高压直流输电线路电晕放电的研究

刘冠杰

摘 要：我国能源分布不均以及生产力发展的特点需要走西电东送的能源战略，高压直流输电在此表现出了独特的优势，但因高压直流输电具有很高的电压等级，电晕放电成为不可避免的现象，会造成可听噪声、无线电干扰和电晕损耗等问题，这将会对环境和系统造成不利的影响。因此，对高压输电线路电晕问题的研究具有重要的学术研究意义和工程实际应用价值。

关键词：高压；直流输电；电晕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.159

0 引言

随着社会经济的不断发展，电力需求急剧增加，但我国幅域辽阔，能源分布与电力负荷不平衡。在经济发达的东部地区，用电负荷比较集中，需要更多的能源，但东部地区能源相对匮乏；西部能源丰富，例如，水能、风能与煤炭资源，但这些地区经济发展比较落后，用电负荷较少，需求较低。这就造成了我国形成了“西电东送，南北互供、全国联网”的电力输送格局，对于这种大容量、长距离的电力输送，高压直流输电具有明显的优势，实现了全国范围内的资源优势和经济优势的互补，对促进我国经济全面快速的发展，有着广阔的应用前景[1，2]。

在高压直流输电过程中，线路不可避免的会产生电晕放电。线路正常工作时，能够允许一定程度的电晕放电，但是随着电压等级的不断提高，电晕放电问题愈加突出。电晕放电不仅会造成线路的能量损耗，还会产生一些环境问题[3，4]。现在，人们的环保意识逐渐加强，越来越重视电晕放电的问题，因此开展高压交流输电线路电晕现象的研究具有重要的价值和现实意义。

1 高压线路电晕产生的机理及影响

1.1 高压线路电晕产生的原因

高压输电线路工作时，导线附近存在电场，环境空气中存在大量的自由电荷，这些带电粒子在电场作用下做作定向运动。电场强度的增大，带电粒子在撞击空气中的分子（或原子）过程中所获得的能量也逐渐增大，当电场强度达到某一临界值时，带电粒子在运动过程中获得足够的能量使得空气分子发生电离，此时的电场强度为使气体能够发生电离的临界值。电离后的电子受到电场力作用做定向運动，碰撞空气分子发生电离产生新的电子，新的电子参与碰撞发生新的电离，当电场强度足够强时，更多的电子通过上面过程不断产生，如此反复循环形成电子崩[5]。离子质量与电子质量的差距使得在电场作用下，质量小的电子的运动速度要远远大于质量大的离子的运动速度，碰撞后产生的电子和电离产生的电子分别向各自方向进行扩散，因此电子崩的头部呈球形，电子雪崩如图1所示。图中-号表示电子，+号表示正离子。当电子雪崩发展到一定程度后转变为流注放电，这时放电为自持放电，也称为电晕放电。

对于导体来说，可分为正极性导体和负极性导体[6]，对于正极性导体，电子雪崩沿电场力的方向向导体方向发展，对于负极性导体，电子雪崩的发展方向与正极性导体相反。

1.2 电晕放电的危害

电晕放电产生高频脉冲电流含有高次谐波，无线电干扰频率范围比较宽，对正常的通讯设备造成影响，这种影响随着输电线路电压等级的增加而增加。电晕放电还会导致空气进行一些化学反应，生成臭氧、氮氧化物等，它们的强氧化性会对固体介质及一些金属电极造成损腐蚀和损坏。同时，电晕放电产生的能量损耗，降低了电能的传输效率[7]。

2 影响高压输电线路电晕的因素

电离层是指能够使导体附近的气体发生电离的区域，超过此区域，电场强度太弱以致空气中不会发生碰撞电离，距离导体越远，电场强度也会逐渐变弱，电离层会局限在导体附近较小的区域内，而不会无限延伸[8]，因此电晕放电为局部放电。

2.1 导线表面状况对电晕的影响

输电线路表面的不光滑容易生成极不均匀电场，于曲率半径小的电极附近产生电晕放电，因此，输电线路表面的状况能够影响电晕放电现象。如灰尘、树叶以及昆虫等沉淀物附着在导体表面，会使导体表面局部电场增加，导致导体附近发生连续放电现象，从而因其电晕现象。随着环境的变化，雾霾天气使得导体表面增加了很多难以清理的附着物，因此，季节在一定程度上同样影响电晕放电。同时，导体本身材质原因所形成的不光滑会使其表面形成曲率半径很小的凸起，从而导致形成电晕放电点，这些凸起物能够使电场发生畸变，在电场不是很大的时候成为电晕的放电点，这些放电点随电场强度的增大发展成为全面电晕，从而形成电晕放电现象。

