张峻伟

(三峡大学新能源研究院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

电晕是特高压输电技术面临的一个突出性问题。我国能源生产与消费分布不均衡这一基本国情决定采用特高压直流输电是解决能源分布的关键。我国电网的总体发展战略是西电东送、南北互供、全国联网。特高压直流输电工程有着交流输电所不具有的一系列优点，线路损耗小，造价低，节省线路走廊;直流电缆输送容量大;能有效的解决两大交流电网之间的联结问题等优点，特别适合于远距离点对点大功率输电。发展特高压直流输电，不可避免的会产生电晕。输电线路电晕损耗不仅造成电晕损耗、影响输电效率、增加线路运行费用，其产生的噪声也会影响附近居民，还有可能产生电化学腐蚀及电晕舞动，这些不仅仅是经济问题，处理不好更会对线路的正常运行产生危害。输电线路起晕电压的影响因素包括大气因素如温度、湿度、气压、雨淞、海拔等，还包括导线半径、架空高度以及单根导线的粗糙系数。国内外对直流电晕特性影响因素的研究很多，对不同条件下导线起晕机理、起晕电压、电晕损耗等方面进行了研究，并取得了大量成果。但由于输电线路受影响的综合因素比较复杂，国内外对特高压下输电线路的电晕特性尚无确切的研究结果。本文在前人研究的基础上通过观测电晕放电的各种现象，阐述电晕放电的产生机理和起晕电压的计算方法。综合分析展示各种因素对输电线路对起晕电压的影响。最后提出尚待解决的问题和研究方向，为输电线路起晕放电特性的研究提供参考。

2 电晕现象及其放电机理

2.1 电晕放电

电晕是指导线表面电位梯度超过一定的临界值后，引起导线周围空气电离所产生的一种发光放电，但电极之间并不击穿或导通的自持放电现象。电晕放电可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。电晕经常发生在极不均匀的电场中电场强度很高的区域内。如变电所母线两端的耐张线夹处、耐张杆塔处等。黑暗环境下有与日晕类似的发光层，伴随噪声和臭氧气味。

2.2 电晕放电形成机制

电晕放电机理可以分为两种形式:电子崩形式和流注形式。当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄且均匀，自持放电采用汤生放电的形式。本文研究特高压直流输电线路电晕问题，导线表面电场是极不均匀场，采用的是流注放电理论。电晕放电根据电极极性的不同又可以分为正极电晕和负极电晕。决定极性是表面电场较强的那个电极所具有的电位符号，所以在两个电极几何形状不同的场合，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，在两个电极几何形状相同时，取决于那个不接地的电极上的电位。

图1 正极电晕放电示意图

如图1所示，高压+HV加在导线上，在电离区内，空间的自由电子在电场的作用下与原子相撞形成电子，新电子进一步的碰撞电离产生电子崩。在电子崩过程中，电子聚集形成电子云。正离子就留在了电离区，较电子来说它是静止的，从而形成了正离子积聚。当正离子积聚到一定程度时，近导线区形成较大的反向电场，使空间电离减弱甚至停止。此后，正离子向外逐渐扩散，近导线区域电场又被加强，电离重新发生。以上过程不断反复，形成正极电晕脉冲。随着线上电压渐渐升高，导线表面附近初始流注形成后，流注头部的正电荷减小了等离子体中的电场而加强了其头部电场，使得空气间隙电场加强，更容易产生新的电子崩。电子崩生成的电子进入流注头部正电荷区间内使流注加长，而其正离子则成为了流注头部的正电荷，如此反复，流注向前发展。

图2

3 电晕起始电压计算

如图2所示，高压－HV加在导线上，碰撞电离产生的电子被驱往远离导线的空间。靠近大地附近电场最小，电子在电场的作用下向大地方向运动，电场逐渐减弱，电子与空气分子发生碰撞，电离出新的电子，进而形成主电子崩。随着主电子崩发展到电离区边界停止，此时的电子被空气分子吸附形成负离子。最终，在整个线—地空间，导线表面附近聚集着正的空间电荷，较远处则是及其分散的负空间电荷。负空间电荷浓度小对外加电场的影响很小，而正的空间电荷由于很接近导线，形成比较大的电场，使外加电场发生畸变。导线表面附近的电场得到了加强，有利于电子崩的发展。在导线附近正空间电荷加强了空间电场，电离重新产生。以上过程不断重复，从而形成了重复的负极性电晕脉冲。

3.1 模拟电荷法

模拟电荷法于1969年被提出，可以用来求解高压输电线附近的电磁场。图中所示架空高度为H的圆形导体截面，其半径为R。

图3

根据唯一性定理，用虚拟的模拟电荷代替电极表面连续分布的自由电荷或介质界面连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代。这些离散的模拟点电荷以R＜r为半径分布在导体截面内。这样，应用叠加原理，将分散的模拟电荷在空间所产生的场量叠加，即得原连续分布电荷所产生的空间电场分布。

