考慮空氣濕度影響的特高壓直流線路離子流場(chǎng)研究

祝 賀，劉 豪 ，李本增

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司涼州供電公司，四川 涼州 615000)

考慮空氣濕度影響的特高壓直流線路離子流場(chǎng)研究

祝 賀1，劉 豪2，李本增2

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司涼州供電公司，四川 涼州 615000)

隨著特高壓直流輸電線路的建設(shè)，線路引起的電磁環(huán)境問題也受到廣泛關(guān)注。線路附近的合成電場(chǎng)和離子流密度是評(píng)價(jià)電磁環(huán)境的兩個(gè)重要指標(biāo)。我國(guó)西南地區(qū)水電資源豐富，建設(shè)特高壓直流輸電線路將電能輸送到負(fù)荷中心具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。然而，西南地區(qū)較高的空氣濕度是影響電磁環(huán)境的重要因素。為了得到受空氣濕度影響的特高壓輸電線路地面離子流場(chǎng)的分布規(guī)律，建立考慮空氣濕度影響的離子流場(chǎng)計(jì)算模型，研究不同空氣濕度下特高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：在空氣濕度影響下，隨空氣濕度增加地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度幅值都有不同程度增大，合成場(chǎng)強(qiáng)的增長(zhǎng)幅度非常顯著，而離子流密度的增長(zhǎng)幅度很小，基本可以忽略。

特高壓直流輸電線路；空氣濕度；上流有限元法；合成電場(chǎng)；離子流密度

為滿足全面建成小康社會(huì)對(duì)電力增長(zhǎng)的需求，克服我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源分布不平衡的現(xiàn)狀。發(fā)展具有輸電容量大，輸送距離遠(yuǎn)，線路走廊占地少等優(yōu)點(diǎn)的特高壓電網(wǎng)，將我國(guó)西部地區(qū)的電能資源輸送到經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的東部地區(qū)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力資源的優(yōu)化配置[1-2]。與交流輸電線路相比，直流輸電線路導(dǎo)線極性不變，電暈放電產(chǎn)生的帶電離子，在電場(chǎng)力的作用下向周圍空間運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致輸電線路附近空間充滿帶電離子，因此，直流輸電線路周圍空間的電場(chǎng)是由空間電荷與導(dǎo)線共同作用產(chǎn)生的，稱為合成電場(chǎng)[3-5]。

我國(guó)幅員遼闊，地形和氣象條件復(fù)雜多變，特高壓直流輸電線路通常要途徑高海拔，高溫濕，重污染等氣象條件復(fù)雜地區(qū)。隨著特高壓直流輸電線路的建設(shè)，學(xué)者們做了很多關(guān)于霧[6]、風(fēng)速[7-9]、降雨[10]、霧霾[11]等氣象條件對(duì)離子流場(chǎng)分布影響的研究。但針對(duì)空氣濕度對(duì)離子流場(chǎng)分布規(guī)律影響的深入研究依然比較少。我國(guó)西南地區(qū)水電資源豐富，建設(shè)特高壓直流輸電線路將豐富的電能資源輸送到東部沿海地區(qū)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。但西南地區(qū)降雨多，空氣濕度大，空氣中懸浮著大量水蒸氣分子會(huì)影響線路附近的電磁環(huán)境[12-13]。環(huán)境的合成電場(chǎng)和離子流密度是判斷線路沿線電磁環(huán)境是否超標(biāo)的重要依據(jù)。因此，加強(qiáng)空氣濕度對(duì)特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境影響的研究，對(duì)發(fā)展特高壓電網(wǎng)的具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

本文通過分析空氣濕度對(duì)特高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)影響的機(jī)理，建立考慮空氣濕度影響的離子流場(chǎng)計(jì)算模型，研究不同空氣濕度對(duì)特高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)分布的影響?；贙aptzov假設(shè)，采用上流有限元法求解，給出不同空氣濕度影響下特高壓直流輸電線路地面合成電場(chǎng)和離子流密度的分布規(guī)律，為新建特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 空氣濕度對(duì)離子流場(chǎng)的影響機(jī)理

