输电线路车载直流融冰装置设计与控制研究

输电线路车载直流融冰装置设计与控制研究

李刚

杭州洁电科技有限公司

摘要：随着我国社会经济的不断发展，各方面对于电力能源的需求也越来越大。但由于我国特殊的地理位置，我国在冬季时经常出现低温、冰冻的现象，给输电线路带来严重威胁。因此，对输电线路进行融冰是一种十分必要的措施。固定式直流融冰技术可以实现对输电线路的融冰，但其存在着一定的局限性。因此，本文设计了一种新型的车载直流融冰装置，并提出了其控制策略。

关键词：直流融冰；车载；控制策略

引言：目前，我国的输电线路主要有架空线路和电缆两种形式。其中，架空线路通常采用铝线、钢芯铝绞线或者钢丝芯导线来进行架设，其主要采用的是“T”字形或“十”字形。这类输电线路在冬季时，由于受到气温和温度的影响，常常会出现结冰现象。而对于架空线路来说，其主要采用的是圆弧形的导线或者钢芯铝绞线来进行架设。在输电线路中，经常会出现因覆冰而造成跳闸、断线等现象，这些现象严重影响着供电质量和用户的正常用电。因此，必须采取有效的措施来对输电线路进行融冰，保证输电线路的正常运行，避免发生此类现象。

一、装置系统组成

（一）车载直流融冰装置系统组成

该装置采用了三种运行模式，分别是融冰模式、融冰备用模式以及主备用模式。在融冰模式下，融冰装置的开关状态为常闭，而在融冰备用模式中，其开关状态则为常开。这种设计方案可以使融冰装置在发生故障时可以及时地切除故障电路，以保证整个系统的安全性与可靠性。同时，在主备用模式下，该装置能够根据对线路的实时监测与判断来自动进行切换。

（二）融冰控制系统

其中，数据采集部分主要是对各个模块的电压、电流以及温度等信息进行实时采集，并将这些数据信息通过 CAN总线发送给控制系统。在控制系统中，主要是通过 CAN总线来对各个模块的数据信息进行实时监控与分析。其中， CAN总线的主要功能就是实现各模块之间的信息交换，并使各个模块之间能够相互通信。在融冰装置控制系统中，主要包括了两个模块：主模块和从模块。其中，主模块的功能是对各个控制装置进行监控，并根据实际需要来控制各个融冰装置。在控制系统中，主要是对整个系统的各个模块进行协调管理，并确保整个系统的安全性与可靠性。同时，在主从控制模式中，还可以对整个融冰装置进行监控。

其中，在主电源部分中主要是对融冰装置进行供电；而在从电源部分中则是将融冰装置所需要的电能提供给融冰装置。

（四）蓄电池充电单元

该单元主要是用于对蓄电池进行充电和放电操作，其工作原理如下：当蓄电池组出现电压异常时，工作人员可以通过该单元对蓄电池进行充电操作。在放电过程中，可以通过该单元来对蓄电池进行放电操作。由于该单元具有一定的保护功能，因此在对蓄电池进行充电过程中，不会对蓄电池造成任何的影响。同时，该单元还可以与其他设备相连接，从而实现对整个装置的控制。而在充电过程中，蓄电池组内部所产生的电流也会被其所吸收，从而有效地降低了直流电的消耗。此外，当蓄电池需要进行放电操作时，工作人员也可以通过该单元来完成。

故障保护功能设计。在该装置中，当电路出现故障时，工作人员可以通过该单元来对故障部分进行隔离或者切除。此外，如果有高压线路出现故障时，该装置也能够进行自动切换操作。而在主备用模式中，当主电源出现故障时，该装置可以自动切换到备用电源模式进行工作；而在主从控制模式中，当线路出现故障时，该装置也能够通过主从控制模式来自动切换到从电源模式。

（五）人机交互系统

人机交互系统的主要功能是将融冰过程中所需要的各种参数信息实时显示出来，以供工作人员进行参考。而控制系统则是根据数据采集系统所提供的信息，对各个融冰装置进行控制操作，并通过显示系统来将整个融冰过程的各个状态信息显示出来。

在显示系统中，需要将各个融冰装置所需要的各种参数信息进行实时显示。而在显示屏中，可以通过键盘或者显示器来对各个参数进行操作。当融冰装置进行运行时，需要将各个参数的变化情况进行实时显示，以供工作人员参考。

二、主电路结构设计

该装置由整流、滤波、逆变和充电四个部分组成，其中整流部分是由单相逆变电路组成，实现了对整流管的控制；滤波部分是由电容和电感组成的，实现了对输出电流的控制；逆变部分则是由二极管和三极管组成，实现了对电压的控制；充电部分是由两个充电电路组成，一个为充电控制电路，另一个为蓄电池充电控制电路，实现了对蓄电池电压的控制。

在整流电路中，单相逆变电路主要完成了整流管的控制，同时还可以实现对输出电流和输出电压的控制；滤波电路则是用来降低整流后电流中的谐波含量，从而提高系统的稳定性；逆变部分则是用来将输入交流电变换为直流电；充电部分则是用来将蓄电池电量转化为直流电。在逆变与充电两个过程中，由于交流侧电流比较大，需要使用一个功率开关管。在蓄电池充电时，采用全桥逆变电路来进行操作。为了使系统能够实现快速切换，需要对三极管和二极管进行控制。

