長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)之磁路分析

【摘要】提出一種新的傳輸電能的系統(tǒng)，即長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)，長(zhǎng)距離磁路是指距離在400km以上的閉合磁路。通過磁路分析的第一類方法及第二類方法對(duì)該系統(tǒng)的磁路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該新的系統(tǒng)的合理性，為電能傳輸方式提供新的思路并進(jìn)行了有益的探索。但還有諸如恒定磁場(chǎng)如何取電的問題有待進(jìn)一步研究。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)距離磁路;線路走廊;導(dǎo)磁材料;漏磁

Long Distance Magnetic Path System for Transmission of Electric Power

Li yu

（Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering ?Taiyuan 030009 China）

Abstract：Put forward a new system of power transmission，namely the long magnetic trans-mission electric power system，long distance circuit refers to a closed magnetic circuit distance ab-ove 400km.The first method by analysis of magnetic circuit to analyze the magnetic circuit structureand system parameters of the system，to verify the rationality of the new system for power trans-mission mode，to provide new ideas and has carried on the beneficial exploration.But there ar-e problems such as the constant magnetic field to take power requires further study.

keywords：long distance magnetic path;power line corridors;magnetic materials;Magnetic flux leakage

1.引言

現(xiàn)在無論是交流輸電，還是直流輸電，總的趨勢(shì)是輸電電壓等級(jí)越來越高;目前各國(guó)對(duì)導(dǎo)線傳輸電能的研究重點(diǎn)集中在高壓交流電網(wǎng)或高壓直流電網(wǎng)，最高電壓等級(jí)達(dá)到1500kV[1]。交流輸電由來已久，交流輸電線路中，除了有導(dǎo)線的電阻損耗外還有交流感抗的損耗，為了解決交流輸電電阻的損耗，采用高壓、超高壓甚至特高壓輸電來減小電流從而減少損耗。但是交流電感損耗不能減小。因此交流輸電不能做太遠(yuǎn)距離輸電。如果線路過長(zhǎng)輸送的電能就會(huì)全部消耗在輸電線路上。此外，交流輸電并網(wǎng)還要考慮相位的一致，如果相位不一致兩組發(fā)電機(jī)并網(wǎng)會(huì)互相抵消。

直流輸電是電能系統(tǒng)中近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。直流輸電克服了交流輸電中電感的損耗，而只產(chǎn)生導(dǎo)線電阻的損耗。本文首先對(duì)高壓輸電的問題進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)并且對(duì)磁路進(jìn)行了分析。

2.高壓輸電的突出問題[2]

2.1 電磁感應(yīng)的影響

輸電線路的工頻電磁場(chǎng)和電暈放電引起高頻電磁場(chǎng)，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定限度、作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，就可能危及人體健康，輕則頭痛、疲倦，重則中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。這種電磁場(chǎng)還會(huì)對(duì)電視、通信設(shè)備和其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2.2 靜電感應(yīng)的影響

輸電線路下方或附近，存在對(duì)地絕緣的導(dǎo)電物體時(shí)，輸電線路將通過該物體的耦合電容，在該物體上感應(yīng)出電壓，如將該物體接地，則有持續(xù)的工頻電流流入大地，這種靜電感應(yīng)的直接后果是可能導(dǎo)致電擊。如在電場(chǎng)中處于地電位的人接觸對(duì)地絕緣的導(dǎo)體或?qū)Φ亟^緣的人接觸接地的導(dǎo)體時(shí)，都可能遭到電擊。

2.3 噪聲

輸電線路和變電設(shè)備運(yùn)行時(shí)因電暈放電而產(chǎn)生噪聲，并隨電壓的提高而增大。所產(chǎn)生的噪聲可以分為兩類，一是無規(guī)則的寬頻噪聲，另一是嗡嗡的效應(yīng)聲。輸電線路電暈噪聲與天氣關(guān)系密切，在雨、霧、雪天，無規(guī)則噪聲大。輸電線路還有風(fēng)引起的噪聲、嗡嗡交流聲等。

