輸電線路電暈特性影響因素研究現(xiàn)狀

張峻偉

(三峽大學(xué)新能源研究院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

電暈是特高壓輸電技術(shù)面臨的一個(gè)突出性問題。我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)分布不均衡這一基本國情決定采用特高壓直流輸電是解決能源分布的關(guān)鍵。我國電網(wǎng)的總體發(fā)展戰(zhàn)略是西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)。特高壓直流輸電工程有著交流輸電所不具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，線路損耗小，造價(jià)低，節(jié)省線路走廊;直流電纜輸送容量大;能有效的解決兩大交流電網(wǎng)之間的聯(lián)結(jié)問題等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大功率輸電。發(fā)展特高壓直流輸電，不可避免的會(huì)產(chǎn)生電暈。輸電線路電暈損耗不僅造成電暈損耗、影響輸電效率、增加線路運(yùn)行費(fèi)用，其產(chǎn)生的噪聲也會(huì)影響附近居民，還有可能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕及電暈舞動(dòng)，這些不僅僅是經(jīng)濟(jì)問題，處理不好更會(huì)對(duì)線路的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。輸電線路起暈電壓的影響因素包括大氣因素如溫度、濕度、氣壓、雨淞、海拔等，還包括導(dǎo)線半徑、架空高度以及單根導(dǎo)線的粗糙系數(shù)。國內(nèi)外對(duì)直流電暈特性影響因素的研究很多，對(duì)不同條件下導(dǎo)線起暈機(jī)理、起暈電壓、電暈損耗等方面進(jìn)行了研究，并取得了大量成果。但由于輸電線路受影響的綜合因素比較復(fù)雜，國內(nèi)外對(duì)特高壓下輸電線路的電暈特性尚無確切的研究結(jié)果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上通過觀測(cè)電暈放電的各種現(xiàn)象，闡述電暈放電的產(chǎn)生機(jī)理和起暈電壓的計(jì)算方法。綜合分析展示各種因素對(duì)輸電線路對(duì)起暈電壓的影響。最后提出尚待解決的問題和研究方向，為輸電線路起暈放電特性的研究提供參考。

2 電暈現(xiàn)象及其放電機(jī)理

2.1 電暈放電

電暈是指導(dǎo)線表面電位梯度超過一定的臨界值后，引起導(dǎo)線周圍空氣電離所產(chǎn)生的一種發(fā)光放電，但電極之間并不擊穿或?qū)ǖ淖猿址烹姮F(xiàn)象。電暈放電可以是極不均勻電場(chǎng)氣隙擊穿過程的第一階段，也可以是長期存在的穩(wěn)定放電形式。電暈經(jīng)常發(fā)生在極不均勻的電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)。如變電所母線兩端的耐張線夾處、耐張桿塔處等。黑暗環(huán)境下有與日暈類似的發(fā)光層，伴隨噪聲和臭氧氣味。

2.2 電暈放電形成機(jī)制

電暈放電機(jī)理可以分為兩種形式:電子崩形式和流注形式。當(dāng)起暈電極的曲率很大時(shí)，電暈層很薄且均勻，自持放電采用湯生放電的形式。本文研究特高壓直流輸電線路電暈問題，導(dǎo)線表面電場(chǎng)是極不均勻場(chǎng)，采用的是流注放電理論。電暈放電根據(jù)電極極性的不同又可以分為正極電暈和負(fù)極電暈。決定極性是表面電場(chǎng)較強(qiáng)的那個(gè)電極所具有的電位符號(hào)，所以在兩個(gè)電極幾何形狀不同的場(chǎng)合，極性取決于曲率半徑較小的那個(gè)電極的電位符號(hào)，在兩個(gè)電極幾何形狀相同時(shí)，取決于那個(gè)不接地的電極上的電位。

