±800 kV直流同塔雙回輸電線路霧霾天氣下電暈電場(chǎng)效應(yīng)研究

楊金洪，孫東磊，楊 娜，冀 君

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250021）

±800 kV直流同塔雙回輸電線路霧霾天氣下電暈電場(chǎng)效應(yīng)研究

楊金洪1，孫東磊2，楊 娜1，冀 君1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250021）

考慮不同濕度和不同污染等級(jí)霧霾狀況，結(jié)合起暈的濕度效應(yīng)和懸浮微粒的荷電機(jī)理，采用有限元方法計(jì)算±800 kV同塔雙回UHVDC輸電線路的電暈電場(chǎng)效應(yīng)，得到了霧霾天不同的線路排布方式和線路布局參數(shù)下的地面合成電場(chǎng)和離子流密度變化規(guī)律，并進(jìn)行了相應(yīng)機(jī)理分析。為分析霧霾對(duì)同塔雙回UHVDC輸電線路電暈電場(chǎng)特性影響以及考慮霧霾天的同塔雙回UHVDC輸電線路參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

特高壓直流輸電線路；電暈電場(chǎng)效應(yīng)；同塔雙回；合成電場(chǎng)；霧霾

0 引言

我國(guó)已建成了同塔雙回緊湊型交流輸電線路［1］和±500 kV同塔雙回直流輸電線路［2］，在優(yōu)化資源配置和節(jié)省輸電走廊方面取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，特高壓直流（UHVDC）輸電已成為我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和特高壓交直流電網(wǎng)建設(shè)的重要部分［3］，且同塔架設(shè)的高壓直流輸電線路適合我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展需求，±800 kV特高壓直流輸電工程也成必然發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壓直流線路電暈離子流場(chǎng)（簡(jiǎn)稱離子流場(chǎng)）的研究較為全面［4-8］，但是對(duì)于考慮霧霾影響時(shí)的離子流場(chǎng)分析尚未見報(bào)道。

隨著電壓等級(jí)的提高，導(dǎo)線表面空氣更易電離而形成電暈。電暈是造成直流輸電線路周圍電磁環(huán)境問題的關(guān)鍵因素，其中又以電暈的電場(chǎng)效應(yīng)最為突出，其他電磁環(huán)境參數(shù)及電暈損耗等均以電場(chǎng)分析為基礎(chǔ)［9］。特高壓線路是由電場(chǎng)限值等參數(shù)決定特高壓輸電線路的導(dǎo)線排布方式、對(duì)地高度、導(dǎo)線參數(shù)等［9-11］，且電暈發(fā)生的劇烈程度與天氣條件密切相關(guān)［12-13］。霧霾是一種污染天氣現(xiàn)象，是隨著大氣細(xì)微顆粒物PM2.5（粒徑小于2.5 μm的顆粒物）的提出而定義的。霧霾具有不同的濕度特征，且其不同污染等級(jí)所含的懸浮微粒數(shù)也不同［14-15］，這將導(dǎo)致該類天氣下的電場(chǎng)效應(yīng)機(jī)理分析更加復(fù)雜。因此，在霧霾頻繁持續(xù)發(fā)生的現(xiàn)狀下，研究UHVDC輸電線路電暈電場(chǎng)效應(yīng)在霧霾天的機(jī)理特性具有現(xiàn)實(shí)需求性。

為此，結(jié)合霧霾濕度和顆粒荷電特性，分析導(dǎo)線表面起暈機(jī)理，使用有限元數(shù)值仿真方法［16］計(jì)算研究霧霾天氣下±800 kV同塔雙回UHVDC輸電線路電暈電場(chǎng)特性，得到各類霧霾污染狀況下不同的導(dǎo)線排布、線路布置和線路參數(shù)選擇時(shí)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和離子流場(chǎng)的變化情況，為霧霾天氣下的特高壓同塔雙回直流輸電線路工程電場(chǎng)分析提供理論依據(jù)。

1 線路布局方式和電磁環(huán)境限值

1.1 ±800 kV雙回直流輸電線路排布方式

對(duì)于雙回直流輸電線路，其4個(gè)極性可能的排布方式有8種［9］，分為上下排布方式（有同回同側(cè)與同回異側(cè)布置）和水平鋪開方式。對(duì)于不同的排列方式，極導(dǎo)線之間的相互位置不同，不同排列方式下導(dǎo)線間相互影響的程度不同，這導(dǎo)致導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度也有差異，進(jìn)而導(dǎo)致線路在電暈特性方面的不同。通常，基于以下幾方面因素選擇導(dǎo)線排布方式。

