淺談特高壓輸電線(xiàn)路電暈放電及電磁環(huán)境

導(dǎo)讀：夜晚路過(guò)高壓輸電線(xiàn)路走廊，時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)被一種淡藍(lán)色的光所包圍，并伴有“滋滋”的響聲，這種光就是由電暈放電所引起的。

夜晚路過(guò)高壓輸電線(xiàn)路走廊，時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)被一種淡藍(lán)色的光所包圍，并伴有“滋滋”的響聲，這種光就是由電暈放電所引起的。電暈放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行與人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)不利的影響，例如：電暈放電會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電流，其中包含的各種高次諧波會(huì)造成無(wú)線(xiàn)電干擾；電暈放電會(huì)引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧、一氧化氮、二氧化氮等強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，對(duì)輸電線(xiàn)路造成影響；電暈放電會(huì)消耗能量，造成電力系統(tǒng)不必要的能量損失；電暈放電會(huì)發(fā)出人耳可聽(tīng)的噪聲，對(duì)人們?cè)斐尚睦?、生理上的影響。影響高壓輸電線(xiàn)路電暈放電的因素很多，如導(dǎo)線(xiàn)表面場(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)線(xiàn)表面狀況、線(xiàn)路通過(guò)地區(qū)的氣象條件、海拔高度等，而導(dǎo)線(xiàn)表面場(chǎng)強(qiáng)又和運(yùn)行電壓、導(dǎo)線(xiàn)間距、導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地高度、導(dǎo)線(xiàn)半徑等參數(shù)有關(guān)。

輸電線(xiàn)路在設(shè)計(jì)階段總是希望通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)線(xiàn)布局、合理選取導(dǎo)線(xiàn)尺寸等措施盡量避免電暈放電。但是由于輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)高，尤其是特高壓，要想完全消除電暈放電，輸電導(dǎo)線(xiàn)半徑會(huì)很大，對(duì)地距離過(guò)高，使得輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)選型及布局方案的經(jīng)濟(jì)可行性極低。因此，只能在兼顧經(jīng)濟(jì)可行性的基礎(chǔ)上，盡量減小電暈放電強(qiáng)度。

輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)首先要對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的預(yù)選方案進(jìn)行電磁環(huán)境評(píng)估，國(guó)際上已有的電磁環(huán)境評(píng)估方法是否完全適用于特高壓輸電線(xiàn)路還無(wú)法確定。為了得到完全適用于特高壓的電磁環(huán)境評(píng)估方法，應(yīng)當(dāng)首先搞清楚導(dǎo)線(xiàn)電暈放電的機(jī)理，得到導(dǎo)線(xiàn)電暈放電微觀(guān)物理過(guò)程的描述方法。在此基礎(chǔ)上，找到一種更準(zhǔn)確的電磁環(huán)境評(píng)估方法，為特高壓輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)選型及布局提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)特高壓輸電資源節(jié)約、環(huán)境友好的目標(biāo)。

研究電暈放電的微觀(guān)物理過(guò)程及機(jī)制

電暈放電是一個(gè)老問(wèn)題，很早就有學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)研究，已能定性描述電暈放電的一些基本過(guò)程。導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)于大地而言，是一種大曲率電極。輸電線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)，如果導(dǎo)線(xiàn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，空氣中游離的種電子（電暈放電前就存在于空氣中游離的電子）會(huì)在場(chǎng)強(qiáng)作用下發(fā)生碰撞、電離等一系列物理化學(xué)反應(yīng)（如電子的碰撞電離反應(yīng)、附著反應(yīng)，正負(fù)離子的中和反應(yīng)等），導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生電暈放電。此時(shí)，電暈放電帶有一定的隨機(jī)性。如果導(dǎo)線(xiàn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)提高，導(dǎo)線(xiàn)附近區(qū)域能夠在場(chǎng)致電離、導(dǎo)線(xiàn)表面碰撞電離等作用下自發(fā)產(chǎn)生種電子，達(dá)到空氣自持放電的條件時(shí)，輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的電暈放電。

電暈放電物理過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，尚不能通過(guò)有效的研究方法明確電暈放電過(guò)程微觀(guān)粒子的發(fā)展變化規(guī)律，更無(wú)法深入認(rèn)識(shí)電暈放電過(guò)程中發(fā)生的各類(lèi)物理化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，電暈放電涉及大量的微觀(guān)粒子，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件的限制，無(wú)法開(kāi)展電暈放電特征參量（如空間電荷）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，也就無(wú)法深入開(kāi)展電暈放電過(guò)程定量分析的研究。因此，研究人員難以得到準(zhǔn)確描述輸電線(xiàn)路電暈放電過(guò)程的有效方法。

