续表第1章绪论输电线路电晕放电与环境效应第1章绪论1.1高压架空输电线路与电晕放电由于在能源传输、转换、使用等方面具有其他能源所无法比拟的综合优势,电能在不断推进的能源革命中得到了最广泛的应用。由于全球对能源需求的不断增长以及能源分布的不平衡,推动了高电压、远距离、大容量输电技术的不断进步。进入21世纪,我国超、特高压交、直流输电技术迅速发展,为我国经济高速增长提供了有力的保障\[1\|2\]。2005年,我国第一条750kV超高压交流示范工程在西北电网投入运行;2009年,我国第一条1000kV特高压交流试验示范工程——晋东南—南阳—荆门工程投入商业运行;2010年,世界首条±800kV特高压直流输电工程——云南—广东工程建成投运。之后,一大批特高压交、直流输电工程相继投入运行,2018年10月,世界首条±1100kV特高压直流输电工程——昌吉—古泉工程实现了全线通电,刷新了世界电网技术的新高度,开启了特高压输电技术发展的新纪元。 然而,高电压下输电线路表面电场难以控制,当其超过一定临界值后,线路周围的空气被电离而导致电晕放电。电晕放电是气体间隙在极不均匀电场作用下产生的局部放电现象\[3\]。例如,在电极表面有尖端时,尖端附近电场很强且超过了气体的击穿场强,从而在电极表面附近产生局部放电,但并不发生整个间隙的击穿。此时,在电极电晕放电点处可以观察到淡淡的蓝光,如图11所示\[4\],并能听见咝咝的响声,这就是电晕放电,它属于一种自持放电形式。 图11导线上的电晕放电\[4\] 电晕放电会产生臭氧及氮化物,并产生大量的带电粒子,从而在电晕电极周围形成空间电荷,是产生低温等离子体的重要方式。电晕放电有很多工业应用,例如利用电晕放电原理而制成的静电除尘器、静电喷漆机、静电复印机、臭氧发生器、空间推进器、范德格拉夫静电发生器等。然而,当高压输电线路存在电晕放电时,会造成电晕损失、电蚀和老化等问题,影响输变电设备的经济、安全和稳定运行,增加设备的维护成本。同时,电晕放电还会在线路周边产生离子流、噪声、电磁干扰等问题。随着公众环境保护意识的增强,由线路的电晕决定的诸如无线电干扰和可听噪声等环境影响问题越来越受到公众的关注\[5\|6\]。 造成输电线路导线表面缺陷进而导致电晕放电的原因多种多样,例如新安装导线表面的毛刺、长期运行导线的老化以及昆虫、灰尘、雨雪等的附着等,因此输电线路的电晕放电难以完全避免。由于特高压输电工程电压等级高,电晕放电带来的各种效应越来越难以控制,电晕及其电磁环境问题成为特高压输电线路环境友好与控制成本的制约要素,是特高压输电技术发展必须解决的关键难题之一\[58\]。 1.2输电线路电晕放电的电磁环境效应和限值 输电线路的电磁环境包括线路周围的电场、磁场、无线电干扰(包括电视干扰)和可听噪声等\[911\],此外直流输电线路还包括由空间电荷引起的离子流密度,从而覆盖了从直流到上百兆赫兹的频率范围。线路周围的电场、磁场分别是由导线带电压和导电流形成的。无论交流输电线路还是直流输电线路,工作频率下周围磁场受电晕放电影响很小,并且直流线路电流在地面附近产生的直流磁场水平与地磁场相当。因此线路周围的磁场不在本书的讨论范围内。 1.2.1交流输电线路地面电场 交流输电线路产生的空间电场会通过静电感应作用于周围的人和物,其是否会对人产生有危害的生态影响至今未有定论,但是当感应电压过高时,人体会出现暂态电击。为了防止人在线路走廊内接触车辆或其他物体时遭到伤害,需要限制交流输电线路地面电场。然而,考虑到影响暂态电击的因素很多,如物体对地电容、对地绝缘情况、气候条件等,国际上至今也没有一个地面附近电场强度的统一标准。我国标准规定,输电线路跨越非长期住人的建筑物或邻近民房时,房屋所在位置离地面1.5m处的未畸变电场不得超过4kV/m \[9\|10\]。 交流线路导线存在电晕时,由于导线上电压的极性在做周期性的变化,上半个周期由于电晕产生的同极性带电粒子被排斥到距导线一定位置后,在下半个周期又几乎全部被拉了回来,故电晕所产生的离子绝大部分被限制在导线附近或被中和而失掉,远离导线的空间不存在大量游动的带电粒子\[12\]。因此,一般认为交流输电线路电晕放电对地面电场的影响不大,从而在分析地面电场时通常不考虑电晕放电的影响。 1.2.2直流输电线路离子流场 合成场强和离子流是高压直流输电特有的现象,是与交流输电线路电磁环境问题的重要差别之一。 