±800 kV直流同塔雙回輸電線路霧霾天氣下電暈電場效應研究

楊金洪，孫東磊，楊 娜，冀 君

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250021）

±800 kV直流同塔雙回輸電線路霧霾天氣下電暈電場效應研究

楊金洪1，孫東磊2，楊 娜1，冀 君1

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250021）

考慮不同濕度和不同污染等級霧霾狀況，結合起暈的濕度效應和懸浮微粒的荷電機理，采用有限元方法計算±800 kV同塔雙回UHVDC輸電線路的電暈電場效應，得到了霧霾天不同的線路排布方式和線路布局參數下的地面合成電場和離子流密度變化規律，并進行了相應機理分析。為分析霧霾對同塔雙回UHVDC輸電線路電暈電場特性影響以及考慮霧霾天的同塔雙回UHVDC輸電線路參數設計提供參考。

特高壓直流輸電線路；電暈電場效應；同塔雙回；合成電場；霧霾

0 引言

我國已建成了同塔雙回緊湊型交流輸電線路［1］和±500 kV同塔雙回直流輸電線路［2］，在優化資源配置和節省輸電走廊方面取得了較好的社會經濟效益。當前，特高壓直流（UHVDC）輸電已成為我國堅強智能電網和特高壓交直流電網建設的重要部分［3］，且同塔架設的高壓直流輸電線路適合我國電網發展需求，±800 kV特高壓直流輸電工程也成必然發展趨勢。目前，國內外關于高壓直流線路電暈離子流場（簡稱離子流場）的研究較為全面［4-8］，但是對于考慮霧霾影響時的離子流場分析尚未見報道。

隨著電壓等級的提高，導線表面空氣更易電離而形成電暈。電暈是造成直流輸電線路周圍電磁環境問題的關鍵因素，其中又以電暈的電場效應最為突出，其他電磁環境參數及電暈損耗等均以電場分析為基礎［9］。特高壓線路是由電場限值等參數決定特高壓輸電線路的導線排布方式、對地高度、導線參數等［9-11］，且電暈發生的劇烈程度與天氣條件密切相關［12-13］。霧霾是一種污染天氣現象，是隨著大氣細微顆粒物PM2.5（粒徑小于2.5 μm的顆粒物）的提出而定義的。霧霾具有不同的濕度特征，且其不同污染等級所含的懸浮微粒數也不同［14-15］，這將導致該類天氣下的電場效應機理分析更加復雜。因此，在霧霾頻繁持續發生的現狀下，研究UHVDC輸電線路電暈電場效應在霧霾天的機理特性具有現實需求性。

為此，結合霧霾濕度和顆粒荷電特性，分析導線表面起暈機理，使用有限元數值仿真方法［16］計算研究霧霾天氣下±800 kV同塔雙回UHVDC輸電線路電暈電場特性，得到各類霧霾污染狀況下不同的導線排布、線路布置和線路參數選擇時對應的電場強度和離子流場的變化情況，為霧霾天氣下的特高壓同塔雙回直流輸電線路工程電場分析提供理論依據。

1 線路布局方式和電磁環境限值

1.1 ±800 kV雙回直流輸電線路排布方式

對于雙回直流輸電線路，其4個極性可能的排布方式有8種［9］，分為上下排布方式（有同回同側與同回異側布置）和水平鋪開方式。對于不同的排列方式，極導線之間的相互位置不同，不同排列方式下導線間相互影響的程度不同，這導致導線表面電場強度也有差異，進而導致線路在電暈特性方面的不同。通常，基于以下幾方面因素選擇導線排布方式。