2.4 線路走廊占地

從人的生命財(cái)產(chǎn)安全和輸電線路運(yùn)行安全的考慮，線路電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)符合相關(guān)要求情況，劃定安全區(qū)域。輸電線路走廊指架空電力線路保護(hù)區(qū)，它是導(dǎo)線邊線向外側(cè)水平延伸并垂直于地面所形成的兩平行面內(nèi)的區(qū)域，在一般地區(qū)10kV～500kV電壓導(dǎo)線的邊線延伸距離為5m～20m。

本文提出的長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)（Long Distance Magnetic Path System for Transmission of Electric Power）是指發(fā)電廠將天然的一次能源轉(zhuǎn)變成電能，然后在發(fā)電廠就地將電能轉(zhuǎn)變成磁能，通過磁路將磁能傳輸至用戶，在用戶端再將磁能轉(zhuǎn)變成電能，通過配電變壓器將電能分配至各具體用戶。

該種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是無高壓輸電的一切防護(hù)措施，而此項(xiàng)措施在現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)中無論從設(shè)備上還是從經(jīng)濟(jì)上來說，所占比重都是較為可觀的;磁路傳輸電能，可以如直流輸電那樣，方便并網(wǎng)，采用恒定磁場(chǎng)傳輸磁通，無渦流損耗及磁滯損耗，磁路屏蔽可以采用抗磁性強(qiáng)的金屬，漏磁更小，磁路入地相對(duì)傳統(tǒng)高壓導(dǎo)線系統(tǒng)可節(jié)省大量線路走廊，亦沒有高壓防護(hù)裝置的大量投入，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，不會(huì)雷電而導(dǎo)致停電事故。

3.系統(tǒng)方案

3.1 獨(dú)立發(fā)電廠的LDMPSTEP結(jié)構(gòu)

獨(dú)立發(fā)電廠的LDMPSTEP是指由單獨(dú)一個(gè)發(fā)電廠向系統(tǒng)激磁。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單電廠長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for one power station

圖1中，1-直流發(fā)電機(jī);2-勵(lì)磁裝置;3-磁路開關(guān)裝置;4-取電裝置;5-磁路。

由一個(gè)發(fā)電廠向系統(tǒng)提供電能，無并網(wǎng)的發(fā)電廠，其中磁路3并行入地布置，其間距離5m以上。磁路3采用抗磁性物質(zhì)作為防護(hù)套。勵(lì)磁裝置可曲折形布置，考慮到平行磁路之間的漏磁問題，磁路由電廠引出時(shí)，兩平行磁路之間距離盡量大，至少10米以上，可以鋪設(shè)在道路兩邊地下兩米。

磁路開關(guān)裝置4設(shè)置在磁路3的主干路上，用于切斷磁路，進(jìn)行檢修或維護(hù)。感應(yīng)取電裝置包括取電磁芯7和感應(yīng)線圈8;輸出端6是指設(shè)置在用戶端的交流輸出端。

3.2 具多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)的LDMPSTEP結(jié)構(gòu)

具有多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)的LDMPSTEP是指系統(tǒng)由多個(gè)發(fā)電廠向系統(tǒng)激磁，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)的LDMPSTEP結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for power stations

多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)，只需要控制磁路內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在所需要的數(shù)值范圍內(nèi)即可，無需考慮相位問題。

3.3 具有多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)且有支路的LDMPSTEP結(jié)構(gòu)

具有多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)且有支路的LDMPSTEP在磁路開關(guān)裝置3之前由兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)電廠向磁路系統(tǒng)提供磁能，在磁路開關(guān)裝置3之后磁路設(shè)置分支磁路向兩個(gè)或兩個(gè)以上區(qū)域用戶提供電能。

圖3 多個(gè)發(fā)電廠并網(wǎng)且有支路的LDMPSTEP結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for power stations

各支路磁路內(nèi)的總磁通總和等于各并網(wǎng)發(fā)電廠提供的磁能總和。

4.磁路分析

4.1 導(dǎo)磁材料的選用

磁路材料，常用的有熱軋硅鋼[3]、非晶合金、冷軋晶粒取向硅鋼、冷軋晶粒無取向硅鋼，交變磁場(chǎng)中導(dǎo)磁材料通常選用的是鐵硅系合金，含硅量0.5%～4.8%，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時(shí)間而變化的現(xiàn)象。隨著硅含量增加，熱導(dǎo)率降低，脆性增加，飽和磁化強(qiáng)度下降，但其電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可應(yīng)用到交流領(lǐng)域，制造電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。