1）工程中一般認(rèn)為正負(fù)極導(dǎo)線的起暈參數(shù)和正負(fù)離子遷移率基本相同，且不受極導(dǎo)線布置方式的影響；

2）同極性導(dǎo)線距離較近時(shí)，相互屏蔽作用可以改善線路電磁環(huán)境；

3）正極性導(dǎo)線集中布置且靠近地面時(shí)將造成無線電干擾和可聽噪聲較大；

4）線路水平鋪展方式線路走廊寬度較大，不利于節(jié)省土地資源；

5）工程上一般不建議采用同回同側(cè)排列方式［9，17］。

基于以上考慮，將圖1所示的兩種雙回直流線路雙層布置方式作為本文研究對(duì)象。

圖1 極導(dǎo)線排布示意

1.2 導(dǎo)線和地線參數(shù)

±800 kV特高壓同塔雙回直流輸電線路布置形式如圖2所示，其中，D1為上層極間距離，D2為下層極間距離，D3為地線之間的距離，h1為上下層導(dǎo)線間的距離，S1、S2和S3分別為下層極導(dǎo)線、上層極導(dǎo)線和地線離地高度。

圖2 同塔雙回線路布局示意

工程實(shí)際中，導(dǎo)線通常采用6分裂形式，分裂間距為450 mm，兩回路導(dǎo)線相同，導(dǎo)線可選參數(shù)如表1所示，地線參數(shù)選擇如表2所示。

表1 導(dǎo)線參數(shù)

表2 地線參數(shù)

1.3 UHVDC輸電線路電暈電場(chǎng)效應(yīng)

線路正常運(yùn)行時(shí)，若表面電場(chǎng)高于電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，附近的空氣發(fā)生電離并形成電暈，周圍空間存在正、負(fù)離子，當(dāng)區(qū)域附近存在其他顆粒物的分布時(shí)，經(jīng)相互作用將會(huì)形成新的穩(wěn)定離子流場(chǎng)。電暈電場(chǎng)效應(yīng)主要表現(xiàn)為標(biāo)稱電場(chǎng)、地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度，我國(guó)對(duì)電磁環(huán)境的限值是針對(duì)后兩個(gè)量的最大值設(shè)定的。粒子間相互作用會(huì)影響電暈起始特性，顆粒會(huì)吸附離子而荷電，在空間形成新的帶電微粒，這些導(dǎo)致離子流場(chǎng)（即電場(chǎng)效應(yīng)）機(jī)理更加復(fù)雜。

地面合成場(chǎng)強(qiáng)是由線路本身結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)以及電暈放電共同決定的，是標(biāo)稱電場(chǎng)和空間帶電離子電場(chǎng)的向量疊加。離子流密度由空間電荷在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)而形成的。依據(jù)我國(guó)特高壓直流輸電線路技術(shù)規(guī)范［11］的控制指標(biāo)，表3為地面合成電場(chǎng)和離子流密度限值。已有研究［20］指出，單回線路對(duì)地高度是影響高壓直流輸電線路電暈電場(chǎng)效應(yīng)的主要因素，故分析同塔雙回線路布局參數(shù)在霧霾天對(duì)電暈電場(chǎng)效應(yīng)的影響。

表3 電暈電場(chǎng)效應(yīng)限值

2 計(jì)算原理

2.1 霧霾及其污染等級(jí)的劃分

2.1.1 霧霾及其濕度特性

霧霾為氣體和細(xì)微顆粒物的混合氣溶膠［15］，霧霾微?？梢暈闅怏w、懸浮霧滴微粒和細(xì)微懸浮固體顆粒物（霾粒子）的混合。另考慮到濕度對(duì)于細(xì)微粒子氣溶膠的形成和空氣污染的集聚有很大影響，使用圖3所示的基于濕度的模型對(duì)霧和霾進(jìn)行劃分［14］，相對(duì)濕度范圍為50%～100%。

