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    淺談特高壓輸電線路電暈放電及電磁環境

    發布時間:2016-03-03

    夜晚路過高壓輸電線路走廊,時常會發現導線被一種淡藍色的光所包圍,并伴有“滋滋”的響聲,這種光就是由電暈放電所引起的。電暈放電現象會對電網運行與人們日常生活帶來不利的影響,例如:電暈放電會產生高頻脈沖電流,其中包含的各種高次諧波會造成無線電干擾;電暈放電會引發一系列的化學反應,產生臭氧、一氧化氮、二氧化氮等強腐蝕性物質,對輸電線路造成影響;電暈放電會消耗能量,造成電力系統不必要的能量損失;電暈放電會發出人耳可聽的噪聲,對人們造成心理、生理上的影響。影響高壓輸電線路電暈放電的因素很多,如導線表面場強、導線表面狀況、線路通過地區的氣象條件、海拔高度等,而導線表面場強又和運行電壓、導線間距、導線對地高度、導線半徑等參數有關。

    輸電線路在設計階段總是希望通過優化導線布局、合理選取導線尺寸等措施盡量避免電暈放電。但是由于輸電線路電壓等級高,尤其是特高壓,要想完全消除電暈放電,輸電導線半徑會很大,對地距離過高,使得輸電線路導線選型及布局方案的經濟可行性極低。因此,只能在兼顧經濟可行性的基礎上,盡量減小電暈放電強度。

    輸電線路設計時首先要對導線的預選方案進行電磁環境評估,國際上已有的電磁環境評估方法是否完全適用于特高壓輸電線路還無法確定。為了得到完全適用于特高壓的電磁環境評估方法,應當首先搞清楚導線電暈放電的機理,得到導線電暈放電微觀物理過程的描述方法。在此基礎上,找到一種更準確的電磁環境評估方法,為特高壓輸電線路導線選型及布局提供指導,實現特高壓輸電資源節約、環境友好的目標。

    研究電暈放電的微觀物理過程及機制

    電暈放電是一個老問題,很早就有學者開展了相應研究,已能定性描述電暈放電的一些基本過程。導線相對于大地而言,是一種大曲率電極。輸電線路運行時,如果導線附近的電場強度過大,空氣中游離的種電子(電暈放電前就存在于空氣中游離的電子)會在場強作用下發生碰撞、電離等一系列物理化學反應(如電子的碰撞電離反應、附著反應,正負離子的中和反應等),導線就會產生電暈放電。此時,電暈放電帶有一定的隨機性。如果導線附近的電場強度繼續提高,導線附近區域能夠在場致電離、導線表面碰撞電離等作用下自發產生種電子,達到空氣自持放電的條件時,輸電線路的導線就會產生持續的電暈放電。

    電暈放電物理過程相當復雜,尚不能通過有效的研究方法明確電暈放電過程微觀粒子的發展變化規律,更無法深入認識電暈放電過程中發生的各類物理化學反應。同時,電暈放電涉及大量的微觀粒子,由于實驗測試條件的限制,無法開展電暈放電特征參量(如空間電荷)的實驗測量,也就無法深入開展電暈放電過程定量分析的研究。因此,研究人員難以得到準確描述輸電線路電暈放電過程的有效方法。

    研究電暈放電的微觀物理過程及放電機制,應首先解決無法定量描述電暈放電微觀物理過程以及實驗測試條件限制等問題。目前國際上還沒有氣體中空間電荷的測試方法,也沒有實現空間電荷分布測量的成功案例。課題組通過5年的嘗試與摸索,研究出一種聲脈沖法的測量方法,利用超聲波換能器發生超聲脈沖對空間電荷進行調制,并建立一種信號還原算法對調制產生的電場信號進行還原。根據測試的原理,按照1:1的比例在實驗室搭建了一套與之對應的實驗設備,最終實驗測量到了空間電荷的分布。

    課題組在電暈放電控制方程中考慮了光電離和二次電子崩發射的影響,改進了描述電暈放電微觀物理過程的控制方程,使得電暈放電的控制方程與實際情況更為貼切。通過解析方程可以清晰得到電暈放電過程,電子是如何增殖的,各種粒子是如何擴散的,電暈放電過程中各類微觀粒子的變化趨勢。因此,對電暈的起始、發展及增值過程有了更清楚的認識與明確的界定,為進一步開展輸電線路電磁環境特性的研究奠定了理論基礎。

    特高壓電暈放電及電磁環境特性評估

    在輸變電工程的設計階段,可以通過建模對多種導線選型進行分析計算,對電暈放電的影響因子進行預測,最終選取最佳設計方案,使其滿足電磁環境限值的要求。

    傳統的方法主要是在一系列試驗的基礎上總結出經驗公式,例如計算起暈場強的Peek公式、計算電暈損失的皮德森公式,利用經驗公式進行分析計算。經驗公式簡單,使用便捷,但其適用性有很大的限制,也沒有考慮到環境因素對電暈放電的影響。另外,特高壓電暈放電與傳統超高壓有何異同?以往的計算方法在特高壓中是否適用?這些問題根據過去的研究成果也無法確定。面對這些問題,課題組在前述電暈放電特性研究基礎上,深入研究了輸電線路電暈放電的宏觀等值物理模型,提出了輸電線路電暈放電電磁環境評估方法。在過去研究基礎上,研究人員舍棄了眾多假設,建立了無量綱模型,得到了適用于特高壓輸電線路電暈起始和自持判據,明確了電暈放電計算的邊界條件,為電磁環境評估及相關計算奠定了基礎。

    我國特高壓直流輸電線路走廊環境復雜,附近存在建筑物、樹木及地表變化等。目前國際上仍采用二維離子流及合成電場評估方法。課題組改進了二維離子流場的計算方法,將邊界電場約束方程法應用于子導線表面電場強度計算,加快計算速度,采用電位排序方法從而加速了算法收斂,在此基礎上發展得到了三維離子流場的計算方法。

    課題組還從電暈損失產生的機理出發研究并得到了新的電暈損失計算方法,并在武漢、北京的特高壓基地進行了不同環境條件下電暈損失現場測量實驗。相比于傳統的計算方法,新的計算方法考慮了環境因素對電暈損失的影響,使計算結果更為準確,與現場的數據吻合較好。

    從電暈放電的機理出發,到離子流場的計算,以及最后電暈損失的求解,課題組開展了系統且細致的研究,提出了一種特高壓輸電線路電磁環境的評估方法,最終很好地運用到特高壓電磁環境現場評估中。本成果陸續在錫盟—山東、淮南—南京—上海、榆橫—濰坊1000千伏特高壓交流,上海廟—山東、錫盟—泰州±800千伏特高壓直流工程設計中得到了應用。(國家電網報)
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