圖1 正極電暈放電示意圖

如圖1所示，高壓+HV加在導(dǎo)線上，在電離區(qū)內(nèi)，空間的自由電子在電場(chǎng)的作用下與原子相撞形成電子，新電子進(jìn)一步的碰撞電離產(chǎn)生電子崩。在電子崩過程中，電子聚集形成電子云。正離子就留在了電離區(qū)，較電子來說它是靜止的，從而形成了正離子積聚。當(dāng)正離子積聚到一定程度時(shí)，近導(dǎo)線區(qū)形成較大的反向電場(chǎng)，使空間電離減弱甚至停止。此后，正離子向外逐漸擴(kuò)散，近導(dǎo)線區(qū)域電場(chǎng)又被加強(qiáng)，電離重新發(fā)生。以上過程不斷反復(fù)，形成正極電暈脈沖。隨著線上電壓漸漸升高，導(dǎo)線表面附近初始流注形成后，流注頭部的正電荷減小了等離子體中的電場(chǎng)而加強(qiáng)了其頭部電場(chǎng)，使得空氣間隙電場(chǎng)加強(qiáng)，更容易產(chǎn)生新的電子崩。電子崩生成的電子進(jìn)入流注頭部正電荷區(qū)間內(nèi)使流注加長，而其正離子則成為了流注頭部的正電荷，如此反復(fù)，流注向前發(fā)展。

圖2

3 電暈起始電壓計(jì)算

如圖2所示，高壓－HV加在導(dǎo)線上，碰撞電離產(chǎn)生的電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間?？拷蟮馗浇妶?chǎng)最小，電子在電場(chǎng)的作用下向大地方向運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)逐漸減弱，電子與空氣分子發(fā)生碰撞，電離出新的電子，進(jìn)而形成主電子崩。隨著主電子崩發(fā)展到電離區(qū)邊界停止，此時(shí)的電子被空氣分子吸附形成負(fù)離子。最終，在整個(gè)線—地空間，導(dǎo)線表面附近聚集著正的空間電荷，較遠(yuǎn)處則是及其分散的負(fù)空間電荷。負(fù)空間電荷濃度小對(duì)外加電場(chǎng)的影響很小，而正的空間電荷由于很接近導(dǎo)線，形成比較大的電場(chǎng)，使外加電場(chǎng)發(fā)生畸變。導(dǎo)線表面附近的電場(chǎng)得到了加強(qiáng)，有利于電子崩的發(fā)展。在導(dǎo)線附近正空間電荷加強(qiáng)了空間電場(chǎng)，電離重新產(chǎn)生。以上過程不斷重復(fù)，從而形成了重復(fù)的負(fù)極性電暈脈沖。

3.1 模擬電荷法

模擬電荷法于1969年被提出，可以用來求解高壓輸電線附近的電磁場(chǎng)。圖中所示架空高度為H的圓形導(dǎo)體截面，其半徑為R。

圖3

根據(jù)唯一性定理，用虛擬的模擬電荷代替電極表面連續(xù)分布的自由電荷或介質(zhì)界面連續(xù)分布的束縛電荷用一組離散化的模擬電荷予以等值替代。這些離散的模擬點(diǎn)電荷以R＜r為半徑分布在導(dǎo)體截面內(nèi)。這樣，應(yīng)用疊加原理，將分散的模擬電荷在空間所產(chǎn)生的場(chǎng)量疊加，即得原連續(xù)分布電荷所產(chǎn)生的空間電場(chǎng)分布。

模擬電荷法的應(yīng)用如下:設(shè)有n個(gè)模擬電荷Qj(j=1，…，n)均勻分布在以r為半徑的圓周上，在導(dǎo)線表面圓周上設(shè)置設(shè)定數(shù)量等同于模擬電荷數(shù)匹配點(diǎn)，匹配點(diǎn)上的電位已知為φi(i=1，…，n)，為所施加電壓。根據(jù)疊加原理，在圓周上找到n個(gè)匹配點(diǎn)，可逐一列出由設(shè)定的模擬電荷所建立的電位表達(dá)式即

矩陣中P是n×n電位系數(shù)矩陣，表示第j個(gè)模擬電荷源在第i個(gè)匹配點(diǎn)上產(chǎn)生的電位值;Q是1×n離散模擬點(diǎn)電荷列矢量。φi是匹配點(diǎn)的電位列矢量，都等于已知電位φ0。

