高壓直流輸電線路電暈放電的研究

劉冠杰

摘 要：我國能源分布不均以及生產(chǎn)力發(fā)展的特點需要走西電東送的能源戰(zhàn)略，高壓直流輸電在此表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，但因高壓直流輸電具有很高的電壓等級，電暈放電成為不可避免的現(xiàn)象，會造成可聽噪聲、無線電干擾和電暈損耗等問題，這將會對環(huán)境和系統(tǒng)造成不利的影響。因此，對高壓輸電線路電暈問題的研究具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和工程實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：高壓；直流輸電；電暈

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.159

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力需求急劇增加，但我國幅域遼闊，能源分布與電力負(fù)荷不平衡。在經(jīng)濟發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，用電負(fù)荷比較集中，需要更多的能源，但東部地區(qū)能源相對匱乏；西部能源豐富，例如，水能、風(fēng)能與煤炭資源，但這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展比較落后，用電負(fù)荷較少，需求較低。這就造成了我國形成了“西電東送，南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的電力輸送格局，對于這種大容量、長距離的電力輸送，高壓直流輸電具有明顯的優(yōu)勢，實現(xiàn)了全國范圍內(nèi)的資源優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢的互補，對促進(jìn)我國經(jīng)濟全面快速的發(fā)展，有著廣闊的應(yīng)用前景[1，2]。

在高壓直流輸電過程中，線路不可避免的會產(chǎn)生電暈放電。線路正常工作時，能夠允許一定程度的電暈放電，但是隨著電壓等級的不斷提高，電暈放電問題愈加突出。電暈放電不僅會造成線路的能量損耗，還會產(chǎn)生一些環(huán)境問題[3，4]?，F(xiàn)在，人們的環(huán)保意識逐漸加強，越來越重視電暈放電的問題，因此開展高壓交流輸電線路電暈現(xiàn)象的研究具有重要的價值和現(xiàn)實意義。

1 高壓線路電暈產(chǎn)生的機理及影響

1.1 高壓線路電暈產(chǎn)生的原因

高壓輸電線路工作時，導(dǎo)線附近存在電場，環(huán)境空氣中存在大量的自由電荷，這些帶電粒子在電場作用下做作定向運動。電場強度的增大，帶電粒子在撞擊空氣中的分子（或原子）過程中所獲得的能量也逐漸增大，當(dāng)電場強度達(dá)到某一臨界值時，帶電粒子在運動過程中獲得足夠的能量使得空氣分子發(fā)生電離，此時的電場強度為使氣體能夠發(fā)生電離的臨界值。電離后的電子受到電場力作用做定向運動，碰撞空氣分子發(fā)生電離產(chǎn)生新的電子，新的電子參與碰撞發(fā)生新的電離，當(dāng)電場強度足夠強時，更多的電子通過上面過程不斷產(chǎn)生，如此反復(fù)循環(huán)形成電子崩[5]。離子質(zhì)量與電子質(zhì)量的差距使得在電場作用下，質(zhì)量小的電子的運動速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)量大的離子的運動速度，碰撞后產(chǎn)生的電子和電離產(chǎn)生的電子分別向各自方向進(jìn)行擴散，因此電子崩的頭部呈球形，電子雪崩如圖1所示。圖中-號表示電子，+號表示正離子。當(dāng)電子雪崩發(fā)展到一定程度后轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⒎烹?，這時放電為自持放電，也稱為電暈放電。

對于導(dǎo)體來說，可分為正極性導(dǎo)體和負(fù)極性導(dǎo)體[6]，對于正極性導(dǎo)體，電子雪崩沿電場力的方向向?qū)w方向發(fā)展，對于負(fù)極性導(dǎo)體，電子雪崩的發(fā)展方向與正極性導(dǎo)體相反。

1.2 電暈放電的危害

電暈放電產(chǎn)生高頻脈沖電流含有高次諧波，無線電干擾頻率范圍比較寬，對正常的通訊設(shè)備造成影響，這種影響隨著輸電線路電壓等級的增加而增加。電暈放電還會導(dǎo)致空氣進(jìn)行一些化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、氮氧化物等，它們的強氧化性會對固體介質(zhì)及一些金屬電極造成損腐蝕和損壞。同時，電暈放電產(chǎn)生的能量損耗，降低了電能的傳輸效率[7]。

2 影響高壓輸電線路電暈的因素

電離層是指能夠使導(dǎo)體附近的氣體發(fā)生電離的區(qū)域，超過此區(qū)域，電場強度太弱以致空氣中不會發(fā)生碰撞電離，距離導(dǎo)體越遠(yuǎn)，電場強度也會逐漸變?nèi)?，電離層會局限在導(dǎo)體附近較小的區(qū)域內(nèi)，而不會無限延伸[8]，因此電暈放電為局部放電。

2.1 導(dǎo)線表面狀況對電暈的影響

輸電線路表面的不光滑容易生成極不均勻電場，于曲率半徑小的電極附近產(chǎn)生電暈放電，因此，輸電線路表面的狀況能夠影響電暈放電現(xiàn)象。如灰塵、樹葉以及昆蟲等沉淀物附著在導(dǎo)體表面，會使導(dǎo)體表面局部電場增加，導(dǎo)致導(dǎo)體附近發(fā)生連續(xù)放電現(xiàn)象，從而因其電暈現(xiàn)象。隨著環(huán)境的變化，霧霾天氣使得導(dǎo)體表面增加了很多難以清理的附著物，因此，季節(jié)在一定程度上同樣影響電暈放電。同時，導(dǎo)體本身材質(zhì)原因所形成的不光滑會使其表面形成曲率半徑很小的凸起，從而導(dǎo)致形成電暈放電點，這些凸起物能夠使電場發(fā)生畸變，在電場不是很大的時候成為電暈的放電點，這些放電點隨電場強度的增大發(fā)展成為全面電暈，從而形成電暈放電現(xiàn)象。

