大氣環(huán)境對高壓直流輸電線的離子流場影響機(jī)理研究

小布窮 吳元香 黃 波 何 陽 朱遠(yuǎn)祥 李劉剛 楊 帆

（1、國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學(xué)研究院，西藏 拉薩850010 2、輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

由于直流輸電線路具有電能損耗低、運(yùn)行可靠性強(qiáng)、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在建設(shè)特高壓電網(wǎng)中起著重要的作用[1]。直流輸電工程跨越距離遠(yuǎn)，沿途經(jīng)過的大氣環(huán)境也大不相同。環(huán)境因素對離子流場的影響主要體現(xiàn)在對導(dǎo)線起暈場強(qiáng)、遷移率和空間電荷密度等參數(shù)的改變上，目前，環(huán)境因素對離子流場的影響的研究主要集中在天氣條件上[2-3]。

濕度對離子流場的影響，20 世紀(jì)80 年代即開始了對雨天條件下輸電線路電場強(qiáng)度和離子流密度的實(shí)際測量和理論計(jì)算研究，相較于正常晴好天氣，雨天條件下空氣中的濕度較大，會(huì)改變空氣中的離子遷移率。溫度也會(huì)對離子流場產(chǎn)生影響，不同的溫度條件下，空氣中的氣體分子密度和間隔不同，帶電粒子的動(dòng)能積累不同，從而導(dǎo)致導(dǎo)線產(chǎn)生電暈放電的難易程度也不同。

為了研究不同溫濕度下高壓直流輸電線路的電磁環(huán)境分布，論文首先分析溫濕度對離子流場的影響機(jī)理，然后建立了考慮天氣條件的離子流場計(jì)算模型，最后計(jì)算分析了在不同溫度和濕度下的入地離子流密度和地面合成場強(qiáng)分布情況。

1 溫濕度對離子流場的影響機(jī)理

1.1 溫濕度對電暈放電強(qiáng)度的影響

環(huán)境溫度的變化會(huì)對輸電線起暈場強(qiáng)產(chǎn)生影響，從而影響電暈放電大小。由Peek 先生提出，經(jīng)Whitehead[4]改進(jìn)的用于計(jì)算高壓直流和交流輸電線路的起暈場強(qiáng)公式，見式（1）。其中，δ 是相對空氣密度，由大氣壓和導(dǎo)線溫度決定，見式（2）。

其中，K 為經(jīng)驗(yàn)值，0.308；m 為導(dǎo)線表面粗糙度，0.47；r 為導(dǎo)線等效半徑；p 為大氣壓強(qiáng)，mm 汞柱；T0=20℃為參考溫度；T 為運(yùn)行時(shí)的輸電線路及其附近空氣的實(shí)際溫度。由公式可知，起暈場強(qiáng)與導(dǎo)線溫度成反比，當(dāng)溫度上升時(shí)，起暈場強(qiáng)降低。導(dǎo)線起暈場強(qiáng)與導(dǎo)線溫度的關(guān)系見圖1。

圖1 導(dǎo)線起暈場強(qiáng)與導(dǎo)線溫度關(guān)系圖

通過式（1）和式（2）可以知道，導(dǎo)線的起暈場強(qiáng)與空氣的溫度有關(guān)，相關(guān)研究證明環(huán)境濕度會(huì)改變輸電線路的起暈場強(qiáng)，其中Davies[5]通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出加入濕度影響的皮克修正公式，如下式所示：

其中，H 為空氣絕對濕度，g/m3，代表空氣實(shí)際含水量，它的大小與相對濕度和溫度有關(guān)，可以根據(jù)相對濕度和絕對濕度換算得到。

根據(jù)式（3）知道，隨著環(huán)境濕度的增大，輸電線起暈場強(qiáng)增大，大量試驗(yàn)結(jié)果表明[6]，濕度在范圍一定范圍內(nèi)變化時(shí)，起暈場強(qiáng)隨著濕度的變大而變大。其原因是大氣內(nèi)的水分子能夠吸引大氣內(nèi)的自由電子，從而導(dǎo)致電子崩更難以形成。從而，在一定濕度范圍內(nèi)，合成場強(qiáng)隨著濕度的增大而變小。

