小布窮 吳元香 黃 波 何 陽 朱遠祥 李劉剛 楊 帆

（1、國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學研究院，西藏 拉薩850010 2、輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044）

由于直流輸電線路具有電能損耗低、運行可靠性強、工程造價低等優(yōu)點，在建設特高壓電網(wǎng)中起著重要的作用[1]。直流輸電工程跨越距離遠，沿途經(jīng)過的大氣環(huán)境也大不相同。環(huán)境因素對離子流場的影響主要體現(xiàn)在對導線起暈場強、遷移率和空間電荷密度等參數(shù)的改變上，目前，環(huán)境因素對離子流場的影響的研究主要集中在天氣條件上[2-3]。

濕度對離子流場的影響，20 世紀80 年代即開始了對雨天條件下輸電線路電場強度和離子流密度的實際測量和理論計算研究，相較于正常晴好天氣，雨天條件下空氣中的濕度較大，會改變空氣中的離子遷移率。溫度也會對離子流場產(chǎn)生影響，不同的溫度條件下，空氣中的氣體分子密度和間隔不同，帶電粒子的動能積累不同，從而導致導線產(chǎn)生電暈放電的難易程度也不同。

為了研究不同溫濕度下高壓直流輸電線路的電磁環(huán)境分布，論文首先分析溫濕度對離子流場的影響機理，然后建立了考慮天氣條件的離子流場計算模型，最后計算分析了在不同溫度和濕度下的入地離子流密度和地面合成場強分布情況。

1 溫濕度對離子流場的影響機理

1.1 溫濕度對電暈放電強度的影響

環(huán)境溫度的變化會對輸電線起暈場強產(chǎn)生影響，從而影響電暈放電大小。由Peek 先生提出，經(jīng)Whitehead[4]改進的用于計算高壓直流和交流輸電線路的起暈場強公式，見式（1）。其中，δ 是相對空氣密度，由大氣壓和導線溫度決定，見式（2）。

其中，K 為經(jīng)驗值，0.308；m 為導線表面粗糙度，0.47；r 為導線等效半徑；p 為大氣壓強，mm 汞柱；T0=20℃為參考溫度；T 為運行時的輸電線路及其附近空氣的實際溫度。由公式可知，起暈場強與導線溫度成反比，當溫度上升時，起暈場強降低。導線起暈場強與導線溫度的關系見圖1。

圖1 導線起暈場強與導線溫度關系圖

通過式（1）和式（2）可以知道，導線的起暈場強與空氣的溫度有關，相關研究證明環(huán)境濕度會改變輸電線路的起暈場強，其中Davies[5]通過大量的實驗數(shù)據(jù)，總結出加入濕度影響的皮克修正公式，如下式所示：

其中，H 為空氣絕對濕度，g/m3，代表空氣實際含水量，它的大小與相對濕度和溫度有關，可以根據(jù)相對濕度和絕對濕度換算得到。

根據(jù)式（3）知道，隨著環(huán)境濕度的增大，輸電線起暈場強增大，大量試驗結果表明[6]，濕度在范圍一定范圍內(nèi)變化時，起暈場強隨著濕度的變大而變大。其原因是大氣內(nèi)的水分子能夠吸引大氣內(nèi)的自由電子，從而導致電子崩更難以形成。從而，在一定濕度范圍內(nèi)，合成場強隨著濕度的增大而變小。

1.2 溫濕度對離子遷移率的影響

溫度會影響空氣的平均熱運動速度和離子的平均自由行程，進而影響離子的遷移率。在相同氣體中的離子遷移率可以表示為：

其中，α 為常數(shù)，取0.6～1.0，根據(jù)所取不同的平均值而不同；e 為電子量；p 為大氣壓強；m 為正負離子質量；T 為溫度；r為分子氣體半徑；k 為玻爾茲曼常數(shù)。

設定標準天氣條件的離子遷移率為K，則在某一大氣壓，不同溫度條件下的離子遷移率Kt可以表示為：

其中，T0為標準天氣下的溫度20℃；T 為環(huán)境溫度。由公式（5）知，隨著溫度的升高離子遷移率也隨之增大。

濕度的變化會改變空氣中離子碰撞運動的速度，改變離子遷移率。相關文獻[7]基于人工氣候室搭建了測量高壓直流輸電線路下離子遷移率的測量平臺，測量得到了常溫常濕度條件下的空氣離子遷移率。

同時還根據(jù)控制變量法實驗測量得到了不同濕度條件下的正負離子遷移率的分布規(guī)律，最終通過擬合得到正負離子遷移率關于環(huán)境絕對濕度的擬合公式：

其中，K+、K-為正、負離子遷移率；Ha 為空氣相對濕度。由公式（6）知，相對濕度的增加會降低離子遷移率。

2 考慮天氣條件的離子流場計算模型

2.1 離子流場的控制方程

本文采用計算精度高、自適應強、調整控制靈活的無網(wǎng)格法[8]計算直流線路的離子流場。在考慮溫度和濕度分別對電暈放電強度和離子遷移率影響的基礎上，分析離子流場分布規(guī)律。對于雙極性高壓直流輸電線路，離子流場基本控制方程[9]如下所示：