2.2 天氣情況對電暈的影響

天氣的變化能夠影響輸電線路的起暈場強，從而影響輸電線路的電暈，其中對電暈影響最大的天氣狀況便是降雨。降雨會使雨滴大量的附著在導(dǎo)線的表面，導(dǎo)體表面的雨滴在電場力的作用下形成曲率半徑很小的尖端，這種變化使得電場畸變引起導(dǎo)線氣暈電壓的降低，使輸電線路發(fā)生電暈放電。附著在導(dǎo)體表面的雨滴增加了電暈損耗，但降雨量的增加增大了雨滴附著在導(dǎo)體表面的能力，使雨滴難以在導(dǎo)體表面附著，降低了輸電線路的電暈損耗。同時，大量的雨水能夠清理輸電線路表面的沉淀物，將使增加了輸電線路表面的光滑度，降低了導(dǎo)體表面狀況對導(dǎo)體電暈的影響，減少了電暈的發(fā)生。

2.3 空氣濕度對電暈的影響

空氣濕度對高壓直流輸電線路電暈的影響，主要表現(xiàn)在對電暈可聽噪聲、電暈無線電干擾以及電暈損耗的影響。當(dāng)空氣濕度增加時，增強了空氣水分子對電子的吸附能力，捕獲大量的自由電子，降低了空氣中自由電子的數(shù)量，難以達(dá)到放電條件，從而抑制了電子崩的發(fā)生。但是當(dāng)濕度達(dá)到一定程度時，在導(dǎo)線表面和附近附著更多的水滴，容易形成電暈點。因此，通過修訂的Peek公式可知，空氣濕度對電暈的影響需要考慮導(dǎo)體半徑大小與極性的影響[10]。

電暈可聽噪聲是高壓直流輸電導(dǎo)體發(fā)生電暈時的一種聲頻干擾，主要因電暈放電過程中的流注放電而產(chǎn)生。在電暈放電過程中，正極性導(dǎo)體流注放電的幅值高、時間長、可聽噪聲強，負(fù)極性導(dǎo)體流注放電的幅值低、頻率高、可聽噪聲低。因此，在高壓直流輸電工程中，一般忽略負(fù)極性導(dǎo)體電暈放電所產(chǎn)生的可聽噪聲。隨著空氣濕度的增加，對于正極性導(dǎo)體，大的導(dǎo)體半徑可聽噪聲逐漸減小，小的導(dǎo)體半徑可聽噪聲逐漸增大。

高壓直流輸電線路發(fā)生電暈時，導(dǎo)體附近空氣被電離產(chǎn)生大量自由運動的電荷，在電場力的作用下，電荷進(jìn)行定向運動，形成具有脈沖形式的感應(yīng)電流，從而在線路附近產(chǎn)生無線電干擾。電暈放電時，正極性導(dǎo)體的放電點一般分布在有缺陷的導(dǎo)體表面，放電脈沖幅值大，且很不規(guī)則，而負(fù)極性導(dǎo)體的放電點分布均勻，脈沖幅值小且大小基本相等。因此，輸電線路的無線電干擾主要由正極性導(dǎo)線所產(chǎn)生。隨著相對濕度的增加，正極性導(dǎo)體產(chǎn)生的電暈無線電干擾逐漸降低。濕度較大時對大的導(dǎo)體半徑具有較明顯的影響，但隨導(dǎo)體表面電場強度的增大而降低；濕度對小的導(dǎo)體半徑影響很小，且不受電場強度變化的影響。因此，雨天中的高壓直流輸電線路電暈無線電干擾比晴天中的有所降低，干雪時直流輸電線路電暈無線電干擾增加，濕雪會使干擾略微減少。

輸電線路發(fā)生電暈放電時，此時電離、附著等物理過程將會產(chǎn)生離子，離子的產(chǎn)生以及在電場作用下的運動都需要消耗能量，此過程中消耗的能量大多被轉(zhuǎn)化為熱能使導(dǎo)體周圍空氣溫度升高，另外小部分將會被被轉(zhuǎn)化為電磁輻射、光子輻射、聲能、以及生成臭氧和一氧化氮等電化學(xué)能，電暈放電過程所產(chǎn)生的能量損失稱之為電暈損耗。濕度變化對電暈損耗的作用受導(dǎo)體半徑和導(dǎo)體極性的影響，隨著濕度的增加，對正極性導(dǎo)體而言，大半徑導(dǎo)體的電暈損耗逐漸減小，小半徑導(dǎo)體的電暈損耗逐漸增大；對于負(fù)極性導(dǎo)體而言，大半徑導(dǎo)體的電暈損耗先減小后增大，小半徑導(dǎo)體的電暈損耗隨逐漸增大。隨著電場強度的增加，濕度對高壓直流輸電線路電暈損耗的影響逐漸減小。

3 總結(jié)

本文主要就高壓直流輸電線路的電暈放電進(jìn)行研究，首先對高壓直流輸電電暈效應(yīng)的形成的機理以及電暈放電的影響進(jìn)行分析，然后對電暈放電的影響因素進(jìn)行了研究，分別研究了導(dǎo)線表面狀況、天氣情況和空氣濕度對電暈的影響進(jìn)行，并得出電暈放電隨影響因素變化的規(guī)律，這對于研究電暈放電以及如何避免高壓直流輸電線路的電暈放電具有重要的意義。

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