特高壓直流輸電線下的直流離子流電場

邰 超 秦松林 肖登明

（上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電在長距離、大容量輸送電力方面有明顯優勢，采用特高壓直流輸電能夠有效地節約線路走廊、有助于改善網絡結構和實現大范圍的資源優化配置，經濟和社會效益十分明顯[1-3]。但我國的高壓直流輸電技術經驗尚淺，特高壓直流示范工程[4-5]尚無實際運行經驗可循。隨著電壓等級從±500kV提高到±800kV，面臨的問題也將更加突出，其中特高壓直流輸電線路產生的電磁環境問題受到了專家和學者的廣泛關注。

目前國內已有一些學者對特高壓直流輸電線下的合成場強及其受電暈影響的情況進行了一定的理論計算研究[6-7]，而鮮有定量的試驗研究。

當直流導線表面的電場強度超過空氣的擊穿強度時，導線表面會發生電暈放電[8-10]，電暈放電會將空氣分子電離成空間電荷。當發生電暈時，直流電壓極性固定，在導線之間和導線與大地之間的整個空間將充滿運動的帶電離子，在電場力的作用下向地面連續移動形成離子流。由于空間充滿離子，即空間電荷，它們也產生電場，所以特高壓輸電線下地面附近的場強是空間電荷產生的電場與標稱場一起形成的合成場強。

在試驗室環境中進行試驗，可以避免可預見的其他外力的影響。本文研究空間電荷對特高壓輸電線路下合成電場的影響，對正確認識特高壓輸電線路下的電場性質具有重要意義。

1 試驗裝置及方法

試驗裝置連接示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置連接示意圖

1）試驗導線：試驗一共用了5條導線，每條導線采用3組高度來測量場強，測量點分別選擇在導線垂直下方和斜45°角處。

表1 試驗導線的參數

2）場強測量裝置：將旋轉伏特計式場強儀放在導線下方用于探測場強，其輸出與一臺能讀出直流場強與交流場強的儀器相連，不用移動場強儀，在顯示儀器上便可讀出同一地點的交流、直流場強的大小，試驗中的場強數值不會超過100kV/m。

3）測量點的選取：選擇兩個測量點，一個是導線正下方垂直位置，另一個是偏移垂直位置h距離，h為當時的導線高度。

4）高壓電源裝置：交流電源電壓有效值最高可升到60kV；直流電源由交流電源整流獲得，最高可達80kV。

試驗在試驗室中進行，避免了受到自然外力如風力、雨水等以及其他電磁信號干擾對測量信號的影響；實時溫度為 26～32℃左右，天氣以晴好天氣為主。

接通電源后，通過自動電壓控制器的控制按鈕，可以把調節電源電壓的信號輸入給電控調壓器；電控調壓器再將電壓信號傳送給變壓器，電壓等級經過變壓器放大后，經二極管（直流時）或直接（交流時）輸入至分壓器，在此處連接智能的數字千伏表可顯示出導線的輸入電壓數值；在導線通電后，會在周圍產生電場，使用場強儀就可以進行場強的測量了。

交流時，測得的場強既是合成場強，也是導線場強；直流時，測得的是合成場強，即導線場強與空間電荷場強之和。

2 試驗結果及分析

1）導線直徑為0.5mm，距地高度為90cm，場強儀在導線垂直下方，在交流、直流情況下獲得的場強-電壓關系圖（橫軸-電壓，單位為 kV；縱軸-場強，單位為kV/m）如圖2、圖3所示。

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由于直流輸電線下的離子流電場是在導線起暈后產生的，所以本試驗所有試驗數據均記錄導線起暈后的試驗數據用于分析。因此，場強-電壓曲線都是以起暈電壓為起點，而不是從零點開始。

圖2 0.5mm、90cm的交流導線在電壓不同時的電場強度

標稱場，即由輸電導線電位產生的電場屬于靜電場的一種；又由于在試驗過程中，我們只測量導線中間一小段的場強，所以可以把導線當成無限長直導線來處理，因此，可以用高斯定理來計算標稱場強數值。