1.2 溫濕度對離子遷移率的影響

溫度會(huì)影響空氣的平均熱運(yùn)動(dòng)速度和離子的平均自由行程，進(jìn)而影響離子的遷移率。在相同氣體中的離子遷移率可以表示為：

其中，α 為常數(shù)，取0.6～1.0，根據(jù)所取不同的平均值而不同；e 為電子量；p 為大氣壓強(qiáng)；m 為正負(fù)離子質(zhì)量；T 為溫度；r為分子氣體半徑；k 為玻爾茲曼常數(shù)。

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)天氣條件的離子遷移率為K，則在某一大氣壓，不同溫度條件下的離子遷移率Kt可以表示為：

其中，T0為標(biāo)準(zhǔn)天氣下的溫度20℃；T 為環(huán)境溫度。由公式（5）知，隨著溫度的升高離子遷移率也隨之增大。

濕度的變化會(huì)改變空氣中離子碰撞運(yùn)動(dòng)的速度，改變離子遷移率。相關(guān)文獻(xiàn)[7]基于人工氣候室搭建了測量高壓直流輸電線路下離子遷移率的測量平臺(tái)，測量得到了常溫常濕度條件下的空氣離子遷移率。

同時(shí)還根據(jù)控制變量法實(shí)驗(yàn)測量得到了不同濕度條件下的正負(fù)離子遷移率的分布規(guī)律，最終通過擬合得到正負(fù)離子遷移率關(guān)于環(huán)境絕對濕度的擬合公式：

其中，K+、K-為正、負(fù)離子遷移率；Ha 為空氣相對濕度。由公式（6）知，相對濕度的增加會(huì)降低離子遷移率。

2 考慮天氣條件的離子流場計(jì)算模型

2.1 離子流場的控制方程

本文采用計(jì)算精度高、自適應(yīng)強(qiáng)、調(diào)整控制靈活的無網(wǎng)格法[8]計(jì)算直流線路的離子流場。在考慮溫度和濕度分別對電暈放電強(qiáng)度和離子遷移率影響的基礎(chǔ)上，分析離子流場分布規(guī)律。對于雙極性高壓直流輸電線路，離子流場基本控制方程[9]如下所示：

式中，ρ 為空間總電荷密度，單位C·m-3；Es為合成場強(qiáng)，V·m-1；J 為離子流密度，單位A·m-2；w為風(fēng)速，單位m·s-1；K 為離子遷移率，單位cm2/（V·s）；e 為電子電荷量，1.602×10-19C；R 為離子復(fù)合系數(shù)，單位m3·s-1；下標(biāo)“+”和“-”分別代表所帶電荷的正和負(fù)。

2.2 計(jì)算流程

根據(jù)邊界條件，利用無網(wǎng)格法對直流輸電線的離子流場進(jìn)行解耦與迭代求解，其過程如下：

（1）對模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剖分，計(jì)算標(biāo)稱電場；

（2）設(shè)置導(dǎo)線表面的初始空間電荷密度，求解空間電荷密度分布；

（3）對導(dǎo)線附近的荷電量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對總空間電荷密度進(jìn)行求解；

圖2 直流輸電線離子流場計(jì)算流程圖

（4）更新輸電線表面空間電荷密度，重復(fù)步驟（2）和（3）直至結(jié)果滿足判斷條件。計(jì)算流程如圖2 所示。

迭代中用于判斷是否停止計(jì)算的判斷參數(shù)δρ和δE分別定義為：

其中，在迭代過程中ρn和ρn-1分別表示相鄰兩次求得的輸電線表面電荷密度值；Emax為導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)；Ec為起暈場強(qiáng)。