1.1 空氣濕度對(duì)離子遷移率影響

環(huán)境空氣是由多種氣體組成的混合氣體。環(huán)境空氣包括氮?dú)?、氧氣、氬、二氧化碳和水蒸氣等成分?？諝鉂穸仍酱蟓h(huán)境空氣中水蒸氣的含量越高。我國(guó)南方地區(qū)空氣濕度比較大，沿海地區(qū)的空氣濕度可以達(dá)到80%以上，霧天空氣的相對(duì)濕度可以達(dá)到100%。當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，空氣中懸浮著大量水蒸氣，帶電離子與水蒸氣發(fā)生碰撞和吸附，使水蒸氣荷電化，荷電飽和后帶電離子不再與水蒸氣發(fā)生碰撞。水蒸氣質(zhì)量較大，電場(chǎng)力對(duì)其影響很小，荷電飽和的水蒸氣保持靜止。荷電化的水蒸氣帶有電荷，導(dǎo)致其附近的電場(chǎng)發(fā)生改變，以及影響空氣中帶電離子的密度和離子的遷移率。

楊津基教授在分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，認(rèn)為離子遷移率按照氣體質(zhì)量的M1/2變化[14]。假設(shè)空氣濕度為H時(shí)的離子遷移率

(1)

式中：Kn正常天氣時(shí)的離子遷移率;Mn為正常天氣時(shí)的空氣分子相對(duì)質(zhì)量，Mn=29；MHr為空氣濕度為H時(shí)的空氣分子相對(duì)質(zhì)量。

由公式(1)可知，通過求解空氣濕度為H時(shí)的氣體分子質(zhì)量即可獲得在該相對(duì)濕度下的離子遷移率。趙永生等在研究霧對(duì)離子流場(chǎng)分布影響時(shí)，認(rèn)為飽和空氣濕度(空氣相對(duì)濕度100%)的空氣分子相對(duì)質(zhì)量[15]

(2)

式中：mh為飽和空氣濕度空氣中水蒸氣的含量，mh=23 g/m3；ma為常溫常壓下空氣密度，ma=1.2 kg/m3。

由公式(2)，可求得空氣濕度為H時(shí)的空氣分子相對(duì)質(zhì)量

(3)

式中：mHr為空氣濕度為H時(shí)的水蒸氣含量，可通過飽和空氣濕度空氣中水蒸氣含量求得。在常溫常壓下，空氣濕度為H時(shí)的水蒸氣含量

mHr=Hrmh×100%，

(4)

式中：Hr為空氣相對(duì)濕度；mh為常溫常壓下飽和空氣濕度空氣中水蒸氣含量，g/m3。

1.2 空氣濕度對(duì)電暈放電的影響

空氣濕度是影響輸電線路電暈特性的重要參數(shù)。線路發(fā)生電暈放電后，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)為電暈起暈場(chǎng)強(qiáng)(Kaptzov假設(shè))。高場(chǎng)強(qiáng)下有效電離系數(shù)隨濕度升高而增大，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)碰撞電離能力增強(qiáng)，使電暈起始電壓隨濕度升高而減小，電暈放電程度增加[16-17]，從而影響環(huán)境中帶電離子的分布。

空氣濕度對(duì)電暈放電的影響與濕空氣中的水分子含量對(duì)各放電參數(shù)的影響有關(guān)。Abdel -Salam在研究空氣濕度對(duì)棒板電暈放電影響時(shí)，認(rèn)為環(huán)境空氣為干空氣和水蒸氣兩部分組成的混合氣體，將空氣濕度對(duì)電暈放電的影響分為干空氣和水蒸氣對(duì)電暈放電的影響[18-19]。因此，根據(jù)Abdel-Salam法，空氣濕度影響的導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Eonsetp分解為干空氣和水蒸氣條件下的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Edp和Esp兩個(gè)部分，即

