-采用高频、高电压激励源的输电线路除冰技术

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 9 页采用高频、高电压激励源的输电线路除冰技术在恶劣天气中,电力输电线路覆冰一直是一个难题.每年电力部门为了对电力设备进行维护 ,通常要花费上百万美元的费用。用大约8200KHz频率的高频激励源进行融冰的方案已经被提出。这种方案通过两个机械装置的联合工作进行融冰。在 8200KHz 范围内，覆冰是一种有损耗的绝缘体，这会在覆冰上直接产生热量。此外，集肤效应导致电流值在导线表面的一个薄层中流通，这必然引起阻力减小，持续发热。本文主要对传输距离 1000km 以上输电线路的融冰系统的设计进行了介绍。本文还对应用于 30kv，100KHz 的标准融冰系统进行了模拟仿真。在 1m 长模拟覆冰线路中测试了绝缘损耗的融冰效果。以上介绍系统如图 1 所示。该方案可以用两种不同的方法进行实施。对于长期存在覆冰或可能出现覆冰的输电线路，高可靠性是必要的。融冰系统应该永久的安装在该线路上确保一个区域线路的联通，并且在区域两端对该系统进行隔离，将高频激励限制在可控区域内。或者将融冰系统安装在卡车上，这些卡车主要负责覆冰区域的应急、抢险工作，其中三辆融冰车为一个抢险组，一组能够携带一个高频激励源和两套隔离设备。1 冰绝缘介质加热原理短覆冰输电线路区域中的等价回路及有损耗绝缘材料覆冰的绝缘加热原理如图 2 所示。覆冰电容和电阻可以根据3给出的覆冰电力属性模型来计算。对于像图 1 用高频、高电压对输电线路进行除冰中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 9 页12KHz 这样的低频，绝缘属性有足够的损耗来产生主要的热量，随着激励频率的升高，需要产生足够的压降。尽管为了避免调节频率范围，可以使用低频激励，但是一个恰当的操作范围大致处于 20150KHz 之间。2 均匀加热的实现除非输电线路的远端是用一个相匹配的阻抗终止，否则用高频电源刺激一条输电线路将会产生驻波。在驻波覆冰绝缘加热或集肤效应的单独作用下会产生一个不均衡的热量。解决上述问题的方法是在线路终端产生行波，而不是驻波。然而行波需要能量在线路中流动，这些能量比在覆冰中耗散的能量大的多。而且这些能量必须在线路一端用激励电源产生，在线路另一端被终端吸收。因此，电源的容量必须增加，使其满足加热所需的能量，并且终端要能够消耗或循环利用这些能量。此外，考虑到仪器设备的费用和那些可能没有循环利用而是被耗散在终端的能量费用，这是一个昂贵的解决方案。一个更好的解决方案是基于驻波的两种不同加热效应的互补方法。覆冰绝缘加热在驻波图形的电压波腹中最强烈，然而集肤效应加热在电流波腹中最强烈。因此，这两种加热效应是互补的。如果这两种加热效应比例恰当，在输电线路上就可以产生一个一致的总体加热效果。两种加热效果的比例关系受很多因素影响，主要包括导线的型号及其几何外图 2 覆冰输电线路的等价回路中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 9 页形，还有覆冰厚度。以下例子是基于 230Kv 的双回路输电线路外形。在一条回路中，导线与导线之间的距离为 6.3m，导线是直径为 35mm 的钢芯铝绞线。为了获取必需的参数来模拟线路，我们进行了二维有限元仿真。考虑到被高频激励的单相和其他相导线及被高频激励的地线，电容大小为 8.06pF/m，表面电感大小为 1.38mH/m，如果忽略绞线特征并且将导线看作是一个铝质圆柱体，其电阻可以很快计算出来。为了证实这一假设，我们测量了一条在 8KHz 频率下工作的3m 长区域导线。为了寻找钢芯中任何非线性损耗，满电源激励测试被考虑在内。但是测试结果并没有显示任何重要的非线性关系。在 8KHz 频率工作条件下测量所得的电阻比理想铝圆柱体的计算结果高出 10%。为了在其他频率下模拟损耗，根据实验性因素，实际电阻应为理想铝圆柱体的 1.1 倍。图 3 所示为在一个波长区域内的输电线路驻波联合加热效应。从图中可以看到两种加热效应的互补本质就是绝缘加热效应的波峰与阻抗加热效应的波谷位置相吻合。例如，基于 50KHz 吉利的一个 15mm 厚的覆冰层，其总体加热仍然有重要的波纹。尽管这些是可以接受的，但是为了一个给的线路最小热量密度，这需要更多的能量输入。调节频率会影响覆冰的绝缘损耗和导线的集肤效应损耗，因此可能会为了线路的一致加热而调整频率。图 4 所示为 33KHz 频率下的加热能量。我们计算出在此条件下，加热效果在 15mm 厚度覆冰效果是一致的。每米 50W 的加热能量所需要的 33KHz 波腹电压大概为 110Kv。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 9 页图 3 15mm 厚度、50kHz 下集肤效应与绝缘加热效应联合作用下，波峰电压约为 100kV图 4 15mm 厚度、33kHz 下集肤效应与绝缘加热效应联合平衡作用，波峰电压约为 110kV中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 9 页图 5 所示为一个 300Km 长输电线路加热能量。在图中可以看到，上文讨论到德波纹的省略并随着线路的增长而衰减。用同样的方法从中心驱动一个 600Km 长的输电线路是不可能的。线路长超过 300Km，在线路远端衰减会导致加热能量降低，这就需要增大输入电压。