特高壓直流輸電線下的直流離子流電場

邰 超 秦松林 肖登明

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030）

與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電在長距離、大容量輸送電力方面有明顯優(yōu)勢，采用特高壓直流輸電能夠有效地節(jié)約線路走廊、有助于改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分明顯[1-3]。但我國的高壓直流輸電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)尚淺，特高壓直流示范工程[4-5]尚無實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可循。隨著電壓等級從±500kV提高到±800kV，面臨的問題也將更加突出，其中特高壓直流輸電線路產(chǎn)生的電磁環(huán)境問題受到了專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前國內(nèi)已有一些學(xué)者對特高壓直流輸電線下的合成場強(qiáng)及其受電暈影響的情況進(jìn)行了一定的理論計(jì)算研究[6-7]，而鮮有定量的試驗(yàn)研究。

當(dāng)直流導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)線表面會(huì)發(fā)生電暈放電[8-10]，電暈放電會(huì)將空氣分子電離成空間電荷。當(dāng)發(fā)生電暈時(shí)，直流電壓極性固定，在導(dǎo)線之間和導(dǎo)線與大地之間的整個(gè)空間將充滿運(yùn)動(dòng)的帶電離子，在電場力的作用下向地面連續(xù)移動(dòng)形成離子流。由于空間充滿離子，即空間電荷，它們也產(chǎn)生電場，所以特高壓輸電線下地面附近的場強(qiáng)是空間電荷產(chǎn)生的電場與標(biāo)稱場一起形成的合成場強(qiáng)。

在試驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，可以避免可預(yù)見的其他外力的影響。本文研究空間電荷對特高壓輸電線路下合成電場的影響，對正確認(rèn)識特高壓輸電線路下的電場性質(zhì)具有重要意義。

1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置連接示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置連接示意圖

1）試驗(yàn)導(dǎo)線：試驗(yàn)一共用了5條導(dǎo)線，每條導(dǎo)線采用3組高度來測量場強(qiáng)，測量點(diǎn)分別選擇在導(dǎo)線垂直下方和斜45°角處。

表1 試驗(yàn)導(dǎo)線的參數(shù)

2）場強(qiáng)測量裝置：將旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)式場強(qiáng)儀放在導(dǎo)線下方用于探測場強(qiáng)，其輸出與一臺能讀出直流場強(qiáng)與交流場強(qiáng)的儀器相連，不用移動(dòng)場強(qiáng)儀，在顯示儀器上便可讀出同一地點(diǎn)的交流、直流場強(qiáng)的大小，試驗(yàn)中的場強(qiáng)數(shù)值不會(huì)超過100kV/m。

3）測量點(diǎn)的選取：選擇兩個(gè)測量點(diǎn)，一個(gè)是導(dǎo)線正下方垂直位置，另一個(gè)是偏移垂直位置h距離，h為當(dāng)時(shí)的導(dǎo)線高度。

4）高壓電源裝置：交流電源電壓有效值最高可升到60kV；直流電源由交流電源整流獲得，最高可達(dá)80kV。

試驗(yàn)在試驗(yàn)室中進(jìn)行，避免了受到自然外力如風(fēng)力、雨水等以及其他電磁信號干擾對測量信號的影響；實(shí)時(shí)溫度為 26～32℃左右，天氣以晴好天氣為主。

接通電源后，通過自動(dòng)電壓控制器的控制按鈕，可以把調(diào)節(jié)電源電壓的信號輸入給電控調(diào)壓器；電控調(diào)壓器再將電壓信號傳送給變壓器，電壓等級經(jīng)過變壓器放大后，經(jīng)二極管（直流時(shí)）或直接（交流時(shí)）輸入至分壓器，在此處連接智能的數(shù)字千伏表可顯示出導(dǎo)線的輸入電壓數(shù)值；在導(dǎo)線通電后，會(huì)在周圍產(chǎn)生電場，使用場強(qiáng)儀就可以進(jìn)行場強(qiáng)的測量了。

交流時(shí)，測得的場強(qiáng)既是合成場強(qiáng)，也是導(dǎo)線場強(qiáng)；直流時(shí)，測得的是合成場強(qiáng)，即導(dǎo)線場強(qiáng)與空間電荷場強(qiáng)之和。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）導(dǎo)線直徑為0.5mm，距地高度為90cm，場強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方，在交流、直流情況下獲得的場強(qiáng)-電壓關(guān)系圖（橫軸-電壓，單位為 kV；縱軸-場強(qiáng)，單位為kV/m）如圖2、圖3所示。

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由于直流輸電線下的離子流電場是在導(dǎo)線起暈后產(chǎn)生的，所以本試驗(yàn)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均記錄導(dǎo)線起暈后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于分析。因此，場強(qiáng)-電壓曲線都是以起暈電壓為起點(diǎn)，而不是從零點(diǎn)開始。

圖2 0.5mm、90cm的交流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的電場強(qiáng)度

標(biāo)稱場，即由輸電導(dǎo)線電位產(chǎn)生的電場屬于靜電場的一種；又由于在試驗(yàn)過程中，我們只測量導(dǎo)線中間一小段的場強(qiáng)，所以可以把導(dǎo)線當(dāng)成無限長直導(dǎo)線來處理，因此，可以用高斯定理來計(jì)算標(biāo)稱場強(qiáng)數(shù)值。