式中，ρ 為空間總電荷密度，單位C·m-3；Es為合成場強，V·m-1；J 為離子流密度，單位A·m-2；w為風速，單位m·s-1；K 為離子遷移率，單位cm2/（V·s）；e 為電子電荷量，1.602×10-19C；R 為離子復合系數(shù)，單位m3·s-1；下標“+”和“-”分別代表所帶電荷的正和負。

2.2 計算流程

根據(jù)邊界條件，利用無網(wǎng)格法對直流輸電線的離子流場進行解耦與迭代求解，其過程如下：

（1）對模型進行節(jié)點剖分，計算標稱電場；

（2）設置導線表面的初始空間電荷密度，求解空間電荷密度分布；

（3）對導線附近的荷電量進行計算，進而對總空間電荷密度進行求解；

圖2 直流輸電線離子流場計算流程圖

（4）更新輸電線表面空間電荷密度，重復步驟（2）和（3）直至結果滿足判斷條件。計算流程如圖2 所示。

迭代中用于判斷是否停止計算的判斷參數(shù)δρ和δE分別定義為：

其中，在迭代過程中ρn和ρn-1分別表示相鄰兩次求得的輸電線表面電荷密度值；Emax為導線表面最大場強；Ec為起暈場強。

3 不同溫濕度下直流輸電線路離子流場的分布規(guī)律

本文采用國內(nèi)上±400kV 高壓直流輸電線路參數(shù)，用考慮大氣環(huán)境的離子流場計算模型，計算不同溫濕度下的離子流密度和合成場強。導線采用LGJ-400/35，架設方式為4 分裂，分裂間距0.45 米，極間距20 米，高度16 米。

3.1 溫度對輸電線路離子流場的影響

圖3 相對濕度60%時不同溫度下的離子流場分布

以溫度作為大氣參數(shù)的表征量，在正常天氣下，分析輸電線路的起暈場強和空間離子遷移率影響規(guī)律，得到地面離子流場變化規(guī)律。

在相對濕度為60%情況下，大氣溫度分別為5℃、10℃、20℃和40℃情況下，地面合成場強和入地離子流密度分布如圖3 所示。

由圖3 分析可以知道，隨著溫度的增加，合成場強和離子流密度增大。溫度由5℃增加到10℃，入地離子流密度劇烈增加，當溫度由10℃繼續(xù)加至40℃時，增加幅度變小。在溫度為40℃時的合成場強和離子流密度相對于5℃時分別增加了2.32kV/m和21.74nA/m2。這是由于環(huán)境溫度的升高使輸電線路更容易起暈，使得導線表面的電暈放電強度增大。同時，離子遷移率的增加會進一步加強這種趨勢。

3.2 濕度對輸電線路離子流場的影響

以濕度作為大氣參數(shù)的表征量，在正常天氣下，分析輸電線路的起暈場強和空間離子遷移率影響規(guī)律，得到地面離子流場變化規(guī)律。

在溫度為20℃情況下，大氣相對濕度分別為30%、50%和80%情況下，地面合成場強和入地離子流密度分布如圖4 所示。

圖4 溫度20℃時不同相對濕度下的離子流場分布

由圖4 分析可以知道，隨著相對濕度的增加，合成場強和離子流密度先減小后增大。

由于當相對濕度開始增加的時候，電暈放電強度會降低，這是由于空氣中水分子會吸附大氣中的自由電子形成負離子，阻礙電暈放電的發(fā)展；當相對濕度高于80%后，空氣已經(jīng)可以凝結出水滴并附著在線路表面，引起空間電場畸變，起暈場強開始減小。

此外，離子流密度變化規(guī)律并不是如前面分析的那樣隨濕度增加一直降低，這是由于離子遷移率的變化受濕度的影響不是很顯著，總體上受起暈場強影響。

4 結論

溫濕度變化對直流輸電線路的離子流場影響，主要體現(xiàn)在電暈放電強度和離子遷移率上。

本文得到以下研究結論：

（1）溫度上升會降低線路周圍空氣密度，導致導線起暈場強降低，離子遷移率增大；濕度增加會使電子崩的形成變得困難，在某一范圍使起暈場強增大，離子遷移率降低。

（2）大氣溫度的升高對起暈場強的影響會引起地面離子流密度比較劇烈的增加。離子遷移率的增加會進一步加強地面離子流場的分布。

（3）隨著大氣相對濕度的增加，合成場強和離子流密度先減小后增大。在濕度增加的開始階段，空氣中水分子會吸附大氣中的自由電子形成負離子，阻礙放電的發(fā)展；當濕度超過80%后，凝結出的水滴會引起空間電場畸變，電暈放電增強。由于離子遷移率的變化受濕度影響較小，離子流場分布總體上與電暈放電變化趨勢一致。