圖3 霧與霾區(qū)分的概念模型

2.1.2 霧霾污染等級(jí)的劃分和懸浮微粒荷電

依據(jù)我國(guó)對(duì)霧霾的研究資料［14-15］并結(jié)合圖3，對(duì)霧霾污染等級(jí)及相應(yīng)的懸浮霾粒子與霧滴進(jìn)行分類和微粒個(gè)數(shù)濃度計(jì)算，如表4和表5所示。本文中2級(jí)及以下污染等級(jí)視為正常天氣狀況。

表4 霧霾污染等級(jí)與API指數(shù)

表5 不同霧霾污狀況的濕度取值

霧霾中的懸浮霧滴和懸浮霾粒子在與離子相互作用的過程中迅速荷電，通常，各微粒的飽和電量qs可表示為

式中：Es為所在位置的合成電場(chǎng)；r0為顆粒半徑；εr為粒子相對(duì)介電常數(shù)，已有研究認(rèn)為參數(shù)εr／（εr+2）一般在0.5～1的范圍內(nèi)變化［22］，不失研究的合理性，同時(shí)為了突出霾粒子荷電效應(yīng)，霧霾天氣下，對(duì)于懸浮霧滴，εr／（εr+2）取保守值（即霧滴最低飽和荷電時(shí)的值）0.5，而對(duì)于懸浮霾粒子，其介電常數(shù)與霧水電導(dǎo)率存在相關(guān)性，依據(jù)輸變電設(shè)備外絕緣表面霧水電導(dǎo)率的相關(guān)研究，將εr／（εr+2）近似取值為0.9。

基于以上分析所求得的顆粒荷電量作為源項(xiàng)（激勵(lì)項(xiàng)）參與離子流場(chǎng)計(jì)算。

2.2 雙回直流輸電線路電暈離子流場(chǎng)的計(jì)算

2.2.1 霧霾條件下離子流場(chǎng)的基本控制方程

霧霾微粒對(duì)氣體放電過程造成影響可歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是霧的作用，體現(xiàn)為濕度改變帶電粒子在電場(chǎng)中的行為，從而影響電暈起暈特性；二是霧滴和霾粒子的荷電作用，懸浮細(xì)顆粒物在和離子相互作用的過程中吸附離子，形成新的懸浮帶電微粒。此外，霧霾天氣發(fā)生時(shí)多伴隨靜穩(wěn)天氣，由此可忽略風(fēng)速的影響。計(jì)算中忽略擴(kuò)散電流和數(shù)量極少的游離態(tài)電子的作用。霧霾天高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的基本控制方程表示如下。

泊松方程

電流連續(xù)性方程

其中，

式中：φ為電勢(shì)，V；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V／m；ρ為空間電荷密度，C／m3，將受到荷電微粒影響而發(fā)生改變，計(jì)算中應(yīng)予以修正；ε0為空氣的介電常數(shù)，F(xiàn)／m；J為離子流密度，A／m2；k為霧霾天氣中的離子遷移率，m2／Vs；V為帶電懸浮微粒的移動(dòng)的速率，m／s，一般可有帶電微粒受力性質(zhì)決定［12］。

基于以下假設(shè)，使用有限元法［23］對(duì)式（1）～（5）進(jìn)行求解：

1）電暈層的厚度忽略不計(jì)；

2）考慮懸浮微粒場(chǎng)致荷電效應(yīng)，不考慮離子擴(kuò)散；

3）桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)離子的影響不考慮，正負(fù)離子遷移率恒定。

2.2.2 霧霾條件下導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)

考慮到懸浮剛性霾顆粒與輸電線路表面作用的過程性和微觀運(yùn)動(dòng)機(jī)理，導(dǎo)線在霧霾天氣持續(xù)過程中，積污量變化微小可忽略不計(jì)。另外，起暈過程的分析中，不計(jì)及導(dǎo)線表面凝露或水滴，只考慮因水氣微粒所致的電暈放電起始場(chǎng)強(qiáng)降低［24］。因此對(duì)于不同濕度條件下的霧霾電暈起暈計(jì)算使用文獻(xiàn)［24］中計(jì)及濕度的正負(fù)起暈修正公式，正負(fù)極起暈參數(shù)（Ec+-）基本相同，故取其平均值，即

其中，

其中，Φsur為影響因子，可表示為

式中：E0和K為常數(shù)，由干燥光滑導(dǎo)線表面所加電壓特性決定；Ec為導(dǎo)線表面起暈場(chǎng)強(qiáng)；m為導(dǎo)線粗糙度系數(shù)；δ為空氣相對(duì)密度；r為導(dǎo)線的半徑；H為環(huán)境的相對(duì)濕度；Pw為飽和水蒸汽分壓；P為濕空氣壓強(qiáng)。

