变频谐振融冰的探讨

杨 芳

（广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511518）

0 引 言

在冬季寒冷天气，输电线路上会出现覆冰，覆冰达到一定程度后易造成线路折断、杆塔倒塌等事故，给电网安全运行造成了严重不良影响。因此，许多学者提出了各种各样的融冰方法，如热力除冰法、机械除冰法和自然除冰法等。其中，应用最广泛的是热力除冰法。在热力除冰法中，直流短路融冰法和交流短路融冰法以其独特的优势得到了应用广泛。

交流电有“集肤”效应，覆冰正好在导线表面，故交流融冰发热效率高。但是，交流融冰线段的融冰距离取决于线路阻抗，而电力线路的阻抗大部分为线路感抗，因此可以在融冰回路中引入容抗，以降低线路总阻抗，从而延长融冰距离。谐振电路有此特点。早在2001年，美国Dartmouth学院的Charles R S等，从集肤效应和介质损耗的角度出发，提出了输电线路高频（8～200 kHz）交流融冰这一方法[1]。之后的几年也有了陆陆续续的研究，但受限于电力电子器件的开关频率，这些研究还停留于可行性分析阶段[2-3]。但是，随着近几年大功率电力电子器件的发展，国内外对于交流融冰的研究进入了快速发展阶段。

1 谐振现象

在由电阻、电感、电容组成的交流电路中，调节电源的频率或者阻抗的数值大小可以实现电路为纯阻性。电力系统中，当发生串联谐振时，由于电路阻值较小，因此串联谐振可能会出现高电压、大电流而烧坏用电设备。当电感与电容器件并联运行时，调节频率使得并联部分导纳为零，也就是说使并联部分的阻抗最大[4]，因而干路的电流会大大减小，但此时各个支路的电流会加大，威胁设备安全。

2 电力系统谐振简介

电力系统中，为了减小容性电流，常采用中性点经消弧线圈接地的方式，而消弧线圈可能会与电路中的电容发生谐振。通过调节电路中频率的大小可以使其处于过补偿或者欠补偿状态，从而可以调节阻抗大小，进一步调节融冰电流。利用谐振原理，设计了如图1所示的融冰电路图。

图1 融冰原理图

2.1 串联谐振发生的条件

一个串联电路中，要想发生谐振，需要满足一定的条件。如图2所示，当UL=UC即XL=XC时，电路呈现纯阻性。

由：

则谐振频率：

图2 RLC串联电路

2.2 串联谐振电路分析

图3 RLC串联谐振相量图

2.3 串联谐振时电路中的能量变化和电路的应用

当发生串联谐振时，电路中的阻抗最小，电感与电容相互抵消，对外呈现低阻抗，因此从电源端子看进去只有R起作用。因此，此时只有R从电源吸收能量。正常情况下，电力系统工作时应避免发生串联谐振，因为谐振过电压会破坏设备的绝缘。但是，在为变压器等电力设备做耐压试验时，常常会利用串联谐振这一方法产生交流高压，因为在较高直流电压下会形成空间电荷，可能会使设备出现击穿或沿界面滑闪现象。因此，耐压试验不准使用直流高压，而是将串联谐振应用在高电压技术中，从而产生工频高电压来检验设备中危险的集中性缺陷。此外，在无线电工程方面串联谐振也有广泛应用，如利用串联谐振获得较高的电压。

3 寻找串联谐振在交流融冰中的条件

为了实现融冰，需要调节融冰电流，从而有效融化冰。临界融冰电流工程计算如下：

式中，Ic为临界融冰电流，Ti为导线温度，Ta为环境温度，D为导线的外径。将实际情况下对应的已知条件代入式（5），即可求得临界融冰电流值。此外，由于外界因素的不确定性，如风速、温度等的变化，临界融冰电流的计算值也具有不确定性，仅可用于工程估计与参考。

串联谐振是总阻抗值最小，电源电压一定时电流最大，这可以应用于融冰技术，使交流融冰效果达到最佳[6]。但是，此时电路呈纯阻性，电容或电感上的电压可能会出现振荡，必须避免高于电源电压，降低“可能高于”的概率。若要利用串联谐振电路进行融冰，必须符合如下两个条件：

则线路串接电容为：

该电压大小不会损坏10 kV线路绝缘。

谐振在交流融冰中的应用实施，即当线路出现结冰时停运线路，接于变频电源，末端三相短路，调节电源频率，使之与固有的谐振频率相等，从而使回路中感抗与容抗大小相等，符号相反，回路发生谐振，阻抗最小，电流最大，融冰效果最好[8]。此外，一般情况下，交流融冰时由于电力电子器件的限制不会使用工频谐振融冰，而是会提高电源频率，在高频下实现谐振融冰。

在高频条件下实现谐振融冰有一系列优点。

（1）导体中通入交流电时会出现“集肤”效应，即电流会聚集在导体表面。当电流频率越高时，“集肤”效应越显著，导致电流通道“变窄”，相当于单位长度的导线电阻增大，从而在相同电流下产生更多热量，加速融冰。

（2）在工频条件下，一般认为冰是无损耗的电介质，但在2001年Dartmouth学院的Charles R S等提出冰在高频交变电场中会由于反复极化而产生电导效应和迟滞效应而发热，变为有损耗电介质，这部分热量也可以用来协助融冰。

4 结 论

变频谐振融冰是一种交流融冰。与直流融冰相比，不仅它的融冰距离与直流融冰一样，同时避免了直流融冰的一些缺点，如直流融冰电源造价昂贵、融冰时需全线停电。此外，变频谐振融冰具有交流融冰的所有优点，即交流电有“集肤”效应，覆冰正好在导线表面，故交流融冰发热效率高。“集肤”效应与频率有关，交流融冰可应用于地线融冰和OPGW光缆融冰。采用交流变频融冰可设置在谐振点融冰，以降低线路阻抗。由于交流电流频率越高，“集肤”效应越显著，为增强“集肤”效应可以适当提高谐振点频率。相对于普通的交流短路融冰，变频谐振融冰是三相同时融，没有停歇间隔时间，热累积效应大，融冰快，效果好。在工程实际中，变频谐振融冰的融冰电压可设置为0.4 kV，投资少，便利快捷，可实施精准融冰，能降低能耗，有较大的应用前景。