1）工程中一般認為正負極導線的起暈參數和正負離子遷移率基本相同，且不受極導線布置方式的影響；

2）同極性導線距離較近時，相互屏蔽作用可以改善線路電磁環境；

3）正極性導線集中布置且靠近地面時將造成無線電干擾和可聽噪聲較大；

4）線路水平鋪展方式線路走廊寬度較大，不利于節省土地資源；

5）工程上一般不建議采用同回同側排列方式［9，17］。

基于以上考慮，將圖1所示的兩種雙回直流線路雙層布置方式作為本文研究對象。

圖1 極導線排布示意

1.2 導線和地線參數

±800 kV特高壓同塔雙回直流輸電線路布置形式如圖2所示，其中，D1為上層極間距離，D2為下層極間距離，D3為地線之間的距離，h1為上下層導線間的距離，S1、S2和S3分別為下層極導線、上層極導線和地線離地高度。

圖2 同塔雙回線路布局示意

工程實際中，導線通常采用6分裂形式，分裂間距為450 mm，兩回路導線相同，導線可選參數如表1所示，地線參數選擇如表2所示。

表1 導線參數

表2 地線參數

1.3 UHVDC輸電線路電暈電場效應

線路正常運行時，若表面電場高于電暈起始場強，附近的空氣發生電離并形成電暈，周圍空間存在正、負離子，當區域附近存在其他顆粒物的分布時，經相互作用將會形成新的穩定離子流場。電暈電場效應主要表現為標稱電場、地面合成場強和離子流密度，我國對電磁環境的限值是針對后兩個量的最大值設定的。粒子間相互作用會影響電暈起始特性，顆粒會吸附離子而荷電，在空間形成新的帶電微粒，這些導致離子流場（即電場效應）機理更加復雜。

地面合成場強是由線路本身結構、電壓等級以及電暈放電共同決定的，是標稱電場和空間帶電離子電場的向量疊加。離子流密度由空間電荷在電場力的作用下運動而形成的。依據我國特高壓直流輸電線路技術規范［11］的控制指標，表3為地面合成電場和離子流密度限值。已有研究［20］指出，單回線路對地高度是影響高壓直流輸電線路電暈電場效應的主要因素，故分析同塔雙回線路布局參數在霧霾天對電暈電場效應的影響。

表3 電暈電場效應限值

2 計算原理

2.1 霧霾及其污染等級的劃分

2.1.1 霧霾及其濕度特性

霧霾為氣體和細微顆粒物的混合氣溶膠［15］，霧霾微?？梢暈闅怏w、懸浮霧滴微粒和細微懸浮固體顆粒物（霾粒子）的混合。另考慮到濕度對于細微粒子氣溶膠的形成和空氣污染的集聚有很大影響，使用圖3所示的基于濕度的模型對霧和霾進行劃分［14］，相對濕度范圍為50%～100%。

圖3 霧與霾區分的概念模型

2.1.2 霧霾污染等級的劃分和懸浮微粒荷電

依據我國對霧霾的研究資料［14-15］并結合圖3，對霧霾污染等級及相應的懸浮霾粒子與霧滴進行分類和微粒個數濃度計算，如表4和表5所示。本文中2級及以下污染等級視為正常天氣狀況。

表4 霧霾污染等級與API指數

表5 不同霧霾污狀況的濕度取值

霧霾中的懸浮霧滴和懸浮霾粒子在與離子相互作用的過程中迅速荷電，通常，各微粒的飽和電量qs可表示為

式中：Es為所在位置的合成電場；r0為顆粒半徑；εr為粒子相對介電常數，已有研究認為參數εr／（εr+2）一般在0.5～1的范圍內變化［22］，不失研究的合理性，同時為了突出霾粒子荷電效應，霧霾天氣下，對于懸浮霧滴，εr／（εr+2）取保守值（即霧滴最低飽和荷電時的值）0.5，而對于懸浮霾粒子，其介電常數與霧水電導率存在相關性，依據輸變電設備外絕緣表面霧水電導率的相關研究，將εr／（εr+2）近似取值為0.9。