3 不同線路排布方式的電暈電場(chǎng)效應(yīng)

考慮圖1所示同塔雙回線路的兩種排布方式，以導(dǎo)線LGJ630／45為例進(jìn)行分析，其中參數(shù)設(shè)置為：D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m［9］。計(jì)算不同霧霾污染等級(jí)下各線路排布方式的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度最大值變化如表6所示。

表6 不同霧霾污染等級(jí)下的各排布方式線路的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度

由表6可知，霧霾污染程度在4級(jí)及以下時(shí)，線路排布方式a和b的地面合成場(chǎng)強(qiáng)近似相等，污染程度加重時(shí)排布方式b地面合成場(chǎng)強(qiáng)大于方式a；兩種布置方式下離子流密度較接近。究其原因，一方面是排列方式a的同極性導(dǎo)線較排列方式b集中，懸浮霧霾微粒荷同種極性電荷的概率較大，增加了電暈電場(chǎng)效應(yīng)；另一方面，排列方式a由于不同回路同極性導(dǎo)線之間強(qiáng)的互相屏蔽作用會(huì)改善電場(chǎng)環(huán)境，故隨著霧霾污染加劇，排列方式b的地面合成場(chǎng)強(qiáng)大于排列方式a。

4 不同線路設(shè)計(jì)參數(shù)的電暈電場(chǎng)效應(yīng)分析

不計(jì)塔形變化和導(dǎo)線弧垂，固定D3和S3（見圖2的地線布置）的值，以導(dǎo)線排布方式a為例，研究包括導(dǎo)線型號(hào)、線路最小對(duì)地高度、極間距離以及回路間距等在不同污染狀況的霧霾天對(duì)雙回直流線路電暈電場(chǎng)特性的影響。

4.1 不同型號(hào)導(dǎo)線的電暈電場(chǎng)特性分析

以D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m為例，各導(dǎo)線型號(hào)如表1所示，不同污染等級(jí)下電暈電場(chǎng)特性值如表7和表8所示。

結(jié)合表1、表7和表8的結(jié)果可得：同等霧霾污染狀況下，導(dǎo)線半徑越大，地面合成電場(chǎng)和離子流密度越?。煌N類型的導(dǎo)線，隨著霧霾污染等級(jí)增加，地面合成電場(chǎng)和離子流密度也隨之增大，且增加的幅度變大。可見，大截面導(dǎo)體有利于改善重霧霾天直流線路的電暈電場(chǎng)特性。但需注意的是，當(dāng)霧霾達(dá)到6級(jí)污染時(shí)，電場(chǎng)效應(yīng)又有增強(qiáng)趨勢(shì)（見括號(hào)中的值），因此工程中同塔雙回導(dǎo)線的外徑也不宜選擇過大。

表7 霧霾天不同型號(hào)導(dǎo)線的地面合成電場(chǎng)

表8 霧霾天不同型號(hào)導(dǎo)線的地面離子流密度

4.2 線路間距對(duì)電暈電場(chǎng)特性的影響

在直流雙回線路上下層布置時(shí)，線路間距分為回線垂直間距和水平極間距離，極導(dǎo)線的間距影響導(dǎo)線之間相互作用。不同污染狀況的霧霾天氣，以導(dǎo)線LGJ-630／45為例，兩回線間距h1為2 m、5 m、7 m（如 （21，23）表示回間距為2 m），D1=D2=22 m不變時(shí)，電暈電場(chǎng)特性值如表9所示；線路水平極間距D1（或D2）分別為18 m、22 m、26 m、30 m（如（-9，9）表示極間距為18 m），h1=2 m不變時(shí)，電暈電場(chǎng)特性值如表9和表10所示。

表9 霧霾天氣下線路間距不同時(shí)的地面合成電場(chǎng)