(5)

式中：Ps為水蒸氣分壓；Pd為干空氣分壓；P為空氣壓強(qiáng)，根據(jù)道爾頓分壓定律，P=Ps+Pd。

水蒸氣分壓Ps可由下式計(jì)算：

Ps=H·Pw，

(6)

Pw=611×107.5t/(273.3+t)，

(7)

式中：Pw為飽和水蒸氣分壓，即飽和濕空氣中水蒸氣分壓；H是空氣相對(duì)濕度。

根據(jù)公式(6)，公式(5)可求得空氣相對(duì)濕度為H時(shí)的導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)

(8)

由公式(8)可知，Eonsetp的計(jì)算需要求出Edp和Esp。因?yàn)镻eek公式計(jì)算的導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)是不考慮空氣濕度影響的，將Peek公式計(jì)算的結(jié)果作為干空氣時(shí)導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)

(9)

式中：m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)；r為線路導(dǎo)線半徑。

水蒸氣條件下的導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Esp，可以通過計(jì)算飽和濕空氣下的導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)Ewp求得，即

(10)

山東大學(xué)徐明銘等[20]在研究濕度對(duì)直流電暈放電影響時(shí)，認(rèn)為飽和濕空氣下電暈起始場(chǎng)強(qiáng)

(11)

結(jié)合公式(10)和公式(11)，可求得水蒸氣中直流導(dǎo)體電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Esp，進(jìn)入計(jì)算出濕空氣中導(dǎo)線電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Eonsetp，如公式(12)所示。

(12)

式中：E0為輸電線路表面場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；r0為輸電線半徑，cm；m為輸電線表面粗糙系數(shù)；δ為空氣相對(duì)密度；Pw為飽和水蒸氣分壓；P為濕空氣壓強(qiáng)；H為空氣的相對(duì)濕度。

2 建立考慮空氣濕度的離子流計(jì)算模型

2.1 控制方程

環(huán)境空氣是由多種成分組成的混合氣體，空氣各成分均勻分布并充滿整個(gè)空間。在研究空氣濕度影響離子流場(chǎng)分布時(shí)，認(rèn)為環(huán)境空氣是由干空氣和水蒸氣組成的混合氣體。干空氣包括氮、氧、氬和二氧化碳四種氣體占空氣總體積的99.98%。水蒸氣在空氣總體積的占比很小，可以忽略水蒸氣對(duì)空氣介電常數(shù)的影響，因此，可以選用與單一氣體相似的泊松方程和電流連續(xù)性方程進(jìn)行計(jì)算?？紤]空氣濕度的特高壓直流線路離子流場(chǎng)的控制方程為

·，

(13)

(14)

(15)

，

(16)

，

(17)

2.2 考慮空氣濕度的離子流場(chǎng)基本假設(shè)及邊界條件

在研究過程中，通常需要使用一些假設(shè)條件使計(jì)算過程得到簡(jiǎn)化。運(yùn)用上流有限元法計(jì)算特高壓直流輸電線路空間合成電場(chǎng)時(shí)，根據(jù)線路離子流場(chǎng)的特點(diǎn)引入以下基本假設(shè)：

(1)環(huán)境空氣中環(huán)境空氣是由多種成分組成的混合氣體，在研究空氣濕度影響離子流場(chǎng)時(shí)，認(rèn)為環(huán)境空氣是由干空氣和水蒸氣兩種氣體組成的。

(2)水蒸氣的形狀為標(biāo)準(zhǔn)球形，并均勻分布充滿整個(gè)空間，不影響空氣介電常數(shù)，忽略荷電后的水蒸氣造成的局部電場(chǎng)畸變。