基于以上分析所求得的顆粒荷電量作為源項（激勵項）參與離子流場計算。

2.2 雙回直流輸電線路電暈離子流場的計算

2.2.1 霧霾條件下離子流場的基本控制方程

霧霾微粒對氣體放電過程造成影響可歸結為兩個方面：一是霧的作用，體現為濕度改變帶電粒子在電場中的行為，從而影響電暈起暈特性；二是霧滴和霾粒子的荷電作用，懸浮細顆粒物在和離子相互作用的過程中吸附離子，形成新的懸浮帶電微粒。此外，霧霾天氣發生時多伴隨靜穩天氣，由此可忽略風速的影響。計算中忽略擴散電流和數量極少的游離態電子的作用。霧霾天高壓直流輸電線路離子流場的基本控制方程表示如下。

泊松方程

電流連續性方程

其中，

式中：φ為電勢，V；E為電場強度，V／m；ρ為空間電荷密度，C／m3，將受到荷電微粒影響而發生改變，計算中應予以修正；ε0為空氣的介電常數，F／m；J為離子流密度，A／m2；k為霧霾天氣中的離子遷移率，m2／Vs；V為帶電懸浮微粒的移動的速率，m／s，一般可有帶電微粒受力性質決定［12］。

基于以下假設，使用有限元法［23］對式（1）～（5）進行求解：

1）電暈層的厚度忽略不計；

2）考慮懸浮微粒場致荷電效應，不考慮離子擴散；

3）桿塔結構對離子的影響不考慮，正負離子遷移率恒定。

2.2.2 霧霾條件下導線表面場強

考慮到懸浮剛性霾顆粒與輸電線路表面作用的過程性和微觀運動機理，導線在霧霾天氣持續過程中，積污量變化微小可忽略不計。另外，起暈過程的分析中，不計及導線表面凝露或水滴，只考慮因水氣微粒所致的電暈放電起始場強降低［24］。因此對于不同濕度條件下的霧霾電暈起暈計算使用文獻［24］中計及濕度的正負起暈修正公式，正負極起暈參數（Ec+-）基本相同，故取其平均值，即

其中，

其中，Φsur為影響因子，可表示為

式中：E0和K為常數，由干燥光滑導線表面所加電壓特性決定；Ec為導線表面起暈場強；m為導線粗糙度系數；δ為空氣相對密度；r為導線的半徑；H為環境的相對濕度；Pw為飽和水蒸汽分壓；P為濕空氣壓強。

3 不同線路排布方式的電暈電場效應

考慮圖1所示同塔雙回線路的兩種排布方式，以導線LGJ630／45為例進行分析，其中參數設置為：D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m［9］。計算不同霧霾污染等級下各線路排布方式的地面合成場強和離子流密度最大值變化如表6所示。

表6 不同霧霾污染等級下的各排布方式線路的地面合成場強和離子流密度

由表6可知，霧霾污染程度在4級及以下時，線路排布方式a和b的地面合成場強近似相等，污染程度加重時排布方式b地面合成場強大于方式a；兩種布置方式下離子流密度較接近。究其原因，一方面是排列方式a的同極性導線較排列方式b集中，懸浮霧霾微粒荷同種極性電荷的概率較大，增加了電暈電場效應；另一方面，排列方式a由于不同回路同極性導線之間強的互相屏蔽作用會改善電場環境，故隨著霧霾污染加劇，排列方式b的地面合成場強大于排列方式a。

4 不同線路設計參數的電暈電場效應分析

不計塔形變化和導線弧垂，固定D3和S3（見圖2的地線布置）的值，以導線排布方式a為例，研究包括導線型號、線路最小對地高度、極間距離以及回路間距等在不同污染狀況的霧霾天對雙回直流線路電暈電場特性的影響。

4.1 不同型號導線的電暈電場特性分析

以D1=D2=22 m，S1=21 m，h1=2 m為例，各導線型號如表1所示，不同污染等級下電暈電場特性值如表7和表8所示。

結合表1、表7和表8的結果可得：同等霧霾污染狀況下，導線半徑越大，地面合成電場和離子流密度越??；同種類型的導線，隨著霧霾污染等級增加，地面合成電場和離子流密度也隨之增大，且增加的幅度變大?？梢?，大截面導體有利于改善重霧霾天直流線路的電暈電場特性。但需注意的是，當霧霾達到6級污染時，電場效應又有增強趨勢（見括號中的值），因此工程中同塔雙回導線的外徑也不宜選擇過大。