表10 霧霾天氣下線路間距不同時(shí)的地面離子流密度

由表9和表10可知，同塔雙回線路之間的距離一定時(shí)，霧霾污染等級(jí)越高，地面合成電場(chǎng)和離子流密度值越大，且霧霾污染達(dá)5～6級(jí)時(shí)兩者的增大幅度比同樣霧霾天氣下隨著回線間距增加的明顯。由此說明在重霧霾天氣下回線間距越小越好；回路的極導(dǎo)線間距一定時(shí)，霧霾污染等級(jí)越高，地面合成電場(chǎng)和離子流密度值也越大，即使其增值可以通過增大極間距補(bǔ)償一部分，但滿足5～6級(jí)重霧霾條件下電暈電場(chǎng)特性的極間距會(huì)過大而不利于節(jié)省走廊寬度，故不能只通過調(diào)整極間距而完全補(bǔ)償霧霾帶來的影響。

4.3 線路最小對(duì)地高度對(duì)電暈電場(chǎng)特性的影響

若不計(jì)導(dǎo)線弧垂，線路最小對(duì)地高度為下層回線的對(duì)地高度（即圖2中的S1）。以導(dǎo)線LGJ-630／45，D1=D2=22 m，h1=2 m為例，S1取18 m、20 m、22 m和24 m時(shí)的電暈電場(chǎng)效應(yīng)值如表11和表12所示。

表11 霧霾天不同對(duì)地高度的地面合成電場(chǎng)

表12 霧霾天不同對(duì)地高度的地面離子流密度

由表11和表12可知，同一對(duì)地高度，隨著霧霾污染等級(jí)增加，合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度逐漸增大；同一霧霾污染等級(jí)下，隨著導(dǎo)線距離地面高度增加，合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度迅速增大，即使在6級(jí)污染程度下，最小對(duì)地高度僅增加2～4 m即可使電暈電場(chǎng)特性值在表3規(guī)定的范圍內(nèi)?？梢姰?dāng)導(dǎo)線最小對(duì)地高度不同時(shí)，其對(duì)電暈電場(chǎng)特性的影響大于霧霾污染的影響而成為主導(dǎo)因素。故可通過適當(dāng)提高線路高度來克服霧霾天氣下的電場(chǎng)特性畸變。

5 結(jié)語

同塔雙回UHVDC輸電線路的排布方式在4級(jí)及以下污染程度的霧霾天氣中，電暈電場(chǎng)特性差別不明顯。而隨著霧霾污染程度加劇，同極同側(cè)雙層布置的線路對(duì)于抑制地面電場(chǎng)特性的變化優(yōu)勢(shì)更為明顯。

同塔雙回各極導(dǎo)線選擇大截面導(dǎo)體有利于改善重霧霾天直流線路的電暈電場(chǎng)特性，但在霧霾污染達(dá)6級(jí)時(shí)，電場(chǎng)效應(yīng)又表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)，故實(shí)際工程中導(dǎo)線的外徑不宜選擇過大。

雙回線路回線間距增大不利于克服重霧霾天氣對(duì)電暈電場(chǎng)效應(yīng)造成的影響，因此回線間距應(yīng)越小越好；而極間距的增加可在一定程度上補(bǔ)償霧霾天氣對(duì)電暈電場(chǎng)效應(yīng)造成的影響，但從節(jié)省線路走廊的角度來考慮，極間距又不宜過大。

導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)電暈電場(chǎng)特性的影響顯著大于霧霾污染程度的影響，線路最小對(duì)地高度的增加能夠有效克服霧霾天氣下電暈電場(chǎng)特性值的增加。

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Research on Corona Electrical Field Effect of±800 kV DC Double-circuit Transmission Lines on the Same Tower in Haze Weather

YANG Jinhong1，SUN Donglei2，YANG Na1，JI Jun1
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.Economic&Technology Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 25002l，China）

With the consideration of different kinds of haze，various humidity and pollution levels，as well as the influence of humidity and charging effect on corona inception，the corona electric field of±800 kV double-circuit ultra-high voltage direct current（UHVDC）transmission lines on the same tower is calculated with a finite element method（FEM）.Total ground-level electric fields and ion-flow densities for different kinds of conductor arrangement under fog-haze condition are presented，which followed by the results analysis from a physical point of view.This study would provide references for the influence analysis of hazy weather on field characteristics of UHVDC transmission lines on the same tower as well as the parameters design of UHVDC transmission lines under fog-haze weather.

UHVDCtransmissionlines；coronaelectricfieldeffect；double-circuitonthesametower；totalelectricfield；fog-haze

TM721.1

A

1007－9904（2017）02－0001－06

2016-11-02

楊金洪（1991），女，從事高壓直流輸電電暈放電領(lǐng)域的研究工作。