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【摘要】提出一种新的传输电能的系统，即长距离磁路传输电能系统，长距离磁路是指距离在400km以上的闭合磁路。通过磁路分析的第一类方法及第二类方法对该系统的磁路结构及系统参数进行了分析，验证了该新的系统的合理性，为电能传输方式提供新的思路并进行了有益的探索。但还有诸如恒定磁场如何取电的问题有待进一步研究。
【关键词】长距离磁路;线路走廊;导磁材料;漏磁
Long Distance Magnetic Path System for Transmission of Electric Power
Li yu
（Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering Taiyuan 030009 China）
Abstract：Put forward a new system of power transmission，namely the long magnetic trans-mission electric power system，long distance circuit refers to a closed magnetic circuit distance ab-ove 400km.The first method by analysis of magnetic circuit to analyze the magnetic circuit structureand system parameters of the system，to verify the rationality of the new system for power trans-mission mode，to provide new ideas and has carried on the beneficial exploration.But there ar-e problems such as the constant magnetic field to take power requires further study.
keywords：long distance magnetic path;power line corridors;magnetic materials;Magnetic flux leakage
1.引言
现在无论是交流输电，还是直流输电，总的趋势是输电电压等级越来越高;目前各国对导线传输电能的研究重点集中在高压交流电网或高压直流电网，最高电压等级达到1500kV[1]。交流输电由来已久，交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，为了解决交流输电电阻的损耗，采用高压、超高压甚至特高压输电来减小电流从而减少损耗。但是交流电感损耗不能减小。因此交流输电不能做太远距离输电。如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上。此外，交流输电并网还要考虑相位的一致，如果相位不一致两组发电机并网会互相抵消。
直流输电是电能系统中近年来迅速发展的一项新技术。直流输电克服了交流输电中电感的损耗，而只产生导线电阻的损耗。本文首先对高压输电的问题进行分析，在此基础上提出了长距离磁路传输电能系统并且对磁路进行了分析。
2.高压输电的突出问题[2]
2.1 电磁感应的影响
输电线路的工频电磁场和电晕放电引起高频电磁场，当其强度超过一定限度、作用时间足够长时，就可能危及人体健康，轻则头痛、疲倦，重则中枢神经系统功能障碍。这种电磁场还会对电视、通信设备和其他电子设备产生干扰。
2.2 静电感应的影响
输电线路下方或附近，存在对地绝缘的导电物体时，输电线路将通过该物体的耦合电容，在该物体上感应出电压，如将该物体接地，则有持续的工频电流流入大地，这种静电感应的直接后果是可能导致电击。如在电场中处于地电位的人接触对地绝缘的导体或对地绝缘的人接触接地的导体时，都可能遭到电击。
2.3 噪声
输电线路和变电设备运行时因电晕放电而产生噪声，并随电压的提高而增大。所产生的噪声可以分为两类，一是无规则的宽频噪声，另一是嗡嗡的效应声。输电线路电晕噪声与天气关系密切，在雨、雾、雪天，无规则噪声大。输电线路还有风引起的噪声、嗡嗡交流声等。
2.4 线路走廊占地
从人的生命财产安全和输电线路运行安全的考虑，线路电场强度和磁场强度应符合相关要求情况，划定安全区域。输电线路走廊指架空电力线路保护区，它是导线边线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域，在一般地区10kV～500kV电压导线的边线延伸距离为5m～20m。
本文提出的长距离磁路传输电能系统（Long Distance Magnetic Path System for Transmission of Electric Power）是指发电厂将天然的一次能源转变成电能，然后在发电厂就地将电能转变成磁能，通过磁路将磁能传输至用户，在用户端再将磁能转变成电能，通过配电变压器将电能分配至各具体用户。
该种传输方式的优点是无高压输电的一切防护措施，而此项措施在现代电力传输系统中无论从设备上还是从经济上来说，所占比重都是较为可观的;磁路传输电能，可以如直流输电那样，方便并网，采用恒定磁场传输磁通，无涡流损耗及磁滞损耗，磁路屏蔽可以采用抗磁性强的金属，漏磁更小，磁路入地相对传统高压导线系统可节省大量线路走廊，亦没有高压防护装置的大量投入，运行维护费用低，不会雷电而导致停电事故。
3.系统方案
3.1 独立发电厂的LDMPSTEP结构
