计及海拔、湿度和颗粒物影响的高压直流输电线路离子流场特性研究综述

2021-12-08卢铁兵申南轩苏子寒马文祚

南方电网技术 2021年10期

卢铁兵，申南轩，苏子寒，马文祚

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206；2.国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北廊坊065000)

0 引言

为了解决能源分布不均的问题，我国已建成了±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1 100 kV等20余条架空直流输电线路。±800 kV及±1 100 kV特高压直流输电工程的稳定运行，标志着我国直流输电技术已经达到世界领先水平。

高压直流输电线路电晕放电时产生的空间电荷会引起地面合成电场和离子流，导致离子流场问题[1-2]。电力行业标准DL/T1088—2008推荐：直流线路下地面合成电场场强不超过30 kV/m，离子流密度不超过100 nA/m2[3]。针对±800 kV架空输电线路的设计，国家标准GB 50790—2013规定：晴天情况下，非居民区和居民区地面合成电场场强限值分别为30 kV/m和25 kV/m、离子流密度限值分别为100 nA/m2和80 nA/m2[4]。为了评估、监测和管理离子流场，2020年12月我国开始强制执行国家标准GB 39220—2020。该标准规定：为了控制合成电场的公众曝露危险，监测点合成电场场强连续测量数据的95%绝对值(E95)的限值为25 kV/m，且连续测量数据的80%绝对值(E80)的限值为15 kV/m；耕地、园地、牧草地、畜禽饲养地、养殖水面、道路等场所的合成电场场强E95限值为30 kV/m[5]。所以，作为电磁环境保护的重要指标，离子流场直接影响着高压直流工程的设计、建设和运行。

我国部分特高压直流输电线路情况如表1所示，线路长度在1 100～3 300 km之间。

表1 特高压直流输电线路

此时，特高压直流输电线路会面临多种复杂线路结构和气象条件，包括：交直流线路共用走廊、线路附近存在复杂物体(房屋、树木、农用大棚等)、跨越其他交流或直流线路、跨越复杂环境(高海拔、高湿度、高污染等)地域，如图1所示。为了使输电线路满足电磁环境友好的设计要求，需要进行离子流场的建模计算、试验测试等方面的深入研究，进而获得复杂条件下离子流场特性及其影响因素。

图1 离子流场问题面临的复杂条件

多年来国内外对高压直流输电线路离子流场问题做了大量卓有成效的研究，提出了多种可用于工程实际的计算方法[1,6]。最初，针对单回直流输电线路的二维离子流场问题，美国、加拿大、日本等国家进行了实验和计算研究[7-10]。随着直流输电工程的建设需求，瑞士、南非、巴西和韩国等进一步开展了数值计算方法的研究[11-14]。我国在特高压直流工程的引领下，在国家科技支撑计划项目、973项目、国家自然科学基金重点(面上)项目、国家电网公司和南方电网公司科技项目的重点支持下，中国电力科学院(武汉高压研究所)、清华大学、华北电力大学、武汉大学、重庆大学、南网科研院、浙江大学、上海交通大学、华中科技大学、山东大学等单位，分别针对离子流场问题进行了实验测试和特性分析[15-20]，并由单回直流输电线路扩展到复杂结构线路的离子流场特性分析，计算模型由二维扩展到三维，提出了多种有效的离子流场计算方法，实现了同塔双回(多回)直流线路、交直流并行线路、交叉跨越直流线路以及输电线路下存在复杂物体(建筑物、人体、金属网、农用大棚等)时离子流场特性的分析和计算[21-32]，可反映中等湿度、空气质量较好情况下的离子流场特性。但是，计算模型未能充分反映海拔、湿度和灰霾颗粒的影响机理，不能有效预测高海拔、高湿度、高污染情况下离子流场分布。因此，高海拔、高湿度、高污染地区的高压直流架空线路设计方案偏于保守，建设成本较高。2019年11月，我国对GB 50790—2013标准[4]进行了局部修改，并于2020年3月1日开始实施。修订版进一步明确：直流线路设计必须考虑海拔、湿度、空中颗粒物对离子流场的影响[33]。