從導(dǎo)磁性能的角度來分析，純鐵導(dǎo)磁性能最好，其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，加工性能好;但其電阻率低、在交變磁場(chǎng)下渦流損耗大，只適于靜態(tài)下使用。本系統(tǒng)中磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)，因此，選用純鐵作為導(dǎo)磁材料。矽鋼片中加硅是為了增加電阻，減小渦流損耗，恒定磁場(chǎng)沒有渦流損耗，所以無需加硅。因此導(dǎo)磁材料柔韌性較大，可制成多股絲狀，容易彎曲。

4.2 磁路系統(tǒng)主磁通的定性分析

采用第一類磁路分析法，對(duì)磁路系統(tǒng)進(jìn)行分析，第一類磁路分析法是指已知要求的磁通Φ求所需的磁動(dòng)勢(shì)IN，第一類磁路分析法步驟可簡(jiǎn)述如下：已知Φ，B=Φ/S（查B-H曲線）得出H→Hl;磁場(chǎng)的飽和程度越高，導(dǎo)磁率越低，漏磁越大。因?yàn)殍F磁材料束縛磁力線的能力下降，漏磁就越容易發(fā)生。取B=0.9T，則H為100A/m，若匝數(shù)取3000匝，磁路長(zhǎng)度200Km，則激磁電流為I=100×400000/3000=13333A，取磁路截面S為0.1963m2，相當(dāng)于直徑為0.5m的柱狀磁路。按電流密度取4.5A/mm2，采用低電壓大電流的激磁繞組，絕緣距離較小，占地面積約為900m2。

再采用第二類分析法進(jìn)行驗(yàn)證，第二類磁路分析法是指已知磁動(dòng)勢(shì)F求所能產(chǎn)生的磁通量Φ，l表示由純鐵構(gòu)成的磁路的平均長(zhǎng)度，單位是米;μ表示純鐵的磁導(dǎo)率，由第一類分析中得到的H為100A/m，計(jì)算得μ=B/H =0.9T/100A/m=0.009;

純鐵的磁阻為Rm=l/μS ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：Rm表示純鐵磁阻;

Φ=F/Rm ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

B=Φ/S ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

F=IN ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

所以B= INμ/l ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

將I=13333A，N=3000匝，μ=0.009，l=400000m，代入（5）式得：

B=13333×3000×0.009/400000=0.9T，與第一類分析法結(jié)果吻合。

4.3 磁路系統(tǒng)漏磁通定性分析

由于本文所述的長(zhǎng)距離磁路傳輸電能系統(tǒng)采用的是恒定磁場(chǎng)，且磁路是閉合的，根據(jù)磁阻最小原理磁力線被導(dǎo)磁率較高的導(dǎo)磁材料約束在磁路中，因此，漏磁所占比例較小，本文將其忽略不計(jì)。

5.結(jié)論

經(jīng)理論分析并驗(yàn)證，LDMPSTE（本系統(tǒng)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?01310616929.2）的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，其與傳統(tǒng)導(dǎo)線傳輸電能的系統(tǒng)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，無高電壓的一切防護(hù)措施，而此項(xiàng)措施在現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)中無論從設(shè)備上還是從經(jīng)濟(jì)上來說，所占比重都是較為可觀的;磁路傳輸電力，可以如直流輸電那樣，方便并網(wǎng)。采用恒定磁場(chǎng)傳輸磁能，無渦流損耗及磁滯損耗，磁路屏蔽可以采用抗磁性強(qiáng)的金屬，漏磁更小，磁路入地相對(duì)傳統(tǒng)高壓導(dǎo)線系統(tǒng)可節(jié)省大量線路走廊，亦沒有高壓防護(hù)裝置的大量投入，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，不會(huì)因雷電而導(dǎo)致停電事故。

參考文獻(xiàn)

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[2]舒印彪，張文亮.特高壓輸電若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（31）.

[3]劉洋，張艷麗，謝德馨.考慮硅鋼片二維矢量磁特性的復(fù)數(shù)E&S模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（3）.

作者簡(jiǎn)介：李豫（1960—），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，研究方向：發(fā)輸變電。