設(shè)導(dǎo)線半徑為 r0，距離地面高度為 h，距離導(dǎo)線r處的電場強(qiáng)度E與導(dǎo)線電壓U的關(guān)系如式（1）所示。

因此，當(dāng)導(dǎo)線高度一定時(shí)，在導(dǎo)線外某一點(diǎn)，E∝U，即導(dǎo)線電位與其在地面固定點(diǎn)的電場強(qiáng)度是一個(gè)線性關(guān)系，電場的極性取決于導(dǎo)線電位的極性。圖2中的線性關(guān)系式是對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用線性回歸方法得到的，用交流電壓獲得的導(dǎo)線電位對地面場強(qiáng)的線性回歸公式可以用于直流電壓下地面場強(qiáng)的計(jì)算。交流電壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用于計(jì)算統(tǒng)一幾何參數(shù)下的場強(qiáng)-電壓的線性回歸表達(dá)式，而直流電壓試驗(yàn)中標(biāo)稱場強(qiáng)數(shù)值是用上述線性回歸表達(dá)式計(jì)算出來。對于每一條導(dǎo)線，在每一個(gè)高度下都需要先求出場強(qiáng)-導(dǎo)線電壓的線性關(guān)系式，然后計(jì)算得到直流導(dǎo)線在不同電壓值處的場強(qiáng)值。

圖3 0.5mm、90cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)

圖3中，從上到下，三條曲線依次為合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)，試驗(yàn)中合成場強(qiáng)與標(biāo)稱場強(qiáng)的比例大小與文獻(xiàn)[11]相符合。

2）導(dǎo)線直徑為0.5mm，距地高度為80cm，場強(qiáng)儀分別位于直流導(dǎo)線垂直下方和偏離垂直位置80cm，直流導(dǎo)線下獲得的場強(qiáng)-電壓關(guān)系圖（橫軸-電壓，單位為kV；縱軸-場強(qiáng)，單位為kV/m）如圖4所示。

在圖4、圖5中，從上到下，3條曲線依次為總場強(qiáng)、導(dǎo)線場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（三角）。在較細(xì)導(dǎo)線的合成場強(qiáng)中，標(biāo)稱場強(qiáng)與空間電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)基本相等，試驗(yàn)中合成場強(qiáng)與標(biāo)稱場強(qiáng)的比例大小與文獻(xiàn)[11]相符合。

圖4 0.5mm、80cm直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（場強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方）

圖5 0.5mm、80cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（場強(qiáng)儀在導(dǎo)線下方距離垂直位置80cm）

從場強(qiáng)儀位于導(dǎo)線正下方的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，導(dǎo)線電位分別與標(biāo)稱場強(qiáng)、空間電荷場強(qiáng)的關(guān)系直線近乎平行，如圖3、圖4、圖6所示。

3）導(dǎo)線直徑為 1.78mm，距地高度為 96cm，場強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方和偏移下方垂直位置96cm，在直流情況下獲得的場強(qiáng)-電壓圖（橫軸-電壓，單位為kV；縱軸-場強(qiáng)，單位為kV/m）如圖6、圖7所示。

圖6 1.78mm、96cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（場強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方）

圖7 1.78mm、96cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（場強(qiáng)儀在導(dǎo)線下方距離垂直位置96cm）

在圖6、圖7中，從上到下，3條曲線依次為總場強(qiáng)、導(dǎo)線場強(qiáng)和空間電荷場強(qiáng)（三角）。從場強(qiáng)儀位于導(dǎo)線斜下方（45°）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，導(dǎo)線電位與標(biāo)稱場強(qiáng)、空間電荷產(chǎn)生場強(qiáng)的關(guān)系直線有交叉，如圖5、圖7所示。即低電場時(shí)，空間電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)要小于標(biāo)稱場強(qiáng)；而高場強(qiáng)時(shí)，空間電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)要大于標(biāo)稱場強(qiáng)。在線徑較小時(shí)相差不是很大，一般相差值為標(biāo)稱場強(qiáng)的10%～20%；隨著線徑的增大，差值也會(huì)增大。

3 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)室中單導(dǎo)線試驗(yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下直流導(dǎo)線產(chǎn)生電暈以后導(dǎo)線下方的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)與空間電荷場強(qiáng)之間的一些關(guān)系。

1）試驗(yàn)表明起暈后導(dǎo)線上的直流電位與導(dǎo)線下方地面上的合成場強(qiáng)、標(biāo)稱場強(qiáng)和空間電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)成線性關(guān)系。

2）試驗(yàn)表明正、負(fù)極導(dǎo)線放電電暈情況有差異。負(fù)極導(dǎo)線比正極導(dǎo)線的起暈電壓、起暈場強(qiáng)低一些；負(fù)極導(dǎo)線下的空間電荷場強(qiáng)平均值要比正極導(dǎo)線下的略高；負(fù)極導(dǎo)線比正極導(dǎo)線的標(biāo)稱場強(qiáng)與空間電荷場強(qiáng)相差值占標(biāo)稱場強(qiáng)的比重略低。

3）通過試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，總體上標(biāo)稱場強(qiáng)在合成場強(qiáng)中所占比重減小，合成場強(qiáng)最大值可達(dá)標(biāo)稱場強(qiáng)的1.8～2.2倍。

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