离子流场受线路结构、气象因素影响较大。由于复杂线路结构时离子流场特性的研究较为成熟，所以，本文重点梳理和总结了气压(海拔)、湿度和颗粒物等气象因素对离子流场特性的影响，阐明了复杂气象条件下高压直流输电线路离子流场研究中存在的主要问题，并提出了研究建议。此外，由于离子流场特性直接与导线的电晕放电起始特性有关，所以本文还介绍了海拔、湿度、颗粒物对电晕放电的影响。

1 海拔对离子流场特性的影响

当海拔增加时，由于气压和空气密度降低，导线更容易发生电晕放电，地面离子流场会因而增加。

1.1 不同海拔下电晕放电起始特性

国内外学者对不同海拔下的电晕放电特性开展了大量研究，主要是将海拔影响转化为气压的影响。20世纪初，基于不同环境下光滑圆柱形导体的电晕放电实验结果，Peek提出了用于预测光滑圆柱形导体的经验公式[34]，在考虑了空气密度对电晕放电的影响后，可间接反映气压(海拔)对起晕场强的影响。Robinson[35]、Waters[36]等人进一步开展了电晕放电实验，分别提出了适用于不同电极结构的起晕电压计算公式，通过修正空气密度体现了气压(海拔)对起晕场强的影响。1999年，Jose Garcia等人在海拔2 540 m处进行了电晕放电试验，结果表明：海拔对正直流放电的影响大于对负极性放电的影响；在海拔较高时，湿度的影响会有所减小[37]。2003年，Mac Alpine和Li测量发现：随着气压的降低，电晕电流会增大[38]。2004年Yamazaki等人分析了气压对电离系数、附着系数等放电参数的影响，初步分析了海拔对导线电晕放电特性的影响机理[39]。IEEE Std 4—2013推荐：采用0.8～1.05的空气密度修正系数，对不同气压(海拔)下导线起晕电压进行计算[40]。2018年Jordi-Roger等人比较分析了不同研究机构提出的海拔修正系数，发现不同文献的海拔修正系数有明显差异，且随着海拔高度的增加，其差异也明显增大[41]。

为了配合我国高压直流输电线路的建设需求，20世纪80年代，武汉高压研究所使用同轴圆柱电极在不同海拔位置测量了3种不同半径导线的起晕电压，并且和Peek公式的计算结果进行了对比[42]。1990年，为了满足我国高海拔地区超高压输电线路导线选型的需求，中国电科院刘有为等人从理论和实验两个方面研究了电晕放电起始特性的测量方法和不同分裂数导线的起晕场强[43]。2009年，蒋兴良等人利用绞线研究了气压对直流电晕起始电压的影响，基于光电离理论建立了考虑气压影响的电晕放电计算模型[44]。2013年，卞星明等人使用移动式电晕笼试验系统分别在武汉、西宁、格尔木和纳奇台对导线的电晕放电特性进行了测量，提出了近似的海拔线性校正公式[45]。2015年，刘浩等人使用针-板电极研究了气压对电晕放电特性的影响[46]。2018年，基于不同海拔下真型实验线段地面合成电场的测量结果，赵录兴等人提出了导线起晕场强的海拔拟合公式[47]。

不同学者得到的导线起晕电压(场强)海拔修正系数随海拔变化曲线如图2所示。可以看到：随着海拔的升高(气压的降低)，导线起晕电压逐渐减小，但是变化规律存在较大的差异。其原因可能是高海拔情况下起晕场强影响因素更多，例如：空间宇宙射线等。只考虑气压变化的模拟实验结果难以反映实际的情况。因此，目前的研究还不能有效解释高海拔电晕放电起始特性的变化规律和机理。

