低居里点铁磁材料防冰融冰研究进展

低居里点铁磁材料防冰融冰研究进展

2008年初，中国南方大部分地区和中国西北地区东部发生了最严重的旱灾，给电网造成了严重受损，国家能源和有关部门引起了关注，并加剧了抗冰、抗冰和一体化冰的研究。国内外研究过的几十种防、融冰方法再度被重新审视。其中,在“七五”期间的重大攻关项目,经电力部武汉高压研究所等多个单位科研人员共同研制出的低居里点磁热线(LC)防冰技术,因其具有随温度变化自动实现防冰的特点,引起了人们极大的关注。但该项技术因未能对导线覆冰机理进行系统研究,在工程应用中遇到了许多实际困难。本文从成本、施工难度、线路荷载、技术攻克前景等方面对低居里点磁材料在融冰方面的应用前景进行了分析。1低居里点铁磁材料热耗散耗特性低居里点铁磁材料是一种由铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)以及硅(Si)等按一定比例组成的,具有较低居里温度的合金材料。“七五”期间,武汉高压研究所试图将其应用于输电线路防冰,与首钢冶金研究院等单位共同研制出低居里点铁磁材料防冰器件,包括铁磁线、预绞丝或防冰套筒等。无论是哪种形式的防冰器件,均由磁芯和覆层两部分组成。将低居里点铁磁材料防冰器件裹在输电导线表面,输电线路的交变电流产生一个交变磁场,使裹在外层的铁磁材料磁芯磁化。当环境温度高于居里点时铁磁材料的磁化率很低,这时磁感应强度(B)的值很小;而当环境温度低于居里点时,铁磁材料则具有很大的磁转化率,产生很强的磁感应强度(B),从而产生损耗放热。铁磁材料防冰器件的热量损耗主要有三种形式:铁磁磁芯的涡流损耗(Pe);铁磁磁芯的磁滞损耗(Ph);导电覆层欧姆损耗(PΩ)。其中最主要的放热形式欧姆损耗放热(PΩ),占到总放热量的90%以上。磁芯产生的交变磁场穿过外层的导电覆层,在导电覆层中产生了电流,放出的热量即为欧姆损耗放热(PΩ)。通过线状(柱状)铁磁材料及表面导电覆层的损耗功率P可表示为:式中:Pe为铁磁材料的涡流损耗/J;Ph为铁磁材料的磁滞损耗/J;PΩ为覆层导电材料欧姆损耗/J;f为交变磁场的频率/Hz;Bm为磁感应强度的幅值/Gs;ρm为电磁材料的电阻率/(Ω/cm);ρc为覆层导电材料的电阻率/(Ω/cm);μm为铁磁材料的磁导率;l,r分别为线状铁磁材料的长度和半径/cm;b为覆层导电材料的厚度/cm。由式(1)可知,P是Bm2的函数。在冰点以上温度时,由于Bm很小(几乎为零),所以消耗的功率也接近为零;而在冰点以下时,即使线路传输电流较小,Bm也能变得足够大,铁磁防冰器件发出的热功率P能满足防覆冰的要求。同时,由于铁磁材料具有磁饱和特性,当导线传输电流较大时,也不会产生过剩的能量消耗。图1描述为电力部武汉高压研究所等单位研制的一种低居里点铁磁材料发热功率与导线传输电流的特性曲线。由图1可知,当导线传输电流大于150A时,该材料的磁感应强度已经饱和。所以,在理想情况下,低居里点铁磁材料防冰器件在冰点以下不仅能满足除冰的要求,且不会因线路电流过大产生过剩的能量消耗。而在温度高于冰点条件时,铁磁材料不会增加线路损耗。这样,低居里点铁磁材料可以随天气情况自行进行防冰,无需人员维护和检修,一次安装可长期使用并发挥作用。2低粘度铁磁材料的应用前景分析2.1单位天线网络磁本材料低居里点铁磁防冰器件是在铁(Fe)中加入35%~45%的镍(Ni)、2%~5%的铬(Cr)及0.5%~2.0%的硅(Si)后,在600~800℃高温下熔炼,经特殊工艺加工而成的。可根据不同防冰要求将铁磁材料制作成不同形式的器件,如铁磁线、预绞丝或防冰套筒等。工程中已采用的主要有低居里点热敏防冰套筒和低居里点磁热线。低居里点磁热线是由具有低居里温度特性的铁磁合金在高温下以特殊工艺拔拉成1.0~2.5mm的丝材,然后在其表面包敷0.1~0.5mm的导电覆层而制作的。而热敏防冰套筒类似于1:1的电流互感器(如图2所示),其实际长度为45cm,磁芯厚度0.2cm,铝质二次线圈厚度0.2cm,元件总质量1.0kg,安装时元件之间的间隔为1.0m。经实践得知,单位导线上装配的铁磁材料越重,防冰效果越好。要想达到理想的防冰效果,对于LGJ-400/50的导线,约需0.9kg/m铁磁材,对于4×LGJ-400/50的500kV线路,铁磁材料需要量为10.8t/km。