模拟电荷法的应用如下:设有n个模拟电荷Qj(j=1，…，n)均匀分布在以r为半径的圆周上，在导线表面圆周上设置设定数量等同于模拟电荷数匹配点，匹配点上的电位已知为φi(i=1，…，n)，为所施加电压。根据叠加原理，在圆周上找到n个匹配点，可逐一列出由设定的模拟电荷所建立的电位表达式即

矩阵中P是n×n电位系数矩阵，表示第j个模拟电荷源在第i个匹配点上产生的电位值;Q是1×n离散模拟点电荷列矢量。φi是匹配点的电位列矢量，都等于已知电位φ0。

为了满足地面电位为零的边界条件，在与地面的镜象处设置其镜象电荷Qj=－Qj。

那么Pij(第j个点电荷对场点i的电场系数)=

其中

4 各因素对电晕放电特性的影响

4.1 自然因素的影响

大气条件，包括气压、温度、湿度、等各种自然因素都影响电晕放电的产生和发展。海拔增加气压降低，输电线路的起晕电压也会随之降低。所以高海拔地区的输电线路不一定能够安全运行。目前，大多数国家以及国际电工委员均以相对空气密度和绝对湿度两个参数来表征大气条件对电气外绝缘放电电压的影响。湿度的增加也会导致起晕电压下降，而且低气压下湿度的影响将会更加显著。环境温度的升高也影响着电晕放电特性，因为随着温度的上升，空气密度下降，这使得空气中电子的自由程度增大，加剧了碰撞电离的产生，最终导致起晕电压的下降。国内外虽然对各种影响因素的研究很多，但是对综合因素的考虑却很少。随着研究的不断深入，降雨、污秽、风、冰等方面也成为影响电晕特性的热点。

4.1.1 不同海拔下电晕特性影响

中国西北750kV输变电工程在建和规划的多条线路要跨越高海拔地区。结合文献[1]的试验研究结果获得高海拔地区750kV输电线路工程不同分裂型式的电晕特性参数以及分析结论。文献[7]对武汉、西宁、海北三个不同海拔点在干燥条件下起晕电压测量结果进行分析，得到适用于6×LGJ－400/50导线的指数和线性海拔校正公式。图4为起晕电压随海拔的变化关系。

4.1.2 湿度对电晕特性的影响

文献[8]实验在玻璃气压罐中进行，通过改变气压罐中的气压和湿度进行实验，结合计算和误差校正，利用棒板电极，测量了不同气压湿度下的正直流电晕起始电压U以及电晕离子电流I和直流电压Uapp之间的关系曲线。结果表明，电离系数的增大，导致电离区域扩大是正直流电晕起始电压随气压降低而减小的主要原因。在高场强区域内，电离系数的增大，碰撞电离的增强是正直流电晕起始电压随湿度升高而减小的主要原因。

图4

4.1.3 温度对电晕特性的影响

文献[9]所述，实验在电气设备环境模拟试验箱中进行，调节气候箱的温度并对导线的电晕特性进行测量，从而获得导线电晕特性随空气温度的变化特性关系。实验结果总结，随空气温度的提高，导线起晕电压下降，起晕电压与空气温度间呈大致的线性关系。起晕后的电流随温度增加而线性缓慢的增长，增幅较小。电压越高，负极性可听噪声空气温度修正系数越大。

4.1.4 雾水电导率对电晕特性的影响

文献[10]重点研究盐雾电导率对导线交流电晕放电特性的影响，实验试品选用的是LGJ－80/30型钢芯铝绞线。实验装置包括电晕笼、雾发生装置、电晕放电紫外信号的采集装置。在不同雾水电导率下观测平均光子数和外施电压的关系。实验结论表明电导率不高的轻污染物对交流输电导线有影响，绝对湿度在一定范围内的增大会导致导线起晕电压的升高。雾对交流输电线路电晕特性的影响与雾水电导率有关系，随着电导率的增加，起晕电压会降低。附着在导线表面的雾颗粒形成尖端放电，使表面电场畸变。所以雾水电导率越高，畸变越严重。

4.1.5 水滴对特高压直流输电线路电晕特性影响

文献[11]采用电晕笼在低电压下可获得与实际线路相同的电场强度。研究了水滴对导线起晕过程的影响和水滴对可听噪声的影响。结论得到水滴能够让起晕电压降低，最低可降到原有的一半。水滴也会使刚起晕时的可听噪声降低，在相同电压下，导线的可听噪声会随着表面水滴强度的增加而增加。

4.1.6 导线污秽对高压直流输电线路电晕特性的影响

文献[12]实验采用电晕笼和一根型号为 LGJ 300－40的钢芯铝绞线。实验中，在导线表面用毛刷均匀地涂抹一层人工污秽来模拟实际线路表面附着的污秽物质。实验测量了三种不同污秽的电晕特性包括:灰、灰+盐、灰加盐+碳粉。实验结果分析表明导线表面的污秽能明显提高高压直流输电的电晕损耗和可听噪声。不同种类的污秽对电晕特性的影响也不同。其中污秽中的盐分对特晕损耗的影响较大。导线表面污秽存在时，正负极的导线电晕损耗相差不大，但是可听噪声正极导线明显大于负极。

