±800 kV直流同塔双回输电线路雾霾天气下电晕电场效应研究

杨金洪，孙东磊，杨 娜，冀 君

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南 250118；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250021）

±800 kV直流同塔双回输电线路雾霾天气下电晕电场效应研究

杨金洪1，孙东磊2，杨 娜1，冀 君1

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南 250118；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250021）

考虑不同湿度和不同污染等级雾霾状况，结合起晕的湿度效应和悬浮微粒的荷电机理，采用有限元方法计算±800 kV同塔双回UHVDC输电线路的电晕电场效应，得到了雾霾天不同的线路排布方式和线路布局参数下的地面合成电场和离子流密度变化规律，并进行了相应机理分析。为分析雾霾对同塔双回UHVDC输电线路电晕电场特性影响以及考虑雾霾天的同塔双回UHVDC输电线路参数设计提供参考。

特高压直流输电线路；电晕电场效应；同塔双回；合成电场；雾霾

0 引言

我国已建成了同塔双回紧凑型交流输电线路［1］和±500 kV同塔双回直流输电线路［2］，在优化资源配置和节省输电走廊方面取得了较好的社会经济效益。当前，特高压直流（UHVDC）输电已成为我国坚强智能电网和特高压交直流电网建设的重要部分［3］，且同塔架设的高压直流输电线路适合我国电网发展需求，±800 kV特高压直流输电工程也成必然发展趋势。目前，国内外关于高压直流线路电晕离子流场（简称离子流场）的研究较为全面［4-8］，但是对于考虑雾霾影响时的离子流场分析尚未见报道。

随着电压等级的提高，导线表面空气更易电离而形成电晕。电晕是造成直流输电线路周围电磁环境问题的关键因素，其中又以电晕的电场效应最为突出，其他电磁环境参数及电晕损耗等均以电场分析为基础［9］。特高压线路是由电场限值等参数决定特高压输电线路的导线排布方式、对地高度、导线参数等［9-11］，且电晕发生的剧烈程度与天气条件密切相关［12-13］。雾霾是一种污染天气现象，是随着大气细微颗粒物PM2.5（粒径小于2.5 μm的颗粒物）的提出而定义的。雾霾具有不同的湿度特征，且其不同污染等级所含的悬浮微粒数也不同［14-15］，这将导致该类天气下的电场效应机理分析更加复杂。因此，在雾霾频繁持续发生的现状下，研究UHVDC输电线路电晕电场效应在雾霾天的机理特性具有现实需求性。

为此，结合雾霾湿度和颗粒荷电特性，分析导线表面起晕机理，使用有限元数值仿真方法［16］计算研究雾霾天气下±800 kV同塔双回UHVDC输电线路电晕电场特性，得到各类雾霾污染状况下不同的导线排布、线路布置和线路参数选择时对应的电场强度和离子流场的变化情况，为雾霾天气下的特高压同塔双回直流输电线路工程电场分析提供理论依据。

1 线路布局方式和电磁环境限值

1.1 ±800 kV双回直流输电线路排布方式

对于双回直流输电线路，其4个极性可能的排布方式有8种［9］，分为上下排布方式（有同回同侧与同回异侧布置）和水平铺开方式。对于不同的排列方式，极导线之间的相互位置不同，不同排列方式下导线间相互影响的程度不同，这导致导线表面电场强度也有差异，进而导致线路在电晕特性方面的不同。通常，基于以下几方面因素选择导线排布方式。

1）工程中一般认为正负极导线的起晕参数和正负离子迁移率基本相同，且不受极导线布置方式的影响；

2）同极性导线距离较近时，相互屏蔽作用可以改善线路电磁环境；

3）正极性导线集中布置且靠近地面时将造成无线电干扰和可听噪声较大；

4）线路水平铺展方式线路走廊宽度较大，不利于节省土地资源；

5）工程上一般不建议采用同回同侧排列方式［9，17］。

基于以上考虑，将图1所示的两种双回直流线路双层布置方式作为本文研究对象。

图1 极导线排布示意

1.2 导线和地线参数

±800 kV特高压同塔双回直流输电线路布置形式如图2所示，其中，D1为上层极间距离，D2为下层极间距离，D3为地线之间的距离，h1为上下层导线间的距离，S1、S2和S3分别为下层极导线、上层极导线和地线离地高度。