（一）整流电路

整流电路由整流管组成，整流管为可控硅元件，在整流过程中，主要控制其导通时间。在电压比较小时，可以使用单相全桥电路，在电压比较大时可以使用双相全桥电路。由于高压整流管的导通时间较长，因此为了能够使其能够实现快速开通，必须对其进行有效地控制。因此在控制策略上采用了基于数字脉冲宽度调制（digital pulse width modulation）的 PWM技术，它是一种利用脉冲宽度来控制晶闸管开关周期的方法。这种技术能够使得晶闸管在开通与关断过程中完全可控，而且不会出现电流脉冲过冲、电压尖峰以及波形畸变等问题。因此，在采用该技术对整流电路进行控制时，可以使开关周期完全可控。而且，由于其开关管不需要驱动信号，因此不会对其造成任何影响。在实际应用中，采用的是同步脉冲宽度调制（Synchronous Pulse Width modulation）。

（二）滤波电路

本设计中采用的是电抗器作为滤波电路。电抗器是一种电抗元件，是一种能够吸收或耗散各种形式的电流或电压的装置。它的主要作用是在电路中吸收或耗散某一种形式的电流或电压，同时也可以防止电路中某些元件承受过大的电压或电流而损坏。在电路中，如果采用电抗器，就可以将大电流或高电压进行吸收或耗散，从而起到保护电路或者是电路元件的作用。

根据相关文献资料，电抗器主要有两种类型：一种是直流电抗器，另一种则是交流电抗器。对于直流电抗器而言，在输入端会产生很大的电流，如果没有进行适当的处理就会造成很大的危害[1]。而对于交流电抗器而言，当输入端产生过大的电流时，可以进行一定程度上的吸收或耗散，从而起到保护电路或者是元件的作用。本文设计中采用了交流电抗器来完成对交流电的吸收和耗散。由于该装置所使用的是直流电源，因此直流电源输入端产生的直流电通常都比较小。通过这种方式，可以使该装置在运行过程中更稳定一些。

三、控制策略分析

本文设计的融冰装置，其主要功能是实现对输电线路的融冰。但是，由于输电线路具有一定的复杂性，而且也具有一定的局限性，因此，为了更好地实现融冰功能，需要对车载融冰装置进行合理的控制。本文设计了一种新型的车载融冰装置控制策略，其主要包括三个方面：首先，实现对融冰量的控制；其次，实现对直流电压的控制；最后，实现对功率开关管的控制。这三个方面相互关联、相互影响，只有同时进行才能更好地实现对融冰量的控制。

（一）实现对融冰量的控制

当对输电线路进行融冰时，首先需要对融冰量进行合理的控制。如果融冰量过小，则不能有效地将导线中的冰层融化；如果融冰量过大，则会造成严重的能源浪费，严重时还会造成线路短路事故[2]。因此，在对融冰量进行控制时，必须要根据融冰装置中各个模块之间的关系进行合理的控制。例如，如果融冰装置中的功率开关管出现故障时，则需要通过调节功率开关管得开断时间来对融冰装置进行控制。为了保证融冰量的合理控制，可以采用对融冰装置中各个模块的工作状态进行检测来实现对融冰量的控制。但是这种检测方式具有一定的局限性，因为其只能检测出系统中各个模块工作状态是否正常。

（二）实现对直流电压的控制

为了更好地实现对直流电压的控制，需要在车载融冰装置中安装一个功率开关管，其主要目的是实现对直流电压的控制。但是，由于直流电压具有一定的波动性，因此，在直流融冰装置中要想更好地实现对直流电压的控制，需要安装一个功率开关管。但是，功率开关管也具有一定的局限性，其不仅体积大、功耗高而且价格昂贵，因此在车载融冰装置中安装一个功率开关管并不能很好地实现对直流电压的控制。该控制策略的主要作用是实现对直流电压的控制，从而实现对融冰效果的有效提高。例如：在车载融冰装置中，功率开关管是整个装置中最重要的组成部分之一。如果功率开关管出现问题，则会直接影响整个装置的运行效果。因此，在功率开关管正常工作时，可以通过对电压进行控制来实现对功率开关管的有效控制。首先，需要通过对直流融冰装置中各个功能模块之间关系进行分析而实现对直流电压进行控制；其次，需要通过对功率开关管正常工作时各个功能模块之间关系进行分析而实现对功率开关管的有效控制；最后，通过对直流融冰装置中各个功能模块之间关系进行分析而实现对直流电压进行控制。

（三）实现对功率开关管的控制

功率开关管作为融冰装置的核心部分，其作用是控制整个融冰装置的运行。功率开关管的工作状态决定了整个融冰装置的运行状况。因此，要想实现对功率开关管的控制，需要对其工作状态进行合理地分析和判断。同时，还要根据功率开关管的工作状态来对融冰装置进行合理的控制。

首先，在融冰过程中，功率开关管要以最快的速度来进行闭合。如果功率开关管发生闭合不及时，就会影响整个融冰装置的运行状况，影响融冰量的控制和直流电压的控制。如果功率开关管能量过大，就会导致融冰装置的过电流现象出现。因此，需要合理控制功率开关管能量，避免过电流现象出现。如果时间过短就会影响融冰装置运行效果和效率。

结语：车载直流融冰装置的运行过程中，在线路故障发生后，会对输电线路进行一定程度上的融冰。该装置采用直流供电方式，可以在短时间内实现输电线路的融冰。通过对该装置进行深入分析后，可以发现其在运行过程中存在一定的缺陷。本文提出了一种新的控制策略，该策略能够有效解决直流融冰技术存在的问题，对提高输电线路融冰效果具有一定的促进作用，可在实际中进行推广。

参考文献：

[1]仲海波,陶佳,黄小成,徐文成.基于SVG的车载直流融冰装置的研究与应用[J].电工技术,2020(09):82-84.

[2]莫严君,苏文艳,黄润清,吴振,朱远.一起直流融冰装置过电压故障分析[J].湖南电力,2022,42(01):100-102+106.