變頻諧振融冰的探討

楊 芳

（廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠 511518）

0 引 言

在冬季寒冷天氣，輸電線路上會出現覆冰，覆冰達到一定程度后易造成線路折斷、桿塔倒塌等事故，給電網安全運行造成了嚴重不良影響。因此，許多學者提出了各種各樣的融冰方法，如熱力除冰法、機械除冰法和自然除冰法等。其中，應用最廣泛的是熱力除冰法。在熱力除冰法中，直流短路融冰法和交流短路融冰法以其獨特的優勢得到了應用廣泛。

交流電有“集膚”效應，覆冰正好在導線表面，故交流融冰發熱效率高。但是，交流融冰線段的融冰距離取決于線路阻抗，而電力線路的阻抗大部分為線路感抗，因此可以在融冰回路中引入容抗，以降低線路總阻抗，從而延長融冰距離。諧振電路有此特點。早在2001年，美國Dartmouth學院的Charles R S等，從集膚效應和介質損耗的角度出發，提出了輸電線路高頻（8～200 kHz）交流融冰這一方法[1]。之后的幾年也有了陸陸續續的研究，但受限于電力電子器件的開關頻率，這些研究還停留于可行性分析階段[2-3]。但是，隨著近幾年大功率電力電子器件的發展，國內外對于交流融冰的研究進入了快速發展階段。

1 諧振現象

在由電阻、電感、電容組成的交流電路中，調節電源的頻率或者阻抗的數值大小可以實現電路為純阻性。電力系統中，當發生串聯諧振時，由于電路阻值較小，因此串聯諧振可能會出現高電壓、大電流而燒壞用電設備。當電感與電容器件并聯運行時，調節頻率使得并聯部分導納為零，也就是說使并聯部分的阻抗最大[4]，因而干路的電流會大大減小，但此時各個支路的電流會加大，威脅設備安全。

2 電力系統諧振簡介

電力系統中，為了減小容性電流，常采用中性點經消弧線圈接地的方式，而消弧線圈可能會與電路中的電容發生諧振。通過調節電路中頻率的大小可以使其處于過補償或者欠補償狀態，從而可以調節阻抗大小，進一步調節融冰電流。利用諧振原理，設計了如圖1所示的融冰電路圖。

圖1 融冰原理圖

2.1 串聯諧振發生的條件

一個串聯電路中，要想發生諧振，需要滿足一定的條件。如圖2所示，當UL=UC即XL=XC時，電路呈現純阻性。

由：

則諧振頻率：

圖2 RLC串聯電路

2.2 串聯諧振電路分析

圖3 RLC串聯諧振相量圖

2.3 串聯諧振時電路中的能量變化和電路的應用

當發生串聯諧振時，電路中的阻抗最小，電感與電容相互抵消，對外呈現低阻抗，因此從電源端子看進去只有R起作用。因此，此時只有R從電源吸收能量。正常情況下，電力系統工作時應避免發生串聯諧振，因為諧振過電壓會破壞設備的絕緣。但是，在為變壓器等電力設備做耐壓試驗時，常常會利用串聯諧振這一方法產生交流高壓，因為在較高直流電壓下會形成空間電荷，可能會使設備出現擊穿或沿界面滑閃現象。因此，耐壓試驗不準使用直流高壓，而是將串聯諧振應用在高電壓技術中，從而產生工頻高電壓來檢驗設備中危險的集中性缺陷。此外，在無線電工程方面串聯諧振也有廣泛應用，如利用串聯諧振獲得較高的電壓。

3 尋找串聯諧振在交流融冰中的條件

為了實現融冰，需要調節融冰電流，從而有效融化冰。臨界融冰電流工程計算如下：

式中，Ic為臨界融冰電流，Ti為導線溫度，Ta為環境溫度，D為導線的外徑。將實際情況下對應的已知條件代入式（5），即可求得臨界融冰電流值。此外，由于外界因素的不確定性，如風速、溫度等的變化，臨界融冰電流的計算值也具有不確定性，僅可用于工程估計與參考。

串聯諧振是總阻抗值最小，電源電壓一定時電流最大，這可以應用于融冰技術，使交流融冰效果達到最佳[6]。但是，此時電路呈純阻性，電容或電感上的電壓可能會出現振蕩，必須避免高于電源電壓，降低“可能高于”的概率。若要利用串聯諧振電路進行融冰，必須符合如下兩個條件：

則線路串接電容為：

該電壓大小不會損壞10 kV線路絕緣。

諧振在交流融冰中的應用實施，即當線路出現結冰時停運線路，接于變頻電源，末端三相短路，調節電源頻率，使之與固有的諧振頻率相等，從而使回路中感抗與容抗大小相等，符號相反，回路發生諧振，阻抗最小，電流最大，融冰效果最好[8]。此外，一般情況下，交流融冰時由于電力電子器件的限制不會使用工頻諧振融冰，而是會提高電源頻率，在高頻下實現諧振融冰。

在高頻條件下實現諧振融冰有一系列優點。

（1）導體中通入交流電時會出現“集膚”效應，即電流會聚集在導體表面。當電流頻率越高時，“集膚”效應越顯著，導致電流通道“變窄”，相當于單位長度的導線電阻增大，從而在相同電流下產生更多熱量，加速融冰。

（2）在工頻條件下，一般認為冰是無損耗的電介質，但在2001年Dartmouth學院的Charles R S等提出冰在高頻交變電場中會由于反復極化而產生電導效應和遲滯效應而發熱，變為有損耗電介質，這部分熱量也可以用來協助融冰。

4 結 論

變頻諧振融冰是一種交流融冰。與直流融冰相比，不僅它的融冰距離與直流融冰一樣，同時避免了直流融冰的一些缺點，如直流融冰電源造價昂貴、融冰時需全線停電。此外，變頻諧振融冰具有交流融冰的所有優點，即交流電有“集膚”效應，覆冰正好在導線表面，故交流融冰發熱效率高。“集膚”效應與頻率有關，交流融冰可應用于地線融冰和OPGW光纜融冰。采用交流變頻融冰可設置在諧振點融冰，以降低線路阻抗。由于交流電流頻率越高，“集膚”效應越顯著，為增強“集膚”效應可以適當提高諧振點頻率。相對于普通的交流短路融冰，變頻諧振融冰是三相同時融，沒有停歇間隔時間，熱累積效應大，融冰快，效果好。在工程實際中，變頻諧振融冰的融冰電壓可設置為0.4 kV，投資少，便利快捷，可實施精準融冰，能降低能耗，有較大的應用前景。