图2 同塔双回线路布局示意

工程实际中，导线通常采用6分裂形式，分裂间距为450 mm，两回路导线相同，导线可选参数如表1所示，地线参数选择如表2所示。

表1 导线参数

表2 地线参数

1.3 UHVDC输电线路电晕电场效应

线路正常运行时，若表面电场高于电晕起始场强，附近的空气发生电离并形成电晕，周围空间存在正、负离子，当区域附近存在其他颗粒物的分布时，经相互作用将会形成新的稳定离子流场。电晕电场效应主要表现为标称电场、地面合成场强和离子流密度，我国对电磁环境的限值是针对后两个量的最大值设定的。粒子间相互作用会影响电晕起始特性，颗粒会吸附离子而荷电，在空间形成新的带电微粒，这些导致离子流场（即电场效应）机理更加复杂。

地面合成场强是由线路本身结构、电压等级以及电晕放电共同决定的，是标称电场和空间带电离子电场的向量叠加。离子流密度由空间电荷在电场力的作用下运动而形成的。依据我国特高压直流输电线路技术规范［11］的控制指标，表3为地面合成电场和离子流密度限值。已有研究［20］指出，单回线路对地高度是影响高压直流输电线路电晕电场效应的主要因素，故分析同塔双回线路布局参数在雾霾天对电晕电场效应的影响。

表3 电晕电场效应限值

2 计算原理

2.1 雾霾及其污染等级的划分

2.1.1 雾霾及其湿度特性

雾霾为气体和细微颗粒物的混合气溶胶［15］，雾霾微粒可视为气体、悬浮雾滴微粒和细微悬浮固体颗粒物（霾粒子）的混合。另考虑到湿度对于细微粒子气溶胶的形成和空气污染的集聚有很大影响，使用图3所示的基于湿度的模型对雾和霾进行划分［14］，相对湿度范围为50%～100%。

图3 雾与霾区分的概念模型

2.1.2 雾霾污染等级的划分和悬浮微粒荷电

依据我国对雾霾的研究资料［14-15］并结合图3，对雾霾污染等级及相应的悬浮霾粒子与雾滴进行分类和微粒个数浓度计算，如表4和表5所示。本文中2级及以下污染等级视为正常天气状况。

表4 雾霾污染等级与API指数

表5 不同雾霾污状况的湿度取值

雾霾中的悬浮雾滴和悬浮霾粒子在与离子相互作用的过程中迅速荷电，通常，各微粒的饱和电量qs可表示为

式中：Es为所在位置的合成电场；r0为颗粒半径；εr为粒子相对介电常数，已有研究认为参数εr／（εr+2）一般在0.5～1的范围内变化［22］，不失研究的合理性，同时为了突出霾粒子荷电效应，雾霾天气下，对于悬浮雾滴，εr／（εr+2）取保守值（即雾滴最低饱和荷电时的值）0.5，而对于悬浮霾粒子，其介电常数与雾水电导率存在相关性，依据输变电设备外绝缘表面雾水电导率的相关研究，将εr／（εr+2）近似取值为0.9。

基于以上分析所求得的颗粒荷电量作为源项（激励项）参与离子流场计算。

2.2 双回直流输电线路电晕离子流场的计算

2.2.1 雾霾条件下离子流场的基本控制方程

雾霾微粒对气体放电过程造成影响可归结为两个方面：一是雾的作用，体现为湿度改变带电粒子在电场中的行为，从而影响电晕起晕特性；二是雾滴和霾粒子的荷电作用，悬浮细颗粒物在和离子相互作用的过程中吸附离子，形成新的悬浮带电微粒。此外，雾霾天气发生时多伴随静稳天气，由此可忽略风速的影响。计算中忽略扩散电流和数量极少的游离态电子的作用。雾霾天高压直流输电线路离子流场的基本控制方程表示如下。

