高压直流输电线路周围电场的特点

直流输电线路运行时,导线上的电荷将在空间产生电场。当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时,会使导线表面发生电晕放电现象。高压直流线路正常工作时,必然有一定程度的电晕放电。直流线路与交流线路电晕产生的离子分布存在很大差别。由于交流电压随时间作周期变化,交流输电线路发生电晕时,对应电压上半周期因电晕放电产生的离子,在下半周期因电压极性改变,又几乎全被拉回导线,因此,带电离子只在导线周围很小的区域内作往返运动,在相导线之间和相导线与大地之间的广大空间不存在带电离子。而直流输电线路发生电晕时,由于直流电压极性固定,在两极导线电晕产生的带电离子中,与导线极性相反的离子被拉向导线,而与导线极性相同的离子将被推离导线,沿电力线方向继续运动,这样,在两极导线之间和极导线与大地之间的整个空间将充满带电离子。

图5-4为双极直流输电线路的电力线和带电离子分布示意图。该图所示整个空间大致可分为三个区域,正极导线与地面之间的区域充满正离子,负极导线与地面之间的区域充满负离子,正负极导线之间正负离子同时存在。

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空间带电离子运动形成离子电流,或称为离子流。穿过单位面积的离子流称为离子流密度。

由于空间充满带电离子,直流线路的电场由两部分电荷产生。直流线路导线上的电荷产生的电场称为标称电场或静电场。空间带电离子产生的电场称为离子流场。标称电场与离子流场叠加形成合成电场。

标称电场与线路结构和电压有关,在直流线路结构确定的情况下,标称电场大小取决于线路电压,而离子流场和合成电场大小还取决于电晕放电程度。最大合成电场有可能为标称电场的3~3.5倍。

电晕放电具有随机性,直流线路的离子流密度和合成电场也随机变化。

图5-5给出了直流线路下地面离子流密度分布图,图中曲线为计算值,直线为实测值的变化范围。对于直流线路,正负极导线的电晕特性存在差别,另外,在电场作用下负离子的迁移率比正离子的大,所以,直流线路正负极导线下的离子流密度的值(不考虑正负区别)通常差别较大,如图5-5实测的负离子电流密度比正离子的大。

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图5-6给出了直流线路下地面合成电场和标称电场的分布图,图中实线和虚线分别表示合成电场和标称电场的计算值,不同形状的点分别表示实测的最大和最小值。沿垂直线路方向,地面标称电场横向分布关于线路中心奇对称;在不考虑正负极导线电晕特性差别和正负离子迁移率差别的情况下,地面合成电场也奇对称。由于正负极导线电晕特性和正负离子迁移率的差别,实际的地面合成电场关于线路中心并不奇对称,一般情况下,负极性导线下的地面合成电场最大值比正极性线下的大;但在极导线表面场强较小,空气湿度不大的情况下,也可能出现相反的情况。合成电场的最大值出现在极导线外侧1m~2m处,合成电场的最小数值为零,一般出现在两极导线的中心附近。

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合成电场的大小与导线表面场强和电晕起始场强有关,导线表面场强越高,电晕起始场强越小,合成电场和离子流密度越大。因此,降低导线表面场强和提高电晕起始场强均可以减小离子流密度和合成电场。

导线表面场强与导线结构,包括分裂数、子导线直径和导线对地高度等有关。如果导线总截面一样,分裂数多的导线的表面场强一般比分裂数少的小;如果分裂数一样,子导线截面大的导线的表面场强一般比子导线截面小的小。因此,增加导线分裂数和增大子导线截面有利于减小离子流密度和合成电场。提高极导线高度可以减小导线表面场强并增大离子扩散范围,从而减小地面离子流密度和合成电场。根据这些规律,可以通过合理设计,使特高压直流输电线路的地面合成电场降低到与500kV超高压直流线路的相同水平。

电晕起始场强与导线表面状况和湿度等天气因素有关。表面粗糙的导线的电晕起始场强比表面光滑的导线的小,线下合成电场也较大。同一种导线,潮湿状态下的电晕起始场强比干燥状态下的小,因此,直流线路在雨天时的合成电场比晴天时的大一些。

风对直流线路合成电场的影响较大。由于正负离子在电场下的迁移速度和风速相比,属同一数量级,因此,即使是很小的风,也将使合成电场分布发生畸变。垂直线路方向的小风,将使合成电场的最大值向顺风方向移动,风速稍大,合成电场分布会发生严重畸变。由于风的作用增加了离子的扩散范围,使得离子流密度减小,地面合成电场最大值一般也会减小。

信息来源:《输变电设施的电场、磁场及其环境影响》 中国电力出版社

 

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