在同等最低水平下，同加热整条线路所需要的能量相比，总输入能量仅仅提高了约 18%。因此，线路长度越长，效率越低。例如，在加热情况一致的情况下，从中心驱动一个 1000Km 长的线路提供的能量要比其需要的能量高出 55%。一个小型高频电源可以用来保护小范围线路。例如，通过山口的一小部分或者两塔之间的单电缆跨度，小型高频电源是必需的。3 高频电源的设计在小范围标准或全范围系统中应用软开关谐振逆变器。最主要的难题和创新点就是其中的谐振电感。在标准系统中，覆冰的绝缘损耗比总的电容损耗小。因此可以将高频电源看成一个低功率因数的电容性负载。要融化 1m 长线路上的覆冰，系统必须提供大约 50W 的有功功率，然而无功率却为 16.5KVA。所以其功率因数为 0.3%。如果系统要有适当的效率值，必须有一个更大无功谐振电感。带最佳形状的绝缘绕合线圈被用来构造最主要的部件。图 5 在 300km 线路下，绝缘效应和集肤效应联合作用，以此类比，在600km 线路下的运行中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 9 页4 原型逆变器原型逆变器被设计出来去激励为一个 1 米长、直径 25 毫米的 33kV 线路 50W的覆冰绝缘损耗。该线在测试配置中，悬浮于冷冻室，测量出来的电容为 27 pF，因此，需要约 0.5 A 的 33 千伏，100kHz 的激励。如图 6 所示为一个串联谐振逆变器。在实际应用中，该电路有几个重要的优点。在 100kHz 之间，零电压开关允许使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 。大部分回路都是在低压（低于 1000V）下进行操作，唯一的高压节点在感应器和线路之间。因此，唯一在高压下进行操作的是感应器，大部分回路可以在没有特殊的高电压隔离下进行操作，需要的电感为 98.3mH。我们最初以电感上的损耗和覆冰上的损耗相等为目标。在感应器用最大电流实现低损耗时，需要尤其注意线圈的交流阻抗。并且交流阻抗受到边缘间隙磁场的影响。分布式或离散式间隙或许可以解决这些问题。但是在4中提到一个最佳形状的线圈能够使其损耗比在一个理想分部间隙中获得的还要低，没有额外的间隙损耗。我们用基于这种方法的感应器来达到 5 个系列感应器的规格。考虑到磁芯尺寸的实用性，并且为了简化隔离问题，避免寄生电容问题，多重感应器允许降低每个感应器的电压，所以需要使用多重感应器。为了构造理想形状的线圈，定制的绕线管用一种能够快速成型的融合物进行焊接。为了避免高压操作时的电晕问题，感应器被浸放在绝缘油中。图 6 原型变频器示意图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 9 页这个设计采用绝缘绕合线进行改进。感应器的损耗较小，测量起来比较困难。最精确的测量方法是在无覆冰、共振回路的情况下进行测试，此时绝缘损耗是可以忽略的。用感应器连接一个 1m 长的测试线形成一个带线路电容的共振回路。在共振时，电网的输入阻抗是真实的，相当于感应器的等价阻抗。在小信号测量中，阻抗为 194 。尽管在全电源状态下进行操作时，由于感应器磁芯的非线性的性质，损耗将会有所升高，但是结果非常接近于原始的损耗目标。5 除冰实验测试除冰能力测试的原型系统为 7 毫米覆冰厚度、1 米长的电线。在冰冷的系统中，输入阻抗应为 850。覆冰损失大约为 550，约 200 为对应的电感器的损失。通过调整接近的谐振频率的驱动频率，逐渐增加的输入功率。大约 25 分钟后，覆冰功耗增加 5W 左右，导线电压为 5kV，覆冰开始熔化和滴落。能量不断增加，熔化速度也越来越快。两小时以后，覆冰功耗为 17W，导线电压约 11.6 kV，大量的覆冰开始从导线上脱落。输入功率越高，覆冰融化越快。导线除冰通过集肤效应加热效果进行测试，并得到如预期的运作。其工作准备如图 9 所示。1 米线路除冰的实验测试，测试导线直径为 25.4 毫米，覆有 7毫米的冰，右侧白色的较粗棒中含有浸没在油中的谐振电感器。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 9 页6 其他注意事项6.1 电磁干扰30kHz 左右的电磁辐射可能会干扰无线电通信，这个频段的频率的发射在许多国家都是受到监管的。在紧急情况下，大面积的功率损耗可能造成的后果中，除冰操作可能比电磁干扰更重要。如果电磁干扰仍然是一个问题，它未能有效地在较低频率的除冰。例如，8 千赫以下的范围内调节频率。不幸的是，在这些频率上，集肤效应和绝缘加热范围可以很容易地平衡均匀加热。但集肤效应加热就可以是有效的。通过改变驻波转移四分之一波长，激励模式扫频率，或者通过较小长度集中段（8kHz 下为 9km） ，不均匀加热就可以由驻波产生的热量来减轻。6.2 接地导线除冰接地导线覆冰也是一个重要问题。虽然这些电线不可能直接由高电压激发，但是激励相导线将导致电流在其表面上的电场分布。虽然这种间接激励不强直接激发，但是较细的导线直径可以同时提高加热效果。电场强度在导线表面附近具有较小的曲率，并且电线的周长与高频电阻成反比。因此，对接地导线进行除冰是不可能的，因为它依赖于特定的几何传输线。6.2 电晕现象高频电压线将增加电晕效应。一方面，增加电晕有益的，因为它会产生额外的加热，更快地融化覆冰。然而，其中最严重的结冰，整体的直径，包括覆冰，会大量减少电晕现象。电晕在一结冰区域