泊松方程

电流连续性方程

其中，

式中：φ为电势，V；E为电场强度，V／m；ρ为空间电荷密度，C／m3，将受到荷电微粒影响而发生改变，计算中应予以修正；ε0为空气的介电常数，F／m；J为离子流密度，A／m2；k为雾霾天气中的离子迁移率，m2／Vs；V为带电悬浮微粒的移动的速率，m／s，一般可有带电微粒受力性质决定［12］。

基于以下假设，使用有限元法［23］对式（1）～（5）进行求解：

1）电晕层的厚度忽略不计；

2）考虑悬浮微粒场致荷电效应，不考虑离子扩散；

3）杆塔结构对离子的影响不考虑，正负离子迁移率恒定。

2.2.2 雾霾条件下导线表面场强

考虑到悬浮刚性霾颗粒与输电线路表面作用的过程性和微观运动机理，导线在雾霾天气持续过程中，积污量变化微小可忽略不计。另外，起晕过程的分析中，不计及导线表面凝露或水滴，只考虑因水气微粒所致的电晕放电起始场强降低［24］。因此对于不同湿度条件下的雾霾电晕起晕计算使用文献［24］中计及湿度的正负起晕修正公式，正负极起晕参数（Ec+-）基本相同，故取其平均值，即

其中，

其中，Φsur为影响因子，可表示为

式中：E0和K为常数，由干燥光滑导线表面所加电压特性决定；Ec为导线表面起晕场强；m为导线粗糙度系数；δ为空气相对密度；r为导线的半径；H为环境的相对湿度；Pw为饱和水蒸汽分压；P为湿空气压强。

3 不同线路排布方式的电晕电场效应

考虑图1所示同塔双回线路的两种排布方式，以导线LGJ630／45为例进行分析，其中参数设置为：D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m［9］。计算不同雾霾污染等级下各线路排布方式的地面合成场强和离子流密度最大值变化如表6所示。

表6 不同雾霾污染等级下的各排布方式线路的地面合成场强和离子流密度

由表6可知，雾霾污染程度在4级及以下时，线路排布方式a和b的地面合成场强近似相等，污染程度加重时排布方式b地面合成场强大于方式a；两种布置方式下离子流密度较接近。究其原因，一方面是排列方式a的同极性导线较排列方式b集中，悬浮雾霾微粒荷同种极性电荷的概率较大，增加了电晕电场效应；另一方面，排列方式a由于不同回路同极性导线之间强的互相屏蔽作用会改善电场环境，故随着雾霾污染加剧，排列方式b的地面合成场强大于排列方式a。

4 不同线路设计参数的电晕电场效应分析

不计塔形变化和导线弧垂，固定D3和S3（见图2的地线布置）的值，以导线排布方式a为例，研究包括导线型号、线路最小对地高度、极间距离以及回路间距等在不同污染状况的雾霾天对双回直流线路电晕电场特性的影响。

4.1 不同型号导线的电晕电场特性分析

以D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m为例，各导线型号如表1所示，不同污染等级下电晕电场特性值如表7和表8所示。

结合表1、表7和表8的结果可得：同等雾霾污染状况下，导线半径越大，地面合成电场和离子流密度越小；同种类型的导线，随着雾霾污染等级增加，地面合成电场和离子流密度也随之增大，且增加的幅度变大。可见，大截面导体有利于改善重雾霾天直流线路的电晕电场特性。但需注意的是，当雾霾达到6级污染时，电场效应又有增强趋势（见括号中的值），因此工程中同塔双回导线的外径也不宜选择过大。

表7 雾霾天不同型号导线的地面合成电场

表8 雾霾天不同型号导线的地面离子流密度

4.2 线路间距对电晕电场特性的影响

在直流双回线路上下层布置时，线路间距分为回线垂直间距和水平极间距离，极导线的间距影响导线之间相互作用。不同污染状况的雾霾天气，以导线LGJ-630／45为例，两回线间距h1为2 m、5 m、7 m（如 （21，23）表示回间距为2 m），D1=D2=22 m不变时，电晕电场特性值如表9所示；线路水平极间距D1（或D2）分别为18 m、22 m、26 m、30 m（如（-9，9）表示极间距为18 m），h1=2 m不变时，电晕电场特性值如表9和表10所示。