图2 起晕电压(场强)海拔修正系数

1.2 不同海拔(气压)下离子流场特性

虽然Chartier等人实验获得了500 kV交流输电线路无线电干扰、可听噪声的海拔修正系数[48]，但是，由于国外没有高海拔直流输电线路建设需求，所以对于不同海拔(气压)下离子流场特性研究较少。我国西部地区海拔较高，西藏水电送出等直流线路需经过海拔4 000 m的区域，因此，国内学者已在海拔(气压)对离子流场特性的影响方面做了大量的工作。20世纪90年代，青海电力试验研究所在武汉和西宁的缩尺模型试验表明：随着海拔高度增加，直流线路离子流场增大[49]。为了满足±500 kV 青藏直流联网工程的需要，2009年华中科技大学与国网电科院在6个不同海拔位置进行了室内直流电场的试验，结果表明：海拔每升高1 000 m，地面电场可增加2～4 kV/m[50]。青藏直流输电线路现场实测进一步确认了地面合成电场随海拔高度的增加而增加的规律。2013年，清华大学和南网科研院在位于海拔2 100 m的昆明特高压工程试验基地开展了离子流场的测试和统计分析[51]，研究结果反映了高海拔与低海拔地区离子流场的差异。2015年，华南理工大学和南网科研院测量了云广特高压直流线路6个海拔点的地面合成电场，得到了一些有价值的测试结果[52]，更好地反映了海拔对离子流场的影响特征。自2010年至2015年，中国电力科学研究院在4个海拔点进行了双极试验线路的地面合成电场测试，通过统计分析，获得了地面合成电场随海拔高度线性变化的规律[47,53]。2018年，中国电力科学研究院和华北电力大学利用人工气候室模拟海拔的影响，测量了正极单导线地面离子流场，初步分析了气压对离子流场的影响原因[54]。

综上所述，当前有关海拔对离子流场特性的研究主要集中在实验研究方面，虽然得到了海拔对离子流场的影响规律，但是还难以全面分析其影响机理，未能建立反映海拔影响本质特征的离子流场计算模型。

2 湿度对离子流场特性的影响

湿度变化时，导线起晕场强和离子流场均会发生变化。但是，不同研究人员的研究结果存在较大的差异。

2.1 不同湿度下电晕放电起始特性

为了分析不同湿度下的电晕放电特性，国内外学者进行了大量的实验和理论研究。1991年，唐炬等人在不同绝对湿度条件下采用平板电极稳态汤逊实验法，测量了电离系数和附着系数[55]，分析了绝对湿度变化对电离系数和附着系数的影响。1995年，L.Fouad和S.Elhazek使用棒-板电极结构研究了湿度对正极性导体电晕起始特性的影响[56]。2007年，麻敏华等人采用电晕笼在50%～80%湿度环境下对光滑不锈钢管直流电晕起始电压进行了实验[57]，研究结果表明：局部电晕起始电压受相对湿度的影响较大，全面电晕起始电压受相对湿度的影响较小。2008年，安冰等人使用电晕笼研究了相对湿度对光滑铜导线直流电晕起始电压的影响[58]，结果表明：随着相对湿度的增大，正极性导线的直流电晕起始电压逐渐增大，负极性导线的直流电晕起始电压逐渐减小。2010年，D.Rodriguez等人利用棒-板结构在不均匀电场下研究了湿度对导体电晕起始电压的影响，结果表明：导体电晕起始电压随相对湿度的增大而减小[59]。2014年，蒋兴良等人使用电晕笼测量了不同相对湿度条件下光滑铜管的起晕电压[60]，结果表明：当导线没有受潮时，在一段范围内，随着相对湿度的不断增大，导线直流起晕电压会缓慢增大。2015年，Yawoottl等人使用针电极进一步研究了湿度对正、负直流电晕的影响[61]。

为了建立反映湿度影响的电晕起始放电模型，一般采取基于干、湿空气的道尔顿分压理论进行研究。2007年，Abdel Salam等人针对线-板电极结构，研究了湿度对正直流电晕放电起始特性的影响[62]，建立了正直流电晕起始电压计算模型，计算结果表明：对于细导线，正直流电晕起始电压随湿度增大逐渐减小；对于较粗导线，正直流电晕起始电压随湿度增大逐渐增大。2009年，林锐等人分析了绞线正极直流电晕起始特性及影响因素，基于气体放电理论建立了导线电晕起始放电模型[63]，试验结果和计算结果均表明：随着绝对湿度的逐渐增大，绞线和光滑导线的电晕起始电压均逐渐减小。2010年，惠建峰等人研究了棒-板结构下气压和湿度对导体直流电晕起始特性的影响，建立了负直流电晕放电起始电压的计算模型[64]，得到结论：随着湿度的增大，有效电离系数增大，负导体的电晕起始电压逐渐减小。2012年，徐明铭等人建立了计及湿度影响的正直流导线起晕电压计算模型，计算结果表明：对于半径大于0.1 mm的导线，起晕电压随湿度增大逐渐增大[65]。

