特高压直流输电线下的直流离子流电场

2012-09-22秦松林肖登明

电气技术 2012年3期

邰超秦松林肖登明

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

与高压交流输电相比，高压直流输电在长距离、大容量输送电力方面有明显优势，采用特高压直流输电能够有效地节约线路走廊、有助于改善网络结构和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显[1-3]。但我国的高压直流输电技术经验尚浅，特高压直流示范工程[4-5]尚无实际运行经验可循。随着电压等级从±500kV提高到±800kV，面临的问题也将更加突出，其中特高压直流输电线路产生的电磁环境问题受到了专家和学者的广泛关注。

目前国内已有一些学者对特高压直流输电线下的合成场强及其受电晕影响的情况进行了一定的理论计算研究[6-7]，而鲜有定量的试验研究。

当直流导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导线表面会发生电晕放电[8-10]，电晕放电会将空气分子电离成空间电荷。当发生电晕时，直流电压极性固定，在导线之间和导线与大地之间的整个空间将充满运动的带电离子，在电场力的作用下向地面连续移动形成离子流。由于空间充满离子，即空间电荷，它们也产生电场，所以特高压输电线下地面附近的场强是空间电荷产生的电场与标称场一起形成的合成场强。

在试验室环境中进行试验，可以避免可预见的其他外力的影响。本文研究空间电荷对特高压输电线路下合成电场的影响，对正确认识特高压输电线路下的电场性质具有重要意义。

1 试验装置及方法

试验装置连接示意图如图1所示。

图1 试验装置连接示意图

1）试验导线：试验一共用了5条导线，每条导线采用3组高度来测量场强，测量点分别选择在导线垂直下方和斜45°角处。

表1 试验导线的参数

2）场强测量装置：将旋转伏特计式场强仪放在导线下方用于探测场强，其输出与一台能读出直流场强与交流场强的仪器相连，不用移动场强仪，在显示仪器上便可读出同一地点的交流、直流场强的大小，试验中的场强数值不会超过100kV/m。

3）测量点的选取：选择两个测量点，一个是导线正下方垂直位置，另一个是偏移垂直位置h距离，h为当时的导线高度。

4）高压电源装置：交流电源电压有效值最高可升到60kV；直流电源由交流电源整流获得，最高可达80kV。

试验在试验室中进行，避免了受到自然外力如风力、雨水等以及其他电磁信号干扰对测量信号的影响；实时温度为 26～32℃左右，天气以晴好天气为主。

接通电源后，通过自动电压控制器的控制按钮，可以把调节电源电压的信号输入给电控调压器；电控调压器再将电压信号传送给变压器，电压等级经过变压器放大后，经二极管（直流时）或直接（交流时）输入至分压器，在此处连接智能的数字千伏表可显示出导线的输入电压数值；在导线通电后，会在周围产生电场，使用场强仪就可以进行场强的测量了。

交流时，测得的场强既是合成场强，也是导线场强；直流时，测得的是合成场强，即导线场强与空间电荷场强之和。

2 试验结果及分析

1）导线直径为0.5mm，距地高度为90cm，场强仪在导线垂直下方，在交流、直流情况下获得的场强-电压关系图（横轴-电压，单位为 kV；纵轴-场强，单位为kV/m）如图2、图3所示。

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由于直流输电线下的离子流电场是在导线起晕后产生的，所以本试验所有试验数据均记录导线起晕后的试验数据用于分析。因此，场强-电压曲线都是以起晕电压为起点，而不是从零点开始。

图2 0.5mm、90cm的交流导线在电压不同时的电场强度

标称场，即由输电导线电位产生的电场属于静电场的一种；又由于在试验过程中，我们只测量导线中间一小段的场强，所以可以把导线当成无限长直导线来处理，因此，可以用高斯定理来计算标称场强数值。

设导线半径为 r0，距离地面高度为 h，距离导线r处的电场强度E与导线电压U的关系如式（1）所示。

因此，当导线高度一定时，在导线外某一点，E∝U，即导线电位与其在地面固定点的电场强度是一个线性关系，电场的极性取决于导线电位的极性。图2中的线性关系式是对试验数据采用线性回归方法得到的，用交流电压获得的导线电位对地面场强的线性回归公式可以用于直流电压下地面场强的计算。交流电压试验的数据用于计算统一几何参数下的场强-电压的线性回归表达式，而直流电压试验中标称场强数值是用上述线性回归表达式计算出来。对于每一条导线，在每一个高度下都需要先求出场强-导线电压的线性关系式，然后计算得到直流导线在不同电压值处的场强值。

图3 0.5mm、90cm的直流导线在电压不同时的合成场强、标称场强和空间电荷场强

图3中，从上到下，三条曲线依次为合成场强、标称场强和空间电荷场强，试验中合成场强与标称场强的比例大小与文献[11]相符合。

2）导线直径为0.5mm，距地高度为80cm，场强仪分别位于直流导线垂直下方和偏离垂直位置80cm，直流导线下获得的场强-电压关系图（横轴-电压，单位为kV；纵轴-场强，单位为kV/m）如图4所示。

在图4、图5中，从上到下，3条曲线依次为总场强、导线场强和空间电荷场强（三角）。在较细导线的合成场强中，标称场强与空间电荷产生的场强基本相等，试验中合成场强与标称场强的比例大小与文献[11]相符合。

图4 0.5mm、80cm直流导线在电压不同时的合成场强、标称场强和空间电荷场强（场强仪在导线垂直下方）

图5 0.5mm、80cm的直流导线在电压不同时的合成场强、标称场强和空间电荷场强（场强仪在导线下方距离垂直位置80cm）

从场强仪位于导线正下方的试验数据可见，导线电位分别与标称场强、空间电荷场强的关系直线近乎平行，如图3、图4、图6所示。

3）导线直径为 1.78mm，距地高度为 96cm，场强仪在导线垂直下方和偏移下方垂直位置96cm，在直流情况下获得的场强-电压图（横轴-电压，单位为kV；纵轴-场强，单位为kV/m）如图6、图7所示。

图6 1.78mm、96cm的直流导线在电压不同时的合成场强、标称场强和空间电荷场强（场强仪在导线垂直下方）

图7 1.78mm、96cm的直流导线在电压不同时的合成场强、标称场强和空间电荷场强（场强仪在导线下方距离垂直位置96cm）

在图6、图7中，从上到下，3条曲线依次为总场强、导线场强和空间电荷场强（三角）。从场强仪位于导线斜下方（45°）的试验数据可见，导线电位与标称场强、空间电荷产生场强的关系直线有交叉，如图5、图7所示。即低电场时，空间电荷产生的场强要小于标称场强；而高场强时，空间电荷产生的场强要大于标称场强。在线径较小时相差不是很大，一般相差值为标称场强的10%～20%；随着线径的增大，差值也会增大。