架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化.pdf
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1、引用格式:引用格式:黄欢,杨旗,吴建蓉,等.架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化J.中国测试,2024,50(3):137-143.HUANGHuan,YANGQi,WUJianrong,etal.Parameteroptimizationofoverheadgroundwireelectromagneticpulsede-icingdeviceJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):137-143.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021120095架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化黄欢1,杨旗1,吴建蓉1,蒋兴良2,曾华荣1,陈宇2(1.
2、贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州贵阳550002;2.重庆地格科技有限责任公司,重庆400044)摘要:输电线路覆冰严重影响电网的安全运行。2008 年南方大面积冰灾之后,我国针对输电线路除冰开展广泛研究。由于地线电气参数和接地性质,无法对其实施短路融冰,因此地线除冰是输电线路覆冰中的一个难题。针对架空地线覆冰问题,该文设计并研制电磁脉冲除冰装置和电磁脉冲力冲量测量装置,绕制同心单层饼式结构线圈,分析各种参数变化对脉冲效应的影响,并计算除冰装置的能耗。研究结果表明:在合理的脉冲线圈匝数下,可以通过增加除冰目标物的厚度、提高脉冲电容器组电压、减小除冰目标物与脉冲线圈之间的间隙等方法,使电
3、磁脉冲力冲量增加;随着电磁脉冲效应的增强,能够有效去除目标物的覆冰从而降低功耗。关键词:电磁脉冲;除冰;线圈中图分类号:TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03013707Parameter optimization of overhead ground wire electromagnetic pulse de-icing deviceHUANGHuan1,YANGQi1,WUJianrong1,JIANGXingliang2,ZENGHuarong1,CHENYu2(1.ElectricPowerResearchInstitudeofGuizhouGridCo.,Lt
4、d.,Guiyang550002,China;2.ChongqingDe-IcingGroupTechnologyCo.,Ltd.,Chongqing400044,China)Abstract:Icingontransmissionlinesseriouslyaffectsthesafeoperationofpowergrid.AfterthemassiveicedisasterinSouthChinain2008,alotofresearchwascarriedoutinChina.Duetotheelectricalparametersandgroundingpropertiesofgro
5、undwire,short-circuiticemeltingcannotbecarriedoutonit.Therefore,groundwirede-icingisadifficultproblemintransmissionlineicing.Aimingattheicingproblemofoverheadgroundwire,thispaperdesignsanddevelopstheelectromagneticpulsede-icingdeviceandtheelectromagneticpulseimpulsemeasuringdevice,windstheconcentric
6、single-layercakestructurecoil,analyzestheinfluenceofvariousparametersonthepulseeffect,andcalculatestheenergyconsumptionofthedeicingdevice.Theresearchresultsshowthat:Underareasonablenumberofpulsecoils,theelectromagneticpulseforcecanbeincreasedbyincreasingthethicknessofthede-icingtarget,increasingthev