3 不同溫濕度下直流輸電線路離子流場的分布規(guī)律

本文采用國內(nèi)上±400kV 高壓直流輸電線路參數(shù)，用考慮大氣環(huán)境的離子流場計(jì)算模型，計(jì)算不同溫濕度下的離子流密度和合成場強(qiáng)。導(dǎo)線采用LGJ-400/35，架設(shè)方式為4 分裂，分裂間距0.45 米，極間距20 米，高度16 米。

3.1 溫度對輸電線路離子流場的影響

圖3 相對濕度60%時(shí)不同溫度下的離子流場分布

以溫度作為大氣參數(shù)的表征量，在正常天氣下，分析輸電線路的起暈場強(qiáng)和空間離子遷移率影響規(guī)律，得到地面離子流場變化規(guī)律。

在相對濕度為60%情況下，大氣溫度分別為5℃、10℃、20℃和40℃情況下，地面合成場強(qiáng)和入地離子流密度分布如圖3 所示。

由圖3 分析可以知道，隨著溫度的增加，合成場強(qiáng)和離子流密度增大。溫度由5℃增加到10℃，入地離子流密度劇烈增加，當(dāng)溫度由10℃繼續(xù)加至40℃時(shí)，增加幅度變小。在溫度為40℃時(shí)的合成場強(qiáng)和離子流密度相對于5℃時(shí)分別增加了2.32kV/m和21.74nA/m2。這是由于環(huán)境溫度的升高使輸電線路更容易起暈，使得導(dǎo)線表面的電暈放電強(qiáng)度增大。同時(shí)，離子遷移率的增加會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)這種趨勢。

3.2 濕度對輸電線路離子流場的影響

以濕度作為大氣參數(shù)的表征量，在正常天氣下，分析輸電線路的起暈場強(qiáng)和空間離子遷移率影響規(guī)律，得到地面離子流場變化規(guī)律。

在溫度為20℃情況下，大氣相對濕度分別為30%、50%和80%情況下，地面合成場強(qiáng)和入地離子流密度分布如圖4 所示。

圖4 溫度20℃時(shí)不同相對濕度下的離子流場分布

由圖4 分析可以知道，隨著相對濕度的增加，合成場強(qiáng)和離子流密度先減小后增大。

由于當(dāng)相對濕度開始增加的時(shí)候，電暈放電強(qiáng)度會(huì)降低，這是由于空氣中水分子會(huì)吸附大氣中的自由電子形成負(fù)離子，阻礙電暈放電的發(fā)展；當(dāng)相對濕度高于80%后，空氣已經(jīng)可以凝結(jié)出水滴并附著在線路表面，引起空間電場畸變，起暈場強(qiáng)開始減小。

此外，離子流密度變化規(guī)律并不是如前面分析的那樣隨濕度增加一直降低，這是由于離子遷移率的變化受濕度的影響不是很顯著，總體上受起暈場強(qiáng)影響。

4 結(jié)論

溫濕度變化對直流輸電線路的離子流場影響，主要體現(xiàn)在電暈放電強(qiáng)度和離子遷移率上。

本文得到以下研究結(jié)論：

（1）溫度上升會(huì)降低線路周圍空氣密度，導(dǎo)致導(dǎo)線起暈場強(qiáng)降低，離子遷移率增大；濕度增加會(huì)使電子崩的形成變得困難，在某一范圍使起暈場強(qiáng)增大，離子遷移率降低。

（2）大氣溫度的升高對起暈場強(qiáng)的影響會(huì)引起地面離子流密度比較劇烈的增加。離子遷移率的增加會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)地面離子流場的分布。

（3）隨著大氣相對濕度的增加，合成場強(qiáng)和離子流密度先減小后增大。在濕度增加的開始階段，空氣中水分子會(huì)吸附大氣中的自由電子形成負(fù)離子，阻礙放電的發(fā)展；當(dāng)濕度超過80%后，凝結(jié)出的水滴會(huì)引起空間電場畸變，電暈放電增強(qiáng)。由于離子遷移率的變化受濕度影響較小，離子流場分布總體上與電暈放電變化趨勢一致。