不同学者获得的湿度对电晕起始电压的影响结论如表2所示。可以看到，电晕放电起始电压随湿度变化的研究结果存在差异，难以反映湿度对高压直流导线电晕放电特性影响的本质特征。因此，湿度对高压直流导线电晕放电起始特性的影响规律和影响机理还未有统一的认识。

表2 湿度对电晕放电起始特性影响规律

2.2 不同湿度条件下离子流场特性

20世纪80年代，加拿大魁北克省水电局研究所(IREQ)和美国电力科学研究院(EPRI)对户外的直流输电线路离子流场进行了长期监测，结果表明：相对湿度对离子流场影响很大，双极输电线路的地面合成电场随相对湿度的增加而增加。EPRI认为：干燥空气中，附着在导线表面的昆虫电导率较低，导致起晕电压增大；在潮湿天气下，昆虫电导率较高，更容易发生电晕放电[66]。2012年，中国电力科学研究院对特高压直流输电线路的电磁环境进行了长期的测量，统计分析发现：随着湿度增加，负极性地面合成电场幅值逐渐减小，正极性地面合成电场幅值逐渐增大；低湿环境下，正极性地面合成场强幅值小于负极性[67]。为了系统地分析湿度对离子流场的影响，在人工气候室中进行实验可以更好地进行单一因素的分析，减少周围环境其他因素的影响。2013年，王晓华等人研究发现：随着相对湿度的增大，平板型静电除尘器负极性电晕电极周围的空间电荷密度和合成电场均增大[68]。Aissou等人采用双极导线模型，研究了湿度对正、负极导线下地面合成场强的影响。研究结果表明：在相对湿度50%～80%范围内，随着湿度的增大，地面合成电场逐渐减小[69]。2019年，李海冰等人搭建了线板电极模型，测量了不同相对湿度条件下正极性导线下方的地面合成电场，结果表明：随着湿度的增大，起晕电压、离子迁移率减小，空间悬浮液滴的荷电作用增加，最终导致正极性导线的地面合成场强逐渐增大[70]。2021年，通过将导线表面场强设置为实际输电线路相近的场强，马晓倩等人在气候室中测量了线板电极下的地面合成电场。结果表明：恒温湿度变化与自然温湿度变化时离子流场的变化规律不同。恒温湿度变化时，正极地面合成电场先缓慢增大，当相对湿度大于80%时明显增大；负极地面合成电场始终以较大的幅度增大，明显大于正极地面合成场强的增大速度。温湿度按自然规律变化时，正极性地面合成场强最初几乎不变，然后增大；负极性地面合成场强具有先增大后减小的趋势[71]。

目前有关湿度对离子流场特性影响的研究结果如表3所示。可以看到：不同学者得到的湿度影响规律有所不同，尚缺乏湿度对高压直流输电线路离子流场特性影响机理和计算建模的研究。

表3 湿度对离子流场特性影响规律

3 颗粒物对离子流场特性的影响

在离子流场中，灰霾中的颗粒物会吸附导线电晕放电产生的空间电荷，发生荷电，进而影响离子流场的分布。同时，颗粒物还会在导线表面发生沉积，影响导线的电晕放电起始特性。因此，颗粒物对离子流场的影响机理是非常复杂的。

3.1 颗粒物荷电模型

通过对颗粒物荷电量的测量和颗粒物荷电特性的分析，目前国外已提出了不同的颗粒物荷电模型。20世纪30年代，Fuchs等人测量了0.5～3 μm油滴的荷电量，证明了在该粒径范围内，油滴的平均荷电量可用电场荷电模型来表征[72]。1967年，Liu等人使用圆柱形迁移率分析仪测量了粒径0.65 μm和1.35 μm的DOP液滴的荷电量，测量结果与扩散荷电模型一致[73]。1978年，Liu和Kapadia建立了综合荷电模型[74]。1996年，Lawless等人根据荷电颗粒物对电场影响的不同，进一步完善了综合荷电模型[75]。2004年，Frank使用3种方法测量了直径0.1～2.2 μm液滴的荷电量，测量得到的平均荷电量与综合荷电模型预测结果吻合[76]。2012年，Hewitt使用圆柱形迁移率分析仪测量了直径0.07～0.66 μm颗粒物的荷电量，测量得到的荷电量与综合荷电模型一致，验证了综合荷电模型的正确性[77]。