7、oltageofthepulsecapacitorbank,and reducing the gap between the de-icing target and the pulse coil.With the enhancement of theelectromagneticpulseeffect,theicingofthetargetcanbeeffectivelyremoved,soastoreducethepowerconsumption.Keywords:electromagneticpulse;de-icing;coils收稿日期:2021-12-16;收到修改稿日期:2022-
8、03-25基金项目:南方电网有限责任公司防冰减灾重点实验室支撑项目(GZKJXM20190748)通信作者:黄欢(1978-),女,湖南新邵市人,高级工程师,硕士,主要从事输电线路技术研究工作。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,20240 引言近年来,随着全球气候变暖,冬季降雪频率降低、冻雨天气频繁,暴露于野外环境的各种结构物面临大气覆冰的严重危害1。电网覆冰是影响电网安全运行的重要因素。2008 年以来,我国研发的直流融冰装置,至今已进行了数千次线路融冰,极大缓解了输电线路的覆冰所带来的倒塔、短路的问题。但地线若采用
9、电流融冰方案,则需要对地线进行改造,一方面增加了人力成本,另一方面将影响地线的防雷性能,因此地线除冰基本不采用此方案。通过对比分析机械除冰、电热防冰、憎水涂料防冰、电流融冰等数十种防冰除冰技术措施和方法,证明电磁脉冲除冰系统具有能耗低、除冰速度快等优点2-5。20 世纪 50 年代,电磁脉冲技术用于各种工业过程中的金属成形,直到 1965 年,前苏联的 I.A.Levin发现电磁脉冲对大气结构物除冰存在可行性。由此,前苏联开始对飞机电磁脉冲除冰(EIDI)系统进行研发。至今为止,前苏联和俄罗斯已经研究开发了四代飞机电磁脉冲除冰系统,目前该系统主要安装在伊尔(Ilyushin,简称Il)系列飞机
10、上。随后,法国、英国、美国也开始投入科研力量研究开发电磁脉冲除冰系统6-10。20 世纪 70 年代末,美国以威奇托州立大学(WichitaStateUniversity,WSU)为代表的研究团队历时 10 余年,针对电磁脉冲除冰系统电路参数,开发了相应的设计程序,并在气候室内和试验飞行中进行了多项除冰实验,论证电磁脉冲除冰系统对飞机飞行安全性的影响,但其研究没有俄罗斯完善,在理论和应用上均不具有普遍性11。1993 年南京航空航天大学对电磁脉冲装置的参数设计进行了研究12-13。但由于该电磁脉冲除冰技术研发难度大,并缺乏相应的经费,研究进展缓慢。直至本世纪初,在全球节能化的风潮下,我国研究人
11、员逐渐意识到电磁脉冲除冰在各个领域均具有较好的应用前景,进一步开展了电磁脉冲除冰的研究。针对导线覆冰,美国威奇托州立大学对覆冰导线的电磁脉冲除冰方法进行了探究,研究了线圈的3 种不同布置形式,在覆冰 12.5mm 厚、长 3m 的导线上成功除冰。而将电磁脉冲装置用于专门建设的 100m 长档距的实验线路上时,它仅能除去EIDI 除冰器区域约 35m 长的覆冰,脉冲振荡虽然能够沿导线向中部传播,但空间陡度已经不足以除冰。考虑安全和经济效应,该团队并没有对电磁脉冲除冰装置进行深入研究。同时,苏联也在 100m的覆冰导线上进行了电磁脉冲除冰试验,除冰范围大约为 10%14-15,但研究时间离现在比较
12、远,具体的电磁脉冲线圈形式已不可考。本文从电磁脉冲的基本原理出发,阐述了地线除冰的基本过程,研制了电磁脉冲除冰装置,设计了电磁脉冲力测量装置,分析了参数对脉冲作用的影响,并得到地线脉冲除冰装置的设计方案。1 地线电磁脉冲除冰的基本原理电磁脉冲除冰基本电路结构如图 1 所示,主要由脉冲电源、脉冲用的储能电容、充放电开关和脉冲线圈组成。除冰时脉冲电流沿着虚线方向流动。电流从电容器组(C)、线圈(线圈电阻(R)和线圈电感(L))所组成的 RLC 电路中产生;充、放电开关依次重新导通、关断电路,激励电容器反复充放电。充电电源充电开关放电开关线路电阻储能电容反向二极管脉冲线圈除冰目标电流方向图 1 电磁
13、脉冲除冰电路原理图电磁脉冲除冰过程主要由 3 部分组成:1)充电高压继电器导通,由脉冲电源对储能电容器组进行充电;2)充电高压继电器关断,电源与放电回路隔离,触发信号控制放电开关导通,此时储能电容器组对脉冲线圈放电,产生脉冲大电流以及瞬变磁场。3)除冰目标内部产生感生涡流,该涡流和线圈磁场作用产生时间为微秒量级,但可产生大小为几十至数千牛的电磁力,磁场和涡流分布见图 2。电磁力使金属在弹性变形范围内产生高加速度的运动,目标物在高加速度的作用下产生应力形成应变,当覆冰目标物与覆冰之间的粘接强度小于脉冲应力时,覆冰开始破裂进而脱冰。除冰目标励磁脉冲线圈感生涡流脉冲磁场dh图 2 由电磁脉冲除冰产生