為了滿足地面電位為零的邊界條件，在與地面的鏡象處設(shè)置其鏡象電荷Qj=－Qj。

那么Pij(第j個(gè)點(diǎn)電荷對(duì)場(chǎng)點(diǎn)i的電場(chǎng)系數(shù))=

其中

4 各因素對(duì)電暈放電特性的影響

4.1 自然因素的影響

大氣條件，包括氣壓、溫度、濕度、等各種自然因素都影響電暈放電的產(chǎn)生和發(fā)展。海拔增加氣壓降低，輸電線路的起暈電壓也會(huì)隨之降低。所以高海拔地區(qū)的輸電線路不一定能夠安全運(yùn)行。目前，大多數(shù)國家以及國際電工委員均以相對(duì)空氣密度和絕對(duì)濕度兩個(gè)參數(shù)來表征大氣條件對(duì)電氣外絕緣放電電壓的影響。濕度的增加也會(huì)導(dǎo)致起暈電壓下降，而且低氣壓下濕度的影響將會(huì)更加顯著。環(huán)境溫度的升高也影響著電暈放電特性，因?yàn)殡S著溫度的上升，空氣密度下降，這使得空氣中電子的自由程度增大，加劇了碰撞電離的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致起暈電壓的下降。國內(nèi)外雖然對(duì)各種影響因素的研究很多，但是對(duì)綜合因素的考慮卻很少。隨著研究的不斷深入，降雨、污穢、風(fēng)、冰等方面也成為影響電暈特性的熱點(diǎn)。

4.1.1 不同海拔下電暈特性影響

中國西北750kV輸變電工程在建和規(guī)劃的多條線路要跨越高海拔地區(qū)。結(jié)合文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)研究結(jié)果獲得高海拔地區(qū)750kV輸電線路工程不同分裂型式的電暈特性參數(shù)以及分析結(jié)論。文獻(xiàn)[7]對(duì)武漢、西寧、海北三個(gè)不同海拔點(diǎn)在干燥條件下起暈電壓測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，得到適用于6×LGJ－400/50導(dǎo)線的指數(shù)和線性海拔校正公式。圖4為起暈電壓隨海拔的變化關(guān)系。

4.1.2 濕度對(duì)電暈特性的影響

文獻(xiàn)[8]實(shí)驗(yàn)在玻璃氣壓罐中進(jìn)行，通過改變氣壓罐中的氣壓和濕度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算和誤差校正，利用棒板電極，測(cè)量了不同氣壓濕度下的正直流電暈起始電壓U以及電暈離子電流I和直流電壓Uapp之間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，電離系數(shù)的增大，導(dǎo)致電離區(qū)域擴(kuò)大是正直流電暈起始電壓隨氣壓降低而減小的主要原因。在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，電離系數(shù)的增大，碰撞電離的增強(qiáng)是正直流電暈起始電壓隨濕度升高而減小的主要原因。

圖4

4.1.3 溫度對(duì)電暈特性的影響

文獻(xiàn)[9]所述，實(shí)驗(yàn)在電氣設(shè)備環(huán)境模擬試驗(yàn)箱中進(jìn)行，調(diào)節(jié)氣候箱的溫度并對(duì)導(dǎo)線的電暈特性進(jìn)行測(cè)量，從而獲得導(dǎo)線電暈特性隨空氣溫度的變化特性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，隨空氣溫度的提高，導(dǎo)線起暈電壓下降，起暈電壓與空氣溫度間呈大致的線性關(guān)系。起暈后的電流隨溫度增加而線性緩慢的增長，增幅較小。電壓越高，負(fù)極性可聽噪聲空氣溫度修正系數(shù)越大。

4.1.4 霧水電導(dǎo)率對(duì)電暈特性的影響

文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)研究鹽霧電導(dǎo)率對(duì)導(dǎo)線交流電暈放電特性的影響，實(shí)驗(yàn)試品選用的是LGJ－80/30型鋼芯鋁絞線。實(shí)驗(yàn)裝置包括電暈籠、霧發(fā)生裝置、電暈放電紫外信號(hào)的采集裝置。在不同霧水電導(dǎo)率下觀測(cè)平均光子數(shù)和外施電壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明電導(dǎo)率不高的輕污染物對(duì)交流輸電導(dǎo)線有影響，絕對(duì)濕度在一定范圍內(nèi)的增大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線起暈電壓的升高。霧對(duì)交流輸電線路電暈特性的影響與霧水電導(dǎo)率有關(guān)系，隨著電導(dǎo)率的增加，起暈電壓會(huì)降低。附著在導(dǎo)線表面的霧顆粒形成尖端放電，使表面電場(chǎng)畸變。所以霧水電導(dǎo)率越高，畸變?cè)絿?yán)重。