独立发电厂的LDMPSTEP是指由单独一个发电厂向系统激磁。其结构如图1所示。
图1 单电厂长距离磁路传输电能系统结构图
Fig.1 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for one power station
图1中，1-直流发电机;2-励磁装置;3-磁路开关装置;4-取电装置;5-磁路。
由一个发电厂向系统提供电能，无并网的发电厂，其中磁路3并行入地布置，其间距离5m以上。磁路3采用抗磁性物质作为防护套。励磁装置可曲折形布置，考虑到平行磁路之间的漏磁问题，磁路由电厂引出时，两平行磁路之间距离尽量大，至少10米以上，可以铺设在道路两边地下两米。
磁路开关装置4设置在磁路3的主干路上，用于切断磁路，进行检修或维护。感应取电装置包括取电磁芯7和感应线圈8;输出端6是指设置在用户端的交流输出端。
3.2 具多个发电厂并网的LDMPSTEP结构
具有多个发电厂并网的LDMPSTEP是指系统由多个发电厂向系统激磁，其结构如图2所示。
图2 多个发电厂并网的LDMPSTEP结构图
Fig.2 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for power stations
多个发电厂并网，只需要控制磁路内的磁感应强度在所需要的数值范围内即可，无需考虑相位问题。
3.3 具有多个发电厂并网且有支路的LDMPSTEP结构
具有多个发电厂并网且有支路的LDMPSTEP在磁路开关装置3之前由两个或两个以上发电厂向磁路系统提供磁能，在磁路开关装置3之后磁路设置分支磁路向两个或两个以上区域用户提供电能。
图3 多个发电厂并网且有支路的LDMPSTEP结构图
Fig.2 A long distance magnetic path system for Transmission of Electric Power for power stations
各支路磁路内的总磁通总和等于各并网发电厂提供的磁能总和。
4.磁路分析
4.1 导磁材料的选用
磁路材料，常用的有热轧硅钢[3]、非晶合金、冷轧晶粒取向硅钢、冷轧晶粒无取向硅钢，交变磁场中导磁材料通常选用的是铁硅系合金，含硅量0.5%～4.8%，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。
从导磁性能的角度来分析，纯铁导磁性能最好，其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好;但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用。本系统中磁场为恒定磁场，因此，选用纯铁作为导磁材料。矽钢片中加硅是为了增加电阻，减小涡流损耗，恒定磁场没有涡流损耗，所以无需加硅。因此导磁材料柔韧性较大，可制成多股丝状，容易弯曲。
4.2 磁路系统主磁通的定性分析
采用第一类磁路分析法，对磁路系统进行分析，第一类磁路分析法是指已知要求的磁通Φ求所需的磁动势IN，第一类磁路分析法步骤可简述如下：已知Φ，B=Φ/S（查B-H曲线）得出H→Hl;磁场的饱和程度越高，导磁率越低，漏磁越大。因为铁磁材料束缚磁力线的能力下降，漏磁就越容易发生。取B=0.9T，则H为100A/m，若匝数取3000匝，磁路长度200Km，则激磁电流为I=100×400000/3000=13333A，取磁路截面S为0.1963m2，相当于直径为0.5m的柱状磁路。按电流密度取4.5A/mm2，采用低电压大电流的激磁绕组，绝缘距离较小，占地面积约为900m2。
再采用第二类分析法进行验证，第二类磁路分析法是指已知磁动势F求所能产生的磁通量Φ，l表示由纯铁构成的磁路的平均长度，单位是米;μ表示纯铁的磁导率，由第一类分析中得到的H为100A/m，计算得μ=B/H =0.9T/100A/m=0.009;
纯铁的磁阻为Rm=l/μS （1）
式（1）中：Rm表示纯铁磁阻;
Φ=F/Rm （2）
B=Φ/S （3）
F=IN （4）
所以B= INμ/l （5）
将I=13333A，N=3000匝，μ=0.009，l=400000m，代入（5）式得：
B=13333×3000×0.009/400000=0.9T，与第一类分析法结果吻合。
4.3 磁路系统漏磁通定性分析
由于本文所述的长距离磁路传输电能系统采用的是恒定磁场，且磁路是闭合的，根据磁阻最小原理磁力线被导磁率较高的导磁材料约束在磁路中，因此，漏磁所占比例较小，本文将其忽略不计。
5.结论
经理论分析并验证，LDMPSTE（本系统已申请国家发明专利，申请号201310616929.2）的结构与系统参数均在合理范围内，其与传统导线传输电能的系统相比，具有明显的优势，无高电压的一切防护措施，而此项措施在现代电力传输系统中无论从设备上还是从经济上来说，所占比重都是较为可观的;磁路传输电力，可以如直流输电那样，方便并网。采用恒定磁场传输磁能，无涡流损耗及磁滞损耗，磁路屏蔽可以采用抗磁性强的金属，漏磁更小，磁路入地相对传统高压导线系统可节省大量线路走廊，亦没有高压防护装置的大量投入，运行维护费用低，不会因雷电而导致停电事故。
参考文献
[1]舒印彪，胡毅.交流特高压输电线路关键技术的研究及应用[J].中国电机工程学报，2007（36）.
[2]舒印彪，张文亮.特高压输电若干关键技术研究[J].中国电机工程学报，2007（31）.
[3]刘洋，张艳丽，谢德馨.考虑硅钢片二维矢量磁特性的复数E&S模型[J].中国电机工程学报，2012（3）.
作者简介：李豫（1960—），男，高级工程师，现供职于山西省机电设计研究院，研究方向：发输变电。