20世纪60年代，针对较小粒径范围的颗粒物荷电问题，Natanson和Fuchs提出了极限球荷电模型[78-79]。1985年，Adachi等人使用差分迁移率分析仪测量了4～100 nm粒径范围的ZnCl2和DEHS液滴的荷电量，证明了极限球荷电模型的有效性[80]。2005年，Biskos等人使用串联差分迁移率分析仪，测量了10～300 nm粒径范围的飞灰颗粒的荷电量，进一步证明了极限球荷电模型可适用于nm级颗粒物的荷电分析[81]。

国内学者主要对颗粒物荷电模型的适用性和颗粒物荷电影响因素进行了分析和研究。2010年，Long等人建立了电除尘器的数值模型，分析了场致荷电模型、扩散荷电模型、综合荷电模型等9种荷电模型在电除尘器中的适用性[82]，结果表明：电除尘器中亚微米颗粒荷电量分析应首选综合荷电模型。2014年，骆仲泱等人使用静电低压撞击器，分别测量了直流电场和脉冲电场中单个颗粒物的平均荷电量[83]，分析认为：在直流电晕放电中，粒径小于0.2 μm的细颗粒物主要为扩散荷电，大于0.2 μm的细颗粒物主要为场致荷电。2015年，何堃等人考虑了颗粒物电导率和介电常数对颗粒物荷电特性的影响，建立了有损电介质荷电模型，并通过与Smith和Kirsch等人实验结果的对比，验证了模型的有效性[84]。2017年，常倩云等人进一步分析了放电参数、颗粒物性质、烟气温湿度对颗粒物荷电量的影响[85]。

颗粒荷电模型的研究主要集中在电除尘领域，荷电模型在输电线路离子流场中的适用性尚不明确，需要进一步研究。随着温湿度的变化，颗粒物粒径、介电常数、电导率等物理性质会受到影响，高湿情况下还会出现荷电悬浮液滴，如图3所示，使得颗粒物的影响更加复杂。此时的离子流场控制方程也会变得更加复杂。

图3 直流离子流场中颗粒物荷电的影响

3.2 颗粒物环境下电晕放电起始特性

颗粒物会附着在导线表面，改变导线粗糙度，影响导线电晕放电特性。20世纪80年代，Maruvada等人分别在电晕笼和试验线路上研究了污秽导线和洁净导线的起晕场强[86]，研究发现：污秽导线的表面粗糙系数小于洁净导线的粗糙系数。2002年，Suda等人对运行7年的老化导线和新导线的电晕放电特性进行了研究[87]，研究结果表明：正极性导线更容易积污；相同电压等级下，老化导线比新导线的电晕电流大1～2倍。2007年，赵宇明等人对高压直流输电线路的研究表明：污秽导线比洁净导线更容易发生电晕放电[57]。2010年，张乔根等人基于电晕笼研究了不同种类污秽的影响，研究结果表明：随着污秽程度的增加，正、负极导线的起晕电压逐渐下降；碳类污秽对负极导线影响较大，盐类污秽对正极和负极性导线的影响程度基本相同；污秽的影响程度与导线极性和相对湿度有关[88]。2017年，王黎明等人测量了不同运行年限的直流导线的地面合成电场，测量结果表明：运行时间越长，地面合成电场和离子流密度越大[89]。祝艺嘉等人研究了快速可控的导线表面颗粒物积聚方法，并对不同污秽程度导线的电晕放电特性进行了分析，结果表明：均匀污秽会覆盖导线原有瑕疵，抑制电晕放电的发生；不均匀的污秽会降低导线粗糙系数，促进电晕放电的发生[90]。2018年，李海冰等人从颗粒物在标称电场下的受力和运动出发，建立了标称电场下导线表面的颗粒物积聚模型，研究发现：随着时间的延长和电压的升高，导线表面的颗粒物积聚越多，电晕电流和离子流密度越大[91]。