2.2 天气情况对电晕的影响

天气的变化能够影响输电线路的起晕场强，从而影响输电线路的电晕，其中对电晕影响最大的天气状况便是降雨。降雨会使雨滴大量的附着在导线的表面，导体表面的雨滴在电场力的作用下形成曲率半径很小的尖端，这种变化使得电场畸变引起导线气晕电压的降低，使输电线路发生电晕放电。附着在导体表面的雨滴增加了电晕损耗，但降雨量的增加增大了雨滴附着在导体表面的能力，使雨滴难以在导体表面附着，降低了输电线路的电晕损耗。同时，大量的雨水能够清理输电线路表面的沉淀物，将使增加了输电线路表面的光滑度，降低了导体表面状况对导体电晕的影响，减少了电晕的发生。

2.3 空气湿度对电晕的影响

空气湿度对高压直流输电线路电晕的影响，主要表现在对电晕可听噪声、电晕无线电干扰以及电晕损耗的影响。当空气湿度增加时，增强了空气水分子对电子的吸附能力，捕获大量的自由电子，降低了空气中自由电子的数量，难以达到放电条件，从而抑制了电子崩的发生。但是当湿度达到一定程度时，在导线表面和附近附着更多的水滴，容易形成电晕点。因此，通过修订的Peek公式可知，空气湿度对电晕的影响需要考虑导体半径大小与极性的影响[10]。

电晕可听噪声是高压直流输电导体发生电晕时的一种声频干扰，主要因电晕放电过程中的流注放电而产生。在电晕放电过程中，正极性导体流注放电的幅值高、时间长、可听噪声强，负极性导体流注放电的幅值低、频率高、可听噪声低。因此，在高压直流输电工程中，一般忽略负极性导体电晕放电所产生的可听噪声。随着空气湿度的增加，对于正极性导体，大的导体半径可听噪声逐渐减小，小的导体半径可听噪声逐渐增大。

高压直流输电线路发生电晕时，导体附近空气被电离产生大量自由运动的电荷，在电场力的作用下，电荷进行定向运动，形成具有脉冲形式的感应电流，从而在线路附近产生无线电干扰。电晕放电时，正极性导体的放电点一般分布在有缺陷的导体表面，放电脉冲幅值大，且很不规则，而负极性导体的放电点分布均匀，脉冲幅值小且大小基本相等。因此，输电线路的无线电干扰主要由正极性导线所产生。随着相对湿度的增加，正极性导体产生的电晕无线电干扰逐渐降低。湿度较大时对大的导体半径具有较明显的影响，但随导体表面电场强度的增大而降低；湿度对小的导体半径影响很小，且不受电场强度变化的影响。因此，雨天中的高压直流输电线路电晕无线电干扰比晴天中的有所降低，干雪时直流输电线路电晕无线电干扰增加，湿雪会使干扰略微减少。

输电线路发生电晕放电时，此时电离、附着等物理过程将会产生离子，离子的产生以及在电场作用下的运动都需要消耗能量，此过程中消耗的能量大多被转化为热能使导体周围空气温度升高，另外小部分将会被被转化为电磁辐射、光子辐射、声能、以及生成臭氧和一氧化氮等电化学能，电晕放电过程所产生的能量损失称之为电晕损耗。湿度变化对电晕损耗的作用受导体半径和导体极性的影响，随着湿度的增加，對正极性导体而言，大半径导体的电晕损耗逐渐减小，小半径导体的电晕损耗逐渐增大；对于负极性导体而言，大半径导体的电晕损耗先减小后增大，小半径导体的电晕损耗随逐渐增大。随着电场强度的增加，湿度对高压直流输电线路电晕损耗的影响逐渐减小。

3 总结

本文主要就高压直流输电线路的电晕放电进行研究，首先对高压直流输电电晕效应的形成的机理以及电晕放电的影响进行分析，然后对电晕放电的影响因素进行了研究，分别研究了导线表面状况、天气情况和空气湿度对电晕的影响进行，并得出电晕放电随影响因素变化的规律，这对于研究电晕放电以及如何避免高压直流输电线路的电晕放电具有重要的意义。

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