表9 雾霾天气下线路间距不同时的地面合成电场

表10 雾霾天气下线路间距不同时的地面离子流密度

由表9和表10可知，同塔双回线路之间的距离一定时，雾霾污染等级越高，地面合成电场和离子流密度值越大，且雾霾污染达5～6级时两者的增大幅度比同样雾霾天气下随着回线间距增加的明显。由此说明在重雾霾天气下回线间距越小越好；回路的极导线间距一定时，雾霾污染等级越高，地面合成电场和离子流密度值也越大，即使其增值可以通过增大极间距补偿一部分，但满足5～6级重雾霾条件下电晕电场特性的极间距会过大而不利于节省走廊宽度，故不能只通过调整极间距而完全补偿雾霾带来的影响。

4.3 线路最小对地高度对电晕电场特性的影响

若不计导线弧垂，线路最小对地高度为下层回线的对地高度（即图2中的S1）。以导线LGJ-630／45，D1=D2=22 m，h1=2 m为例，S1取18 m、20 m、22 m和24 m时的电晕电场效应值如表11和表12所示。

表11 雾霾天不同对地高度的地面合成电场

表12 雾霾天不同对地高度的地面离子流密度

由表11和表12可知，同一对地高度，随着雾霾污染等级增加，合成场强和离子流密度逐渐增大；同一雾霾污染等级下，随着导线距离地面高度增加，合成场强和离子流密度迅速增大，即使在6级污染程度下，最小对地高度仅增加2～4 m即可使电晕电场特性值在表3规定的范围内。可见当导线最小对地高度不同时，其对电晕电场特性的影响大于雾霾污染的影响而成为主导因素。故可通过适当提高线路高度来克服雾霾天气下的电场特性畸变。

5 结语

同塔双回UHVDC输电线路的排布方式在4级及以下污染程度的雾霾天气中，电晕电场特性差别不明显。而随着雾霾污染程度加剧，同极同侧双层布置的线路对于抑制地面电场特性的变化优势更为明显。

同塔双回各极导线选择大截面导体有利于改善重雾霾天直流线路的电晕电场特性，但在雾霾污染达6级时，电场效应又表现出增强趋势，故实际工程中导线的外径不宜选择过大。

双回线路回线间距增大不利于克服重雾霾天气对电晕电场效应造成的影响，因此回线间距应越小越好；而极间距的增加可在一定程度上补偿雾霾天气对电晕电场效应造成的影响，但从节省线路走廊的角度来考虑，极间距又不宜过大。

导线最小对地高度对电晕电场特性的影响显著大于雾霾污染程度的影响，线路最小对地高度的增加能够有效克服雾霾天气下电晕电场特性值的增加。

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Research on Corona Electrical Field Effect of±800 kV DC Double-circuit Transmission Lines on the Same Tower in Haze Weather

YANG Jinhong1，SUN Donglei2，YANG Na1，JI Jun1
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.Economic&Technology Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 25002l，China）

With the consideration of different kinds of haze，various humidity and pollution levels，as well as the influence of humidity and charging effect on corona inception，the corona electric field of±800 kV double-circuit ultra-high voltage direct current（UHVDC）transmission lines on the same tower is calculated with a finite element method（FEM）.Total ground-level electric fields and ion-flow densities for different kinds of conductor arrangement under fog-haze condition are presented，which followed by the results analysis from a physical point of view.This study would provide references for the influence analysis of hazy weather on field characteristics of UHVDC transmission lines on the same tower as well as the parameters design of UHVDC transmission lines under fog-haze weather.

UHVDCtransmissionlines；coronaelectricfieldeffect；double-circuitonthesametower；totalelectricfield；fog-haze

TM721.1

A

1007－9904（2017）02－0001－06

2016-11-02

杨金洪（1991），女，从事高压直流输电电晕放电领域的研究工作。