由表1可知,一般的铁磁材料的成本价格约为9.88万元/t,且其加工工艺较为复杂,对加工环境和加工器具要求严格,如果考虑加工工艺、覆层(一般为铝或铜)以及利润等综合因素,市场价约为材料成本价的2.7倍,因此,低居里点铁磁材料成品的市场价估计为26.7万元/t,由此可知,对于四分裂500kV线路(LGJ-400/50),防冰需要的费用约为288.4万元/km(一般覆冰地区),超过了新建一条500kV线路的价格。2.2自动安装方法使用低居里点铁磁防冰器件如铁磁线、预绞丝或防冰套筒等,需要用手工或专用机械将其固定螺距缠绕或套在导线上。由于铁磁材料防冰器件一般比较纤细(磁热线的直径为1.5~3mm),且结构复杂,外层覆有较薄的覆层,安装时容易拉断或变形,不利于架空线路高空作业。目前还没有研制出比较好的自动安装方法,主要靠人工安装。我国南方地形复杂,电网大多分布在山地,人工装配铁磁防冰器件需要消耗大量的人力、物力和财力,且装配的效率很低。2.3铁磁材料防冰器件在铁磁材料的发热性能一定时,铁磁材料防冰器件的发热量与其质量成正比关系,即导线上安装的防冰器件质量越大,发热效果越好。这样,铁磁防冰器件会给导线带来两个方面的影响:一是会增加导线本身荷载。实验表明,对于LGJ-400的导线,在风速5m/s、环境温度-5℃时,需要32.36W/m的功率才能完全阻止导线覆冰。目前已研制的铁磁材料防冰器件,在温度低于0℃的发热功率一般为4.6W/kg~26W/kg。每米导线上至少需要覆上1.24kg以上的铁磁材料防冰器件,才能适应在各种气象条件下的防冰。根据电力系统安全运行有关规定,附加重量不能超过导线自重的25%,对于LGJ-400导线,安装的铁磁材料防冰器件不能超过0.3~0.5kg/m。而保证线路有效防冰所需的铁磁材料防冰器件量远远高于这一标准。二是会增加导线的线损。低居里点铁磁材料在20℃左右时仍有近5W/kg的损耗,随着温度的降低,损耗进一步加大。以5W/kg作为一年的平均损耗功率,每千克铁磁材料防冰器件一年损耗的能量约为43.8kw·h。一条长1000km的三相交流线路,按每公里装配1kg铁磁材料计算,一年损耗的功率大约为131400kw·h。2.4低居里点铁磁材料的b-t曲线低居里点铁磁材料的推广应用主要存在以下几个方面的困难:(1)原材料价格持续攀升。受国际市场的影响,铁、镍、铬、硅等制造低居里点铁磁材料的原材料价格一直往上攀升。以铁磁材料的主要原料之一――镍为例,1988年的均价为31027元/t,而2007年的均价则上升为240500元/t,年均增长23%;而铬的价格已上涨至72000元/t。原料价格的上涨导致低居里点铁磁材料成本的增加,如果低居里点材料不能找到低成本的替代原料,将很难得到大面积的推广应用。(2)LC发热性能改善和居里温度的降低二者之间存在技术冲突。要在线路荷载的允许范围内提高铁磁材料防冰器件的防冰效果,唯一可行的方法便是提高其0℃时的发热功率。因为铁磁材料防冰器件的发热功率是Bm2的函数,要提高铁磁材料的发热功率,就得设法增大铁磁材料的磁感应强度(B)。根据铁磁学的理论和相关研究结果,在铁磁材料的饱和磁感应强度Bs≥0.8~1.0T时,方能防除各种气象条件下的输电线路覆冰,但在此情况下,居里温度必然大于80℃。而从降低常温条件下的线损考虑,则需要有低至0℃的居里温度。工程中一般控制合金中镍(Ni)、硅(Si)、铬(Cr)等的含量控制居里温度。在铁(Fe)-镍(Ni)合金中,在含镍(Ni)30%附近居里温度最低,但饱和磁感应强度也较低。而在合金中相应增加硅(Si)、铬(Cr)的含量时,居里温度和饱和磁感应强度则同时减少,很难找到一个既有较低的居里温度又有较高的饱和磁感应强度的点。这一技术冲突至今未能得到很好的解决,目前研制出来的低居里点铁磁合金的居里温度:一般是60℃~80℃,离理想居里点0℃还有很大差距。(3)磁感应强度在居里点突变的陡度未能完全达到要求。在理想情况下,磁感应强度在低于0℃时,应有比较高的磁感应强度(B),而在高于0℃时,磁感应强度突然降到零,即在t=0℃的这个点上,铁磁材料的磁感应强度发生突变,或者至少要有比较大的陡度。但是事实上,以已经研制出来的铁磁材料来看,都不能达到这个要求。图3实线部分给出了在磁场强度H=3980A/m时,4种低居里点铁磁材料的B-t曲线。从图中可以看出,铁磁材料的磁感应强度并没有在t=0℃的温度点上突变,而是逐步随着温度升高而平滑减小,最后也很难达到零的磁感应强度水平。3主要的可行性(1)低居里点铁磁材料利用其涡流损耗和磁