图12双极直流输电线路的离子流场当直流输电线路导线表面电场强度大于电晕起始电场强度时,靠近导线表面的空气发生电离,电离产生的空间电荷将在电场力的作用下沿电力线方向运动(如果还有风等其他力的作用,则空间电荷的运动方向是这些力的共同作用方向),如图12所示。以双极直流线路为例,导线发生电晕后,整个空间大致可分为三个区域: ①正极导线与地面之间充满正离子的区域;②负极导线与地面之间充满负离子的区域;③正、负极导线之间同时存在正、负离子的区域。这些空间离子造成了直流输电线路所特有的一些效应。空间电荷本身产生电场,它大大加强了原本仅由导线电荷产生的地面电场,但抑制了导线表面电场;同时,空间电荷在电场作用下运动,形成离子电流。离子分布由导线表面电荷产生的空间电场和空间离子自身产生的电场共同决定,其关系是非线性的\[13\]。 通常把导线没有发生电晕(或不计及电晕及其产生的空间离子)时,只由导线电压和线路的位置和几何尺寸决定的导线周围的静电场称为“标称电场”;当导线发生电晕时,空间电场是由标称电场和空间电荷产生的电场共同构成的,称为“合成电场”;空间电荷在合成电场作用下移动,形成的空间离子电流称为“离子流”;由此形成的电场和离子流总称为“离子流场”或“空间电荷场”\[13\]。由于在高压直流输电线路附近实际存在的电场是合成场,直接测试无法分辨出标称电场,所以通常采用合成场强作为直流输电工程的电场指标。同时,采用离子流密度表征空间电荷的流动性。 当线路周围存在空间电荷时,不但有静电感应作用于人体,而且空间电荷会在人体和其他物体表面积累。当人体接触接地导体时,人体累积电荷在向接地导体泄放的过程中可能会发生暂态电击;而当人体接触电荷大量聚集的物体(比如雨伞金属柄、车辆)时,电荷在向人体转移的过程中也会发生暂态电击,如图13所示。我国经过多年调研和实测,规定晴天时直流线路下地面合成电场强度和离子流密度不应超过表11的限值,且80%测量值不超过15kV/m\[11\]。当直流架空输电线路邻近民房时,民房所在地面的未畸变合成电场强度不超过15kV/m\[11\]。图13离子流场中人体可能受到的电击 (a) 人被雨伞电击; (b) 人触摸车辆受到电击 表11地面合成电场强度和离子流密度限值区域合成电场强度/(kV/m)离子流密度/(nA/m2)居民区2580一般非居民区301001.2.3交、直流输电线路相互接近时的离子流场 当直流线路附近存在交流线路时,直流线路表面不仅有直流电场,还有交流电场,导致直流导线的电晕放电发生周期性的变化;同理,交流线路表面不仅有交流电场还有直流电场,导致交流线路正、负半周电晕放电差异更加明显。与此同时,电晕产生的空间电荷不但受到直流电场的作用,也受到交流电场的作用。因此,此时的空间电场包含了直流线路产生的直流电场、交流线路产生的交流电场,以及在这两个电场作用下的空间电荷形成的空间电场三者的混合,称为“混合电场”。此时,无论是直流电场还是交流电场均为复杂的非线性电场\[14\]。 1.2.4无线电干扰 输电线路的无线电干扰本质上是由于电晕放电脉冲电流沿导线的传播而产生的。如图14所示,导线表面的电晕放电向导线内注入随机脉冲形式的电晕电流,这种含有很高频率分量的电晕电流脉冲沿导线传播,从而对外产生高频电磁干扰。由于高压架空线路的导线沿线电晕放电点很多,从概率角度可能均匀地分布在导线上,考虑其合成效应,在导线中形成了由大量重复率很高的电流脉冲叠加而成的“稳态”电流,所以架空线路周围就形成了脉冲重复率很高的“稳态”电磁干扰场。电图14无线电干扰激发电流沿导线的传播 晕放电产生的电磁干扰具有白色频谱特性,其频率基本上在30MHz以内,主要对无线电信号产生干扰\[14\]。由于电晕放电会因天气和季节的变化而强弱变化,晴天和雨天、早中晚以及春夏秋冬不同季节线路电晕放电都有明显变化,所以输电线路的无线电干扰水平变化范围很宽。由于这一原因,通常采用具有统计意义的值来表示输电线路的无线电干扰水平,如平均值或50%概率值。 针对无线电干扰的影响,我国标准规定,对于交流线路,距输电线路边相导线投影外20m处,离地2m高度处,频率0.5MHz时的无线电干扰(海拔不超过500m)应小于表12中的限制值\[9\|10\]。