表7 霧霾天不同型號導線的地面合成電場

表8 霧霾天不同型號導線的地面離子流密度

4.2 線路間距對電暈電場特性的影響

在直流雙回線路上下層布置時，線路間距分為回線垂直間距和水平極間距離，極導線的間距影響導線之間相互作用。不同污染狀況的霧霾天氣，以導線LGJ-630／45為例，兩回線間距h1為2 m、5 m、7 m（如 （21，23）表示回間距為2 m），D1=D2=22 m不變時，電暈電場特性值如表9所示；線路水平極間距D1（或D2）分別為18 m、22 m、26 m、30 m（如（-9，9）表示極間距為18 m），h1=2 m不變時，電暈電場特性值如表9和表10所示。

表9 霧霾天氣下線路間距不同時的地面合成電場

表10 霧霾天氣下線路間距不同時的地面離子流密度

由表9和表10可知，同塔雙回線路之間的距離一定時，霧霾污染等級越高，地面合成電場和離子流密度值越大，且霧霾污染達5～6級時兩者的增大幅度比同樣霧霾天氣下隨著回線間距增加的明顯。由此說明在重霧霾天氣下回線間距越小越好；回路的極導線間距一定時，霧霾污染等級越高，地面合成電場和離子流密度值也越大，即使其增值可以通過增大極間距補償一部分，但滿足5～6級重霧霾條件下電暈電場特性的極間距會過大而不利于節省走廊寬度，故不能只通過調整極間距而完全補償霧霾帶來的影響。

4.3 線路最小對地高度對電暈電場特性的影響

若不計導線弧垂，線路最小對地高度為下層回線的對地高度（即圖2中的S1）。以導線LGJ-630／45，D1=D2=22 m，h1=2 m為例，S1取18 m、20 m、22 m和24 m時的電暈電場效應值如表11和表12所示。

表11 霧霾天不同對地高度的地面合成電場

表12 霧霾天不同對地高度的地面離子流密度

由表11和表12可知，同一對地高度，隨著霧霾污染等級增加，合成場強和離子流密度逐漸增大；同一霧霾污染等級下，隨著導線距離地面高度增加，合成場強和離子流密度迅速增大，即使在6級污染程度下，最小對地高度僅增加2～4 m即可使電暈電場特性值在表3規定的范圍內?？梢姰攲Ь€最小對地高度不同時，其對電暈電場特性的影響大于霧霾污染的影響而成為主導因素。故可通過適當提高線路高度來克服霧霾天氣下的電場特性畸變。

5 結語

同塔雙回UHVDC輸電線路的排布方式在4級及以下污染程度的霧霾天氣中，電暈電場特性差別不明顯。而隨著霧霾污染程度加劇，同極同側雙層布置的線路對于抑制地面電場特性的變化優勢更為明顯。

同塔雙回各極導線選擇大截面導體有利于改善重霧霾天直流線路的電暈電場特性，但在霧霾污染達6級時，電場效應又表現出增強趨勢，故實際工程中導線的外徑不宜選擇過大。

雙回線路回線間距增大不利于克服重霧霾天氣對電暈電場效應造成的影響，因此回線間距應越小越好；而極間距的增加可在一定程度上補償霧霾天氣對電暈電場效應造成的影響，但從節省線路走廊的角度來考慮，極間距又不宜過大。

導線最小對地高度對電暈電場特性的影響顯著大于霧霾污染程度的影響，線路最小對地高度的增加能夠有效克服霧霾天氣下電暈電場特性值的增加。

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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

楊金洪（1991），女，從事高壓直流輸電電暈放電領域的研究工作。