設導線半徑為 r0，距離地面高度為 h，距離導線r處的電場強度E與導線電壓U的關系如式（1）所示。

因此，當導線高度一定時，在導線外某一點，E∝U，即導線電位與其在地面固定點的電場強度是一個線性關系，電場的極性取決于導線電位的極性。圖2中的線性關系式是對試驗數據采用線性回歸方法得到的，用交流電壓獲得的導線電位對地面場強的線性回歸公式可以用于直流電壓下地面場強的計算。交流電壓試驗的數據用于計算統一幾何參數下的場強-電壓的線性回歸表達式，而直流電壓試驗中標稱場強數值是用上述線性回歸表達式計算出來。對于每一條導線，在每一個高度下都需要先求出場強-導線電壓的線性關系式，然后計算得到直流導線在不同電壓值處的場強值。

圖3 0.5mm、90cm的直流導線在電壓不同時的合成場強、標稱場強和空間電荷場強

圖3中，從上到下，三條曲線依次為合成場強、標稱場強和空間電荷場強，試驗中合成場強與標稱場強的比例大小與文獻[11]相符合。

2）導線直徑為0.5mm，距地高度為80cm，場強儀分別位于直流導線垂直下方和偏離垂直位置80cm，直流導線下獲得的場強-電壓關系圖（橫軸-電壓，單位為kV；縱軸-場強，單位為kV/m）如圖4所示。

在圖4、圖5中，從上到下，3條曲線依次為總場強、導線場強和空間電荷場強（三角）。在較細導線的合成場強中，標稱場強與空間電荷產生的場強基本相等，試驗中合成場強與標稱場強的比例大小與文獻[11]相符合。

圖4 0.5mm、80cm直流導線在電壓不同時的合成場強、標稱場強和空間電荷場強（場強儀在導線垂直下方）

圖5 0.5mm、80cm的直流導線在電壓不同時的合成場強、標稱場強和空間電荷場強（場強儀在導線下方距離垂直位置80cm）

從場強儀位于導線正下方的試驗數據可見，導線電位分別與標稱場強、空間電荷場強的關系直線近乎平行，如圖3、圖4、圖6所示。

3）導線直徑為 1.78mm，距地高度為 96cm，場強儀在導線垂直下方和偏移下方垂直位置96cm，在直流情況下獲得的場強-電壓圖（橫軸-電壓，單位為kV；縱軸-場強，單位為kV/m）如圖6、圖7所示。

圖6 1.78mm、96cm的直流導線在電壓不同時的合成場強、標稱場強和空間電荷場強（場強儀在導線垂直下方）

圖7 1.78mm、96cm的直流導線在電壓不同時的合成場強、標稱場強和空間電荷場強（場強儀在導線下方距離垂直位置96cm）

在圖6、圖7中，從上到下，3條曲線依次為總場強、導線場強和空間電荷場強（三角）。從場強儀位于導線斜下方（45°）的試驗數據可見，導線電位與標稱場強、空間電荷產生場強的關系直線有交叉，如圖5、圖7所示。即低電場時，空間電荷產生的場強要小于標稱場強；而高場強時，空間電荷產生的場強要大于標稱場強。在線徑較小時相差不是很大，一般相差值為標稱場強的10%～20%；隨著線徑的增大，差值也會增大。

3 結論

通過本次試驗室中單導線試驗所得試驗數據，可以得出以下直流導線產生電暈以后導線下方的合成場強、標稱場強與空間電荷場強之間的一些關系。

1）試驗表明起暈后導線上的直流電位與導線下方地面上的合成場強、標稱場強和空間電荷產生的場強成線性關系。

2）試驗表明正、負極導線放電電暈情況有差異。負極導線比正極導線的起暈電壓、起暈場強低一些；負極導線下的空間電荷場強平均值要比正極導線下的略高；負極導線比正極導線的標稱場強與空間電荷場強相差值占標稱場強的比重略低。

3）通過試驗，可以發現隨著高度的增加，總體上標稱場強在合成場強中所占比重減小，合成場強最大值可達標稱場強的1.8～2.2倍。

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