研究電暈放電的微觀(guān)物理過(guò)程及放電機(jī)制，應(yīng)首先解決無(wú)法定量描述電暈放電微觀(guān)物理過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件限制等問(wèn)題。目前國(guó)際上還沒(méi)有氣體中空間電荷的測(cè)試方法，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)空間電荷分布測(cè)量的成功案例。課題組通過(guò)5年的嘗試與摸索，研究出一種聲脈沖法的測(cè)量方法，利用超聲波換能器發(fā)生超聲脈沖對(duì)空間電荷進(jìn)行調(diào)制，并建立一種信號(hào)還原算法對(duì)調(diào)制產(chǎn)生的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行還原。根據(jù)測(cè)試的原理，按照1：1的比例在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量到了空間電荷的分布。

課題組在電暈放電控制方程中考慮了光電離和二次電子崩發(fā)射的影響，改進(jìn)了描述電暈放電微觀(guān)物理過(guò)程的控制方程，使得電暈放電的控制方程與實(shí)際情況更為貼切。通過(guò)解析方程可以清晰得到電暈放電過(guò)程，電子是如何增殖的，各種粒子是如何擴(kuò)散的，電暈放電過(guò)程中各類(lèi)微觀(guān)粒子的變化趨勢(shì)。因此，對(duì)電暈的起始、發(fā)展及增值過(guò)程有了更清楚的認(rèn)識(shí)與明確的界定，為進(jìn)一步開(kāi)展輸電線(xiàn)路電磁環(huán)境特性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

特高壓電暈放電及電磁環(huán)境特性評(píng)估

在輸變電工程的設(shè)計(jì)階段，可以通過(guò)建模對(duì)多種導(dǎo)線(xiàn)選型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)電暈放電的影響因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終選取最佳設(shè)計(jì)方案，使其滿(mǎn)足電磁環(huán)境限值的要求。

傳統(tǒng)的方法主要是在一系列試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，例如計(jì)算起暈場(chǎng)強(qiáng)的Peek公式、計(jì)算電暈損失的皮德森公式，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單，使用便捷，但其適用性有很大的限制，也沒(méi)有考慮到環(huán)境因素對(duì)電暈放電的影響。另外，特高壓電暈放電與傳統(tǒng)超高壓有何異同？以往的計(jì)算方法在特高壓中是否適用？這些問(wèn)題根據(jù)過(guò)去的研究成果也無(wú)法確定。面對(duì)這些問(wèn)題，課題組在前述電暈放電特性研究基礎(chǔ)上，深入研究了輸電線(xiàn)路電暈放電的宏觀(guān)等值物理模型，提出了輸電線(xiàn)路電暈放電電磁環(huán)境評(píng)估方法。在過(guò)去研究基礎(chǔ)上，研究人員舍棄了眾多假設(shè)，建立了無(wú)量綱模型，得到了適用于特高壓輸電線(xiàn)路電暈起始和自持判據(jù)，明確了電暈放電計(jì)算的邊界條件，為電磁環(huán)境評(píng)估及相關(guān)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

我國(guó)特高壓直流輸電線(xiàn)路走廊環(huán)境復(fù)雜，附近存在建筑物、樹(shù)木及地表變化等。目前國(guó)際上仍采用二維離子流及合成電場(chǎng)評(píng)估方法。課題組改進(jìn)了二維離子流場(chǎng)的計(jì)算方法，將邊界電場(chǎng)約束方程法應(yīng)用于子導(dǎo)線(xiàn)表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算，加快計(jì)算速度，采用電位排序方法從而加速了算法收斂，在此基礎(chǔ)上發(fā)展得到了三維離子流場(chǎng)的計(jì)算方法。

課題組還從電暈損失產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)研究并得到了新的電暈損失計(jì)算方法，并在武漢、北京的特高壓基地進(jìn)行了不同環(huán)境條件下電暈損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)的計(jì)算方法，新的計(jì)算方法考慮了環(huán)境因素對(duì)電暈損失的影響，使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)吻合較好。

從電暈放電的機(jī)理出發(fā)，到離子流場(chǎng)的計(jì)算，以及最后電暈損失的求解，課題組開(kāi)展了系統(tǒng)且細(xì)致的研究，提出了一種特高壓輸電線(xiàn)路電磁環(huán)境的評(píng)估方法，最終很好地運(yùn)用到特高壓電磁環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估中。本成果陸續(xù)在錫盟—山東、淮南—南京—上海、榆橫—濰坊1000千伏特高壓交流，上海廟—山東、錫盟—泰州±800千伏特高壓直流工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。?