对于直流线路,在海拔1000m及以下地区,距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20m处,80%时间、80%置信度、0.5MHz频率的无线电干扰不应超过58dB(μV/m)。海拔高度2000m以上不超过61dB(μV/m)。对于海拔超过1000m的线路,其无线电干扰限值要进行高海拔修正,其方法为: 以1000m为基准,海拔高度每增加300m,无线电干扰限值增加约1dB\[11\]。表12交流输电线路无线电干扰限值(海拔不超过1000m) \[9\|10\]标称电压/kV110220~3305007501000限值/dB(μV/m)46535558581.2.5可听噪声 电晕放电会引起空气振动,产生“咝咝”的可听噪声。电晕产生噪声的过程是从电能转换到空气介质动能的过程,其过程非常复杂,涉及电晕放电过程中大气的电离、带电粒子在电场力作用下的运动、带电粒子与中性分子之间的能量与动量的相互传递以及随之产生的空气介质中的流体力学问题。人能听到的声音频率范围内(20Hz~20kHz)的噪声称为可听噪声。这种噪声可能使线路附近的居民和工作人员感到烦躁不安,甚至难以忍受。与电场、磁场、无线电干扰等的无声、无形、无影不同,可听噪声是一种人们听觉直接感受到的现象,所以更容易成为投诉的焦点。 针对可听噪声的影响,我国标准规定,对于交流线路,距输电线路边相导线对地投影外20m处,湿导线条件下的可听噪声限值(海拔不超过500m)为55dB(A)。对于人烟稀少的高海拔地区,其噪声限值应进行高海拔修正,可适当放宽限值\[9\|10\]。对于直流线路,在海拔1000m及以下地区,距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20m处,由电晕产生的可听噪声50%值不应超过45dB(A);在海拔1000m以上且线路经过人烟稀少地区时,由电晕产生的可听噪声应控制在50dB(A)以下\[11\]。当线路邻近民房时,民房所在地由线路电晕产生的可听噪声控制值按表13执行\[15\]。表13城市五类区域环境噪声标准值(dB(A))\[15\]类别昼间夜间05040155452605036555470551.3输电线路电磁环境效应的影响因素 导线表面电场强度和电晕起始条件决定了输电线路电晕的发生。因此所有影响导线表面电场强度和电晕放电起始条件的因素都是输电线路电磁环境效应的影响因素。除此之外,电磁环境效应还受到人体主观感受的影响。 导线表面的电场强度由线路的电压、导线的半径、空间位置、相序(交流)、极导线排列(多回直流)、分裂导线结构等决定。通常,电压越高、相(极)间距越小、对地高度越小、导线越细、分裂数越少,则导线表面的电场强度越高,越容易发生电晕放电。导线的分裂间距与表面场强呈U形曲线关系,分裂间距很小或者很大都会使得导线表面的电场强度变大。以上最佳的参数选择可以依照严格的电磁场计算确定。值得注意的是,分裂导线的子导线半径、分裂数和分裂间距的增加相当于分裂导线的等效半径增加了,其使得导线表面的电场强度降低、电晕放电减弱,因此如果存在空间电荷,则空间电荷减少、地面合成电场减小。但是,当分裂导线中心高度不变时,由于分裂导线对地距离有所减小,地面标称电场强度会稍有增加。 电晕放电起始条件受电压形式、海拔高度、大气条件、导线表面光滑程度等因素影响。 1) 电压形式的影响 直流正电压和负电压、不同频率的交流电压以及冲击暂态下的导线电晕放电电压均有差异。对于正常运行的输电线路,正、负电晕的放电特征差异明显,正电晕放电脉冲幅值远高于负电晕,且很不规则。因此直流输电线路的正极电晕、交流输电线路导线电压正半周时的电晕放电是无线电干扰和可听噪声的主要来源\[13\]。 2) 海拔高度、大气条件的影响 海拔高度与气压密切相关,而气压是空气电离起始的关键因素\[16\]。与此同时,风、雨、雪、雾、温度、湿度等大气条件也会影响空气离子的电离、吸附、迁移等参数,从而影响电晕放电起始电压。电晕放电的发展形态,如脉冲序列的幅值、间隔、分散程度等也与以上因素密切相关。大气条件对交直流线路电磁环境影响的最大特点是,对于交流线路,坏天气条件下的无线电干扰和可听噪声水平高于好天气(无雨、无雪、无风、无雾、无霾);而对于直流线路,坏天气条件下的无线电干扰和可听噪声水平低于好天气。