目前颗粒物环境下电晕放电起始特性的研究主要集中于模拟实验方面，主要考虑了标称电场对颗粒物沉积的影响，还缺乏对离子流场中颗粒物沉积模型的研究。

3.3 颗粒物环境下离子流场特性

20世纪80年代美国电力科学院针对不同程度的大气污染，分析了高压直流输电线路下荷电颗粒物的电荷转移问题，初步认识到颗粒物对输电线路电场的影响[92]。使用颗粒物综合荷电模型和单极离子流场模型，分析了高压直流输电线路附近存在颗粒物时的空间电荷转移情况，研究结果表明：随着污染程度的加大，更多的空间电荷转移到空中颗粒物中。在相对湿度30%～40%的情况下，Carter等人使用法拉第笼测量了户外直流试验线段下颗粒物的荷电情况[93]，但是并未开展建模分析。上世纪末日本中央电力研究所测量了直流输电线路周围悬浮颗粒物的电荷密度，基于有限差分法分析了粒径为30 nm的颗粒物对空间电荷的影响[94]，但是并未分析荷电颗粒物对地面电场的影响。2002年，Chartier对±500 kV直流试验线路附近的地面合成电场、离子流密度和离子数密度进行了长期测量，测量结果表明：雨天和雾天负极导线侧的离子流场大于晴好天气，雾天对离子流场的影响更大[95]。针对不同的直流输电线路，2012年美国进一步测量了输电线路周围悬浮颗粒物的荷电情况[96]。此后，由于国外直流输电线路发展较慢、空气质量较好，并未在此方面进行深入研究。

随着我国高压直流输电线路建设的推进，针对灰霾环境中直流输电线路的离子流场问题，中国电力科学院、清华大学和华北电力大学进行了初步的研究。2007年开始，在北京特高压直流试验基地，中国电力科学研究院进行了±800 kV单回直流线路离子流场的长期测量，测量结果表明：冬季的地面合成电场普遍比夏天大[97]。2011年开始，中国电力科学研究院对±500 kV、±600 kV、±800 kV实际直流输电线路下不同季节的地面离子流场进行了现场测量，结果表明：北方内陆测量点的冬季实测结果比洁净条件下的理论预测值大2～3倍；空中悬浮颗粒物的粒径范围为10 nm～10 μm，颗粒物对地面离子流场的影响与相对湿度密切相关[98]。由中国电力科学研究院的分析来看，空中颗粒物对地面合成电场的影响非常大，不同季节地面合成电场的变化可归结为固体和液体颗粒物的影响。2010年，鲁非等人考虑了荷电雨滴对空间电场畸变的影响，分析了荷电雨滴对离子流场的影响[99]。2013年，基于荷电雾滴在离子流场中的力学行为，通过设定雾滴的荷电量，赵永生等人分析了雾对高压直流输电线路离子流场的影响[100]，比较了地面电场的计算和测量结果。针对雾霾的情况，重庆大学使用无网格法[101]、山东大学采用有限元法[102]计算了离子流场分布特性。2017年，华北电力大学邹志龙等人研究了燃香颗粒物对线板电极结构下地面合成电场的影响，测量结果表明：悬浮颗粒物增大了地面合成电场，减小了地面离子流密度[103]。

当导线架设高度分别为11 m和13 m时，清洁空气和不同颗粒物浓度下500 kV直流输电线路的地面合成电场分布如图4所示。可以看到：同一导线高度下，颗粒物浓度增大，地面合成电场增强。但是，可以提高导线高度，补偿颗粒物浓度对合成电场的影响。例如，导线高度11 m、颗粒物浓度200 μg/m3时，地面合成电场最大值超过了30 kV/m；但是，将导线高度提高到13 m后，即使是600 μg/m3的颗粒物浓度，地面合成电场最大值已远低于30 kV/m。