4.1.7 风沙条件对电晕特性的影响

文献[13]实验采用风沙模拟子系统，该系统充分考虑西北当地风沙地区的风速和体积分数，确定了风速上限为20m/s，风沙体积分数上限为10－6。在设计中融入了风沙对导线最用影响范围的计算，确定了管道出口高度为2m。在管网的设计中利用fluent软件进行风沙在管道混合段中的数值模拟。每个子管系统的储沙仓考虑到高风速情况下漏斗的机械强度，采用梭型设计。风沙模拟子系统采用现代光纤、现代数字信号处理、虚拟仪器等技术。设计了电晕可听噪声测量系统、电晕无线电干扰测量系统、电晕损失测量系统。该模拟试验系统设计为风沙条件下导线电晕特性进一步研究奠定基础。

4.1.8 雨凇对导线起晕电压特性的影响

文献[14]实验小型多功能人工气候室内进行，可用来模拟雨凇、雾凇及混合凇等不同覆冰形态。在实验室内对LGJ－185/25导线进行15、30、45和60min的雨凇覆冰，之后加工频交流电压至与估计起晕电压的90%。同时观测光字数出现的录像，利用有限元模型对观测数据进行数据修正。实验结论表明雨凇覆冰在导线表面覆盖，会使其原有形态改变，冰柱尖端的减小会使到现在很低的电压下出现电晕放电。随着覆冰厚度的增加，导线起晕电压将会降低。盐度较高的覆冰会使导线起晕电压逐渐下降。雨凇对导线的主要影响来自于冰柱尖端产生的电场畸变，冰尖越细则尖端放电越严重。实验最终得到的起晕电压修正公式有利于快速得到覆冰后导线表面的起晕电压值，为输电线路工程计算提供参考。

4.2 非自然因素的影响

一些非自然因素例如导线的半径、表面喷砂处理、导线表面粗糙程度对导线起晕电压特性有一定影响。现今，大多文献中导线附近区域电场的计算大都采用模拟电荷法。

4.2.1 架空线高度和半径对起晕电压的影响

文献[15]表明单根导线的半径一定，架空高度变化时的起晕电压如图4所示。

对于半径小于10mm的导线，起晕电压随架空线路的增高而加强，但幅度很小。当导线半径较大时，起晕电压随架空线路高度的增高而增高。不论半径大小与否，起晕电压增加到一定高度后，最终逐渐达到饱和状态。当架空线路的高度一定时，如图4为单根导线变化时起晕电压的变化。随着导线半径的增加，起晕电压也随之增加。因为导线半径的增大会导致表面曲率减小，从而表面电场减小，相应的起晕电压增大。

4.2.2 导线表面喷砂对起晕电压的影响

文献[16]采用单导线圆通结构研究表面光洁度及导线材料对导线起晕电压的影响。实验采用三种不同半径的不锈钢导线、铜导线。对每种材料同一半径的导线表面做处理，包括表面喷砂、工业棒、抛光棒、电抛光棒。实验结果分析不锈钢和铜导线各半径下正、负极的起晕电压没有明显偏差。同等材料，相同半斤的导线，表面不经过喷砂处理，不同的表面光洁度对直流正、负极电晕起晕电压影响很小。表面经过喷砂处理后，对负极性电晕起晕电压影响显著，能使导线在较小的起晕电压下起晕，但是对正极起晕电压影响不明显。

4.2.3 不同运行方式下直流输电线路起晕特性

文献[17]研究了不同导线截面和分裂方式下线路表面电场和起晕电压。单极性运行方式下，其他条件一定随着分裂数的增加，起晕电压不断增加。同分裂数排列方式不同，起晕电压不变。线路最先起晕在场强最大的子导线上。双极运行方式下，起晕电压低于单极运行，但是起晕场强高于单极运行。说明双极运行方式下更加容易起晕。双回高压直流输电线路运行方式下，导线的起晕电压与导线分裂数无关，其他条件不变，导线的起晕场强随着子导线的截面面积的增加而减小。

5 总结与展望

本文首先对电晕放电的机理和电晕起始电压做了系统性的概述。在此基础上，详细列举自然因素和非自然因素条件对电晕特性的影响，并对实验过程进行了叙述，对实验结论进行了总结。特此提出一些建议:

(1)起晕电压和起晕场强的计算公式和校正公式存在较大的误差，需要进一步统一改进并制成软件。

(2)双极电晕放电过程中空间电荷对起晕电压影响的问题还有待研究。

(3)为了更好的揭示温度、湿度、压强等因素对电晕放电的影响，应设计更好的控制环境因素的电晕笼。

(4)综合各方面因素，我国应该进一步开发电晕损耗测量仪器，进行不同天气条件下高海拔电晕损耗的实测研究。总结出符合我国地貌需求的特高压线路电晕损耗计算方法。

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