因此,对于交流输电线路,更关注坏天气下的无线电干扰和可听噪声;而对于直流输电线路,更关注好天气下的无线电干扰和可听噪声\[13\]。 3) 导线表面光滑程度的影响 导线表面的不光滑造成其局部场强升高,电晕放电的概率增加。除雨、雪、雾在导线表面附着导致导线表面不光滑外,脏污、毛刺以及从空气中吸附的微粒也会影响导线表面状况。此外,由于直流电场作用下昆虫等生物会有某种趋向性,直流导线表面会落有昆虫,这些昆虫也是导致导线表面不光滑进而发生电晕放电的原因之一。由于昆虫的种类和数量等随着季节、地域而变化,这也是造成不同季节、不同地区、不同极性输电线路的电晕放电特性有差异的原因之一。 此外,与以上客观条件相对应,电磁环境效应还受到人体主观感受的影响\[17\]。例如,人体实验的主观评价结果认为,对于直流输电线路,允许的无线电干扰的信噪比为20~21dB,即广播信号必须比直流电晕干扰高出20~21dB,收听效果才能较为满意。而对于交流输电线路,较为满意的收听信噪比为24dB。由此可见,感觉上直流输电线路因电晕对无线电广播的干扰要比交流线路的小\[2\]。对于可听噪声,研究结果表明,在相同的噪声水平下直流与交流线路可听噪声产生的烦恼程度也存在差别。在50dB以内,直流和交流线路可听噪声产生的烦恼程度是相同的,但高于此噪声水平,直流线路的噪声更令人烦恼\[2\]。 由于以上因素的影响,电晕放电特性及其电磁环境效应问题非常复杂,图15总结了各种客观因素的影响。 图15影响电晕放电及其环境效应的客观因素 1.4输电线路电磁环境效应研究的现状 针对输电线路电磁环境效应问题,百年来国内外开展了长期研究。20世纪初,Townsend提出了电子碰撞增殖理论\[18\],随后出现了流注理论。但这两种理论都只给出了定性的放电物理模式,无法有效指导预测实际工程情况。因此,之后输电线路电晕放电中的电场、电晕损耗计算均基于一定假设条件进行。这些方法均不能有效考虑影响电晕的各种因素,难以全面满足实际需要。从20世纪60年代开始至今,伴随着超、特高压输电技术的迅速发展,国内外陆续开展了大量输电线路电晕效应的研究工作。1967年至1971年,美国重点研究了1000~1500kV级交流特高压输电线路的电晕及其效应问题\[1922\]。美国邦纳维尔电力局(BPA)和美国电力科学研究院(EPRI)于1971至1975年对±600kV直流输电线路的电磁环境进行了详细的试验研究\[23\]。加拿大魁北克水电研究院(IREQ)从70年代开始对特高压输电线路电晕效应问题开展研究,发表了±600kV至±1200kV直流线路电晕效应研究报告\[24\|25\]。此外,苏联、日本、法国、德国、意大利、南非、韩国等均开展了积极的研究工作。基于试验数据,国外提出了大量计算交流或直流导线表面电晕起始场强、地面标称电场、合成电场、离子流密度、无线电干扰、可听噪声以及线路电晕损耗的半物理、半经验公式和部分数值计算方法。由于这些成果所基于的测量工况有限,受地理环境、导线结构和布置的限制,难以覆盖所有情况,应用范围具有很大局限性。 我国在建设新的电压等级输电线路的初期主要采用国外的经验公式来研究电磁环境效应。但仅靠国外经验公式计算电晕及其电磁环境效应是不合适的,其原因在于: (1) 各国的公式主要是根据特定工况的测试数据拟合得到的,反映的是线路电晕放电电磁环境的外特性,没有反映输电线路电晕放电的本质特征,因此其结果没有普适性。 (2) 各国输电线路导线结构与生产工艺、地理环境气候等也不尽相同,不同国家的预测公式不可能适用于所有国家,各国的预测公式计算结果相差较大。 进入21世纪以来,清华大学、华北电力大学、中国电力科学研究院、南方电网科学研究院、重庆大学、武汉大学、西安交通大学等单位结合我国实际,对输电线路的电晕放电机理及其电磁环境特性开展了大量研究工作。目前,我国已经建成了交、直流特高压电晕笼、不同海拔高度的交、直流特高压试验场和试验线段,以及多条1000kV交流、±800kV直流特高压输电线路,这些为研究交、直流特高压线路的电晕机理和电磁环境特性提供了重要条件。加之国内外在放电理论和数值计算方面的飞速发展,10多年来我国在电晕放电特性和机理、物理模型及电磁环境特性的基础研究方面取得了很多突破性进展,有力支撑了我国特高压输电技术的发展。本书将结合作者的科研实践,从理论建模、分析测试和仿真计算等多方面对电晕放电理论及其环境效应进行深入介绍。