图4 存在颗粒物时地面合成电场分布

但是，上述研究并未充分考虑灰霾天气发生时周围环境湿度变化的影响，计算过程均认为颗粒物均匀分布，并未考虑颗粒物粒径和密度的空间分布情况。

4 存在的问题和研究展望

4.1 存在的问题

1)计及海拔、湿度、颗粒物影响的起晕场强特性

文献[104-105]虽然研究了气压对起晕场强的影响，也涉及了气压和湿度的共同作用，但是仅通过干、湿空气的气压考虑湿度的影响，研究结果不能反映电晕放电的本征特性。通过气压模拟海拔变化时，未考虑液滴的荷电特性、荷电颗粒在导线表面的附着、宇宙射线强度等影响因素，导致实测研究结果难以反映起晕场强的本质特征。因此，需要基于电晕放电的微观过程分析起晕场强的本质特征。

2)固态、液态颗粒的荷电特性和运动特性

文献[106-108]虽然已经对固体、液态颗粒物的场致荷电和扩散荷电做了很多的研究，但是前期的研究主要应用于电除尘领域，与高压直流输电线路离子流场问题关注点不同，未合理分析大气湿度对颗粒物荷电的影响。空间电荷测量主要面向离子和固态颗粒物，缺乏对液态颗粒物荷电特性、液态和固态荷电颗粒物运动特性的有效测量，未涉及荷电颗粒物的运动特性及其对电晕放电和离子流场的影响，没有考虑颗粒物的凝并作用及其对荷电特性的影响。此时，需要进一步考虑空间离子以及荷电颗粒物的迁移特性。

3)计及海拔、湿度、颗粒物影响的离子流场建模

虽然已经发展了很多直流输电线路地面离子流场的计算方法，但是，由于未有效地考虑海拔(气压、宇宙射线等因素)、湿度、颗粒物的影响，计算与实测结果存在较大差异。从输电线路现场实测获得的统计数据，难以理清多种影响因素的影响规律，因此所建模型与实际情况仍有一定的差异。

4.2 研究展望

为了研究海拔、湿度和颗粒物对高压直流输电线路离子流场的影响，明确复杂环境下的离子流场特性，建议在机理和工程应用等方面开展研究。

1)海拔(气压、宇宙射线)、湿度、颗粒物对直流电晕放电起始特性的影响机理

从电晕放电电离系数、附着系数等放电系数的实测出发，分析气压、宇宙射线、湿度、颗粒物单一影响因素对放电系数的影响规律；基于电晕放电的发展过程，明确外界因素对电晕放电特性的影响机理，建立计及环境因素影响的起晕场强计算模型。

2)液态、固态颗粒物的荷电特性和空间电荷的运动特性

研究空间电荷荷电特性和运动特性的有效测量方法，分析离子流场中离子、液态颗粒物、固态颗粒物的电荷分布特性和迁移特性；研究场致荷电、扩散荷电、极限球理论等荷电机理在离子流场中的适用性；分析环境因素对颗粒物荷电特性的影响，建立考虑环境影响的颗粒物荷电模型。

3)计及海拔、湿度和颗粒物影响的离子流场模型和计算方法

研究气压、宇宙射线、湿度和颗粒物对高压直流导线地面离子流场的影响规律和影响机理，分析单一影响因素下离子流场特性；研究计及海拔、湿度和颗粒物综合影响的高压直流导线离子流场模型，研究快速高效的离子流场求解方法。

4)计及海拔、湿度和颗粒物影响的高压直流输电线路离子流场控制方法

研究复杂环境中空间离子流场的有效测试手段，建立更加有效的高压直流输电线路离子流场长期监测系统，统计分析高海拔、高湿度和高污染条件下离子流场的特性；研究高压直流输电线路离子流场与空间电荷、无线电干扰、可听噪声的本征关联特征；分析实验室计算模型和方法的工程适用性，研究不同气象条件下高压直流线路离子流场的控制方法。

综上所述，高海拔、高湿度、高污染环境下离子流场建模的总体思路如图5所示，从电晕放电起始场强的研究出发，明确离子流场的边界条件，基于颗粒物的荷电模型和迁移模型，建立相应的离子流场计算模型。此问题涉及了电晕放电、气体-液体和气体-固体多相流的流体动力学、液态和固态悬浮颗粒物的荷电、电场分析等方面的机理性研究，不仅适合我国环境友好、资源节约、安全可靠高压直流输电线路设计和建设的工程背景，还将进一步提升我国在直流线路电磁环境研究方面的国际影响力，为制定高压直流输电线路离子流场的国际标准提供理论基础。