4.1.5 水滴對(duì)特高壓直流輸電線路電暈特性影響

文獻(xiàn)[11]采用電暈籠在低電壓下可獲得與實(shí)際線路相同的電場(chǎng)強(qiáng)度。研究了水滴對(duì)導(dǎo)線起暈過程的影響和水滴對(duì)可聽噪聲的影響。結(jié)論得到水滴能夠讓起暈電壓降低，最低可降到原有的一半。水滴也會(huì)使剛起暈時(shí)的可聽噪聲降低，在相同電壓下，導(dǎo)線的可聽噪聲會(huì)隨著表面水滴強(qiáng)度的增加而增加。

4.1.6 導(dǎo)線污穢對(duì)高壓直流輸電線路電暈特性的影響

文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)采用電暈籠和一根型號(hào)為 LGJ 300－40的鋼芯鋁絞線。實(shí)驗(yàn)中，在導(dǎo)線表面用毛刷均勻地涂抹一層人工污穢來模擬實(shí)際線路表面附著的污穢物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了三種不同污穢的電暈特性包括:灰、灰+鹽、灰加鹽+碳粉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明導(dǎo)線表面的污穢能明顯提高高壓直流輸電的電暈損耗和可聽噪聲。不同種類的污穢對(duì)電暈特性的影響也不同。其中污穢中的鹽分對(duì)特暈損耗的影響較大。導(dǎo)線表面污穢存在時(shí)，正負(fù)極的導(dǎo)線電暈損耗相差不大，但是可聽噪聲正極導(dǎo)線明顯大于負(fù)極。

4.1.7 風(fēng)沙條件對(duì)電暈特性的影響

文獻(xiàn)[13]實(shí)驗(yàn)采用風(fēng)沙模擬子系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮西北當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙地區(qū)的風(fēng)速和體積分?jǐn)?shù)，確定了風(fēng)速上限為20m/s，風(fēng)沙體積分?jǐn)?shù)上限為10－6。在設(shè)計(jì)中融入了風(fēng)沙對(duì)導(dǎo)線最用影響范圍的計(jì)算，確定了管道出口高度為2m。在管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中利用fluent軟件進(jìn)行風(fēng)沙在管道混合段中的數(shù)值模擬。每個(gè)子管系統(tǒng)的儲(chǔ)沙倉考慮到高風(fēng)速情況下漏斗的機(jī)械強(qiáng)度，采用梭型設(shè)計(jì)。風(fēng)沙模擬子系統(tǒng)采用現(xiàn)代光纖、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、虛擬儀器等技術(shù)。設(shè)計(jì)了電暈可聽噪聲測(cè)量系統(tǒng)、電暈無線電干擾測(cè)量系統(tǒng)、電暈損失測(cè)量系統(tǒng)。該模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為風(fēng)沙條件下導(dǎo)線電暈特性進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

4.1.8 雨凇對(duì)導(dǎo)線起暈電壓特性的影響

文獻(xiàn)[14]實(shí)驗(yàn)小型多功能人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，可用來模擬雨凇、霧凇及混合凇等不同覆冰形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)LGJ－185/25導(dǎo)線進(jìn)行15、30、45和60min的雨凇覆冰，之后加工頻交流電壓至與估計(jì)起暈電壓的90%。同時(shí)觀測(cè)光字?jǐn)?shù)出現(xiàn)的錄像，利用有限元模型對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明雨凇覆冰在導(dǎo)線表面覆蓋，會(huì)使其原有形態(tài)改變，冰柱尖端的減小會(huì)使到現(xiàn)在很低的電壓下出現(xiàn)電暈放電。隨著覆冰厚度的增加，導(dǎo)線起暈電壓將會(huì)降低。鹽度較高的覆冰會(huì)使導(dǎo)線起暈電壓逐漸下降。雨凇對(duì)導(dǎo)線的主要影響來自于冰柱尖端產(chǎn)生的電場(chǎng)畸變，冰尖越細(xì)則尖端放電越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)最終得到的起暈電壓修正公式有利于快速得到覆冰后導(dǎo)線表面的起暈電壓值，為輸電線路工程計(jì)算提供參考。