14、的磁场和涡流138中国测试2024年3月当地线作为除冰目标物时,由于其主要结构为钢芯铝绞线,较铝板或铝环整体结构,所产生的涡流相对小,由此感生出得涡流不大,脉冲作用效果较差。因此,在地线电磁脉冲除冰方案中,需要在地线上加装长形铝环(板)作为涡流倍增器16-17,脉冲电流通过倍增器产生较大的涡流,进而产生较大的脉冲力。在本文中,涡流倍增器选取为外径140mm 的圆形铝板,通过螺纹紧固件将其提前固定在地线除冰点上(距端点 10、20m 处)。如图 3(a)所示,脉冲力使得长形铝环带动其附近地线产生高加速度应变,该应变随着地线的悬链线结构向两端传播,同时,地线上的覆冰在高应变率下极易破裂,受重力作用
15、进而脱落,脱冰后的地线,将会产生一定程度的脱冰跳跃,如图 3(b)所示。在地线上产生的脉冲作用和脱冰作用共同形成应力波,应力波向两端传递,脱冰距离将增长,增加脱冰效果,如图 3(c)所示。除冰过程结束后,若覆冰现象继续发生,可重复进行上述过程,直到除冰情况达到理想效果。(a)除冰前(c)除冰后(b)除冰时地线覆冰脉冲作用传递方向脱冰跳跃地线覆冰地线覆冰图 3 地线电磁脉冲除冰示意图在实际除冰过程中,当数千牛顿的脉冲力作用在地线上,可对一定距离的覆冰地线进行除冰。由于覆冰情况的不同,除冰长度和效果也不尽相同,在目前进行的自然除冰试验中,通过单个除冰线圈多次的脉冲作用,雾凇除冰最大长度可达 15m
16、,雨凇及混合凇除冰最大长度为 5.6m,而除冰机理和除冰准则还需要进一步的理论分析和试验研究。本文主要就电磁脉冲线圈的脉冲作用及参数优化展开讨论,以提高电磁脉冲单个线圈的除冰效率。2 电磁脉冲源和测量装置2.1 电磁脉冲激励源充电电源和储能电容器组是整个脉冲装置的基础,为脉冲放电提供能量。调压器、变压器和整流桥的组合为电磁脉冲装置提供充电电源,最高可提供 2kV 的直流电压。电容额定电压 450V,额定电容1000F。电容器组采用“33”结构,3 个电容串联后电压提高至 1350V,3 组串联电容并联后电容提高至 1000F,通过电容表最后测得其电容为1060F,由于存在测量误差和电容自身的误
17、差,测量结果高于计算结果。电磁脉冲除冰激励源装置和冲击摆实物图如图 4 所示。图 4 电磁脉冲除冰激励源和冲击摆实物图2.2 脉冲力冲量测量装置电磁脉冲除冰的最基本特性是产生瞬时高幅值脉冲电流。线圈的形状参数决定了脉冲电流的特性,故电磁脉冲除冰系统的关键是线圈参数设计。除冰目标需要的脉冲电流大小由除冰目标的结构特性决定,因此测量与确定电磁脉冲的电动力是研制和优化装置设计的关键18。使用图 5 的冲击摆测量冲击摆的摆角,根据冲击摆角可确定脉冲线圈所产生SDCmaxXOOdUS-供电电源C-电容器D-二极管X-脉冲线圈d-间隙O-目标物max-最大摆动角U-旋转编码器图 5 脉冲线圈冲量测试的冲击
18、摆第50卷第3期黄欢,等:架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化139电磁脉冲力的冲量大小,从而确定电磁脉冲除冰装置的参数。由文献7可知,电磁脉冲力是一个中心向四周减小的瞬时力,对此时受到脉冲力的冲击摆进行受力分析,以摆作为研究对象,得到如图 6 所示分析图。对 F1进行简化,可以用一个 F2进行替代,得到简化后的受力,其中F1为电磁脉冲力,F2为脉冲总力。转轴摆杆铝板绝缘板L1F1F2L2ABmaxA图 6 冲击摆测脉冲力冲量原理图对图 6 中,点 A 做动量矩定律,并对整体做能量守恒定律,可得:I=2m总gL2(1cosmax)J总L1(1)式中:I脉冲力冲量,Ns;L1绝缘板和铝板的质点到转轴
19、圆心的距离,m;J总摆锤的转动惯量,由目标物、绝缘板、摆杆和转轴的转动惯量组成,kgm2;g重力加速度为 9.8m/s2;L2摆锤整体质心到转轴圆心的距离,m;max摆锤摆动的最大角度,();m总摆锤的总质量,由目标物、绝缘板、摆杆和转轴的质量组成,kg。根据图 4 左侧所示实物的实际尺寸,可以计算得 L1=0.29 m、J总=0.0466 kgm2、m总=1.18 kg、L2=0.1m,由冲击摆试验中的编码器测量摆动角度 代入式(1)可以得到电磁脉冲冲量 I。3 线圈参数设计与优化3.1 脉冲线圈本文中采用线径为 0.9mm 漆包线来绕制脉冲线圈,采用同心单层饼式结构绕制。为了比较脉冲线圈匝
20、数对脉冲力的影响,分别制作了 30、40、50、60、70 匝的脉冲线圈,将线圈粘接在 FR-4 环氧槽内、正面通过绝缘层隔离,如图 7 所示。表 1 是所绕制线圈的基本参数,用阻抗分析仪在 5kHz 频率下测得发现,脉冲线圈的电感随着线圈匝数的增多而增大,相应在除冰目标物上感应的涡流值也大,故而,在相同脉冲电压和储能电容条件下产生的脉冲力更大。(a)30 匝线圈正面(b)30 匝线圈背面图 7 电磁脉冲除冰线圈表 1 脉冲线圈参数匝数/匝直径/mm电感/H电阻/30633.80.5640845.30.7350947.61.066011011.61.597013214.92.18图 8 是电磁
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