分裂导线电流转移智能防冰融冰方法研究与装置开发

摘要

国内外的历次冰灾证明，分裂导线输电线路覆冰后所造成的闪络、倒塔和断线等事故比单导线更为严重。虽然交、直流融冰方法的应用效果显著，可有效降低电网冰灾的风险，但这种方法在具体实施中需要停电，操作不便、设备笨重且成本较高，而长距离分裂导线输电线路对融冰电源容量的要求也更加苛刻。本论文提出了一种实时的、在线的防冰融冰方法，即分裂导线电流转移智能防冰融冰方法，并对其具体实施策略和负荷规律进行了研究，对应用该方法的智能防冰融冰装置进行了设计、制作和试验测试，论文的主要工作如下：
　　通过对电流转移智能防冰融冰基本原理和工作流程的分析讨论，确定了智能防冰融冰装置所包括的主要部件及其功能与联系，对智能防冰融冰装置进行了初步设计。通过电流转移防冰过程中子导线表面温度变化规律的分析，得到了子导线导通时间Δt的取值范围；由防冰初始温度T0的限制条件，得到了子导线导通数目m的取值范围；电流转移方法的防冰启动条件为导线表面温度持续下降至T0。以电流融冰临界状态的分析为根据，认为可使用等值覆冰厚度计算临界融冰电流；从最大融冰时间 tp对Δt的约束可以得到融冰临界负荷电流与m的取值范围。
　　以冬小方式下的临界负荷对湖南省500 kV和220 kV输电线路进行了潮流计算，根据计算结果对分裂导线电流转移方法对该地区的负荷要求进行了对比分析。在冬季小负荷极端情况下，湖南电网的大部分500 kV线路都可达到电流转移方法所要求的负荷水平。电流转移方法在采用四分裂或分裂数更高的线路上更能发挥优势。根据线路负荷情况对 tp和 T0进行选择，即可视具体要求在电流转移方法的适用范围与融冰效率或防冰动作频率间进行平衡，以冬季正常负荷与较大负荷下湖南省500 kV线路负荷电流为基础对此方法进行了分析。
　　对智能防冰融冰装置开关设备的永磁操动机构采用双稳态形式与合闸弹簧相配合的设计，满足了智能防冰融冰装置对合闸可靠性的要求。使用静、动态仿真的方法对永磁操动机构的静、动态特性与各部件尺寸进行了优化，所制作样机在保证通流与开断能力的情况下兼具了较小的体积、重量和能耗。所设计在线取能电源可输出最大12 W功率，实现了永磁操动机构以在线供能方式的可靠动作，同时还能满足控制模块及传感器的需求。
　　智能防冰融冰装置控制模块的两种工作模式都有相应软硬件的支持。提出了一种新的基于旋转基准导体的输电线路覆冰监测方法，在多功能人工气候试验室进行了试验验证：监测装置拉力传感器的测量值可较好的反映与基准导体适配导线的等值覆冰厚度，其融冰系统与电流转移融冰方法配合良好。
　　智能防冰融冰装置第一套样机在湖南小沙江自然灾害试验场的试验表明，总通流量2000 A时各监测点温度可保持稳定；总通流量为1000 A和1600 A时成功实现电流转移。第二套样机在雪峰山自然覆冰试验站的试验表明，装置以在线取能的方式在计算时间内通过电流转移成功地对四分裂导线进行了融冰。在前述各部件和样机试验基础之上，完成了智能防冰融冰装置第三套样机各具体细节的设计，其制作工艺与各方面性都有了进一步提高。

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1 绪 论

1.1 论文的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容

2 分裂导线电流转移智能防冰融冰方法

2.1 分裂导线电流转移智能防冰融冰的基本原理

2.2 分裂导线电流转移防冰策略分析

2.3 分裂导线电流转移融冰策略分析

2.4 分裂导线电流转移负荷规律分析

2.5 本章小结

3 基于在线取能的智能防冰融冰装置永磁开关

3.1 开断器件

3.2 操动机构

3.3 永磁操动机构的数学模型

3.4 智能防冰融冰装置永磁操动机构

3.5 智能防冰融冰装置在线取能电源

3.6 本章小结

4 智能防冰融冰装置的控制模块与覆冰监测传感器

4.1 智能防冰融冰装置的控制模块

4.2 基于旋转基准导体的输电线路等值覆冰厚度监测装置

4.3本章小结

5 四分裂导线智能防冰融冰装置样机制作和试验

5.1 四分裂导线智能防冰融冰装置的温升与电流转移性能试验

5.2 四分裂导线智能防冰融冰装置的电流转移融冰试验

5.3 四分裂导线智能防冰融冰装置样机的制作

5.4 本章小结

6 结 论

6.1 本文结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目