4.2 非自然因素的影響

一些非自然因素例如導(dǎo)線的半徑、表面噴砂處理、導(dǎo)線表面粗糙程度對(duì)導(dǎo)線起暈電壓特性有一定影響?，F(xiàn)今，大多文獻(xiàn)中導(dǎo)線附近區(qū)域電場(chǎng)的計(jì)算大都采用模擬電荷法。

4.2.1 架空線高度和半徑對(duì)起暈電壓的影響

文獻(xiàn)[15]表明單根導(dǎo)線的半徑一定，架空高度變化時(shí)的起暈電壓如圖4所示。

對(duì)于半徑小于10mm的導(dǎo)線，起暈電壓隨架空線路的增高而加強(qiáng)，但幅度很小。當(dāng)導(dǎo)線半徑較大時(shí)，起暈電壓隨架空線路高度的增高而增高。不論半徑大小與否，起暈電壓增加到一定高度后，最終逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)架空線路的高度一定時(shí)，如圖4為單根導(dǎo)線變化時(shí)起暈電壓的變化。隨著導(dǎo)線半徑的增加，起暈電壓也隨之增加。因?yàn)閷?dǎo)線半徑的增大會(huì)導(dǎo)致表面曲率減小，從而表面電場(chǎng)減小，相應(yīng)的起暈電壓增大。

4.2.2 導(dǎo)線表面噴砂對(duì)起暈電壓的影響

文獻(xiàn)[16]采用單導(dǎo)線圓通結(jié)構(gòu)研究表面光潔度及導(dǎo)線材料對(duì)導(dǎo)線起暈電壓的影響。實(shí)驗(yàn)采用三種不同半徑的不銹鋼導(dǎo)線、銅導(dǎo)線。對(duì)每種材料同一半徑的導(dǎo)線表面做處理，包括表面噴砂、工業(yè)棒、拋光棒、電拋光棒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不銹鋼和銅導(dǎo)線各半徑下正、負(fù)極的起暈電壓沒有明顯偏差。同等材料，相同半斤的導(dǎo)線，表面不經(jīng)過噴砂處理，不同的表面光潔度對(duì)直流正、負(fù)極電暈起暈電壓影響很小。表面經(jīng)過噴砂處理后，對(duì)負(fù)極性電暈起暈電壓影響顯著，能使導(dǎo)線在較小的起暈電壓下起暈，但是對(duì)正極起暈電壓影響不明顯。

4.2.3 不同運(yùn)行方式下直流輸電線路起暈特性

文獻(xiàn)[17]研究了不同導(dǎo)線截面和分裂方式下線路表面電場(chǎng)和起暈電壓。單極性運(yùn)行方式下，其他條件一定隨著分裂數(shù)的增加，起暈電壓不斷增加。同分裂數(shù)排列方式不同，起暈電壓不變。線路最先起暈在場(chǎng)強(qiáng)最大的子導(dǎo)線上。雙極運(yùn)行方式下，起暈電壓低于單極運(yùn)行，但是起暈場(chǎng)強(qiáng)高于單極運(yùn)行。說明雙極運(yùn)行方式下更加容易起暈。雙回高壓直流輸電線路運(yùn)行方式下，導(dǎo)線的起暈電壓與導(dǎo)線分裂數(shù)無關(guān)，其他條件不變，導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)隨著子導(dǎo)線的截面面積的增加而減小。

5 總結(jié)與展望

本文首先對(duì)電暈放電的機(jī)理和電暈起始電壓做了系統(tǒng)性的概述。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)列舉自然因素和非自然因素條件對(duì)電暈特性的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了敘述，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了總結(jié)。特此提出一些建議:

(1)起暈電壓和起暈場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式和校正公式存在較大的誤差，需要進(jìn)一步統(tǒng)一改進(jìn)并制成軟件。

(2)雙極電暈放電過程中空間電荷對(duì)起暈電壓影響的問題還有待研究。

(3)為了更好的揭示溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素對(duì)電暈放電的影響，應(yīng)設(shè)計(jì)更好的控制環(huán)境因素的電暈籠。

(4)綜合各方面因素，我國應(yīng)該進(jìn)一步開發(fā)電暈損耗測(cè)量儀器，進(jìn)行不同天氣條件下高海拔電暈損耗的實(shí)測(cè)研究。總結(jié)出符合我國地貌需求的特高壓線路電暈損耗計(jì)算方法。

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