(3)環(huán)境空氣中的懸浮水蒸氣均勻分布，不考慮水分子的動(dòng)態(tài)過程。在電場(chǎng)中水蒸氣分子的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)離子的遷移速度來說可以被忽略。

(4)導(dǎo)線附近充滿帶電離子，忽略導(dǎo)線電離層的厚度。

(5)電暈產(chǎn)生的空間電荷只影響場(chǎng)強(qiáng)大小而不影響其方向(Deutcsh假設(shè))：

在求解特高壓直流輸電線路附近空間的離子流場(chǎng)時(shí)，需要根據(jù)假設(shè)條件和實(shí)際情況確定控制方程的邊界條件。

(1)地面：ρ=0；

(2)輸電線表面：ρ=±U(U為線路電壓)；

(3)人工邊界：ρ=Ub(Ub為標(biāo)稱電位)。

通過以上的基本假設(shè)和邊界條件，可以求解出泊松方程和電流連續(xù)方程，進(jìn)而求得直流輸電線路的離子流密度與合成電場(chǎng)。

2.3 考慮空氣濕度影響的離子流場(chǎng)計(jì)算流程

綜上，進(jìn)行空氣濕度影響離子流場(chǎng)分布的研究時(shí)，根據(jù)控制方程，基本假設(shè)和邊界條件，對(duì)考慮空氣濕度影響的離子流場(chǎng)求解流程如下：

(1)輸入各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置導(dǎo)線、地面和人為邊界條件，生產(chǎn)網(wǎng)格；

(2)設(shè)置導(dǎo)線表面電荷密度，求解標(biāo)稱電場(chǎng)；

(3)采用上流有限元法求解不考慮空氣濕度時(shí)的空間電荷密度。

(4)求解空間電位和電場(chǎng)分布；

(5)判斷導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷密度是否滿足給定誤差，否則利用步驟(4)的計(jì)算結(jié)果對(duì)導(dǎo)線表面的空間電荷密度進(jìn)行更新；

用于判斷是否停止計(jì)算的判斷參數(shù)δρ和δE為

(18)

(19)

式中：ρn、ρn-1分別為第n次和第n-1次導(dǎo)線表面的空間電荷密度；Emax為導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)，Ec為導(dǎo)線的電暈起暈場(chǎng)強(qiáng)。

(6)重復(fù)步驟(2)～步驟(4)直至滿足誤差限定條件。

3 空氣濕度對(duì)特高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的影響分析

研究對(duì)象選用±800 kV云—廣線為范例對(duì)特高壓直流輸電線路受空氣濕度影響的空間電場(chǎng)與離子流密度分布進(jìn)行計(jì)算?！?00 kV云—廣線參數(shù)：分裂導(dǎo)線型號(hào)為6×LGJ-630/45，導(dǎo)線分裂間距45 cm，子導(dǎo)線半徑1.68 cm，線路極間距離22 m，導(dǎo)線距地最低高度18 m。特高壓直流輸電線路計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 特高壓直流輸電線路計(jì)算模型

為了進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算了不同空氣濕度影響下的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度。因?yàn)榭諝庵兴魵夥肿雍勘容^少，在研究空氣濕度對(duì)特高壓直流輸電線路電場(chǎng)分布影響時(shí)，計(jì)算了不考慮空氣濕度和空氣濕度分別為50%、80%以及100%時(shí)的幾種工況時(shí)空間電場(chǎng)和離子流密度的分布。結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同空氣濕度下的地面合成場(chǎng)強(qiáng)分布圖3 不同空氣濕度情況下地面離子流密度分布

通過圖2和圖3可以看出，不同空氣濕度情況下，特高壓直流輸電線路地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度分布趨勢(shì)基本相同，但隨空氣濕度增加地面合成場(chǎng)強(qiáng)增大幅度非常顯著。由圖2可知負(fù)極導(dǎo)線下的地面合成電場(chǎng)最大值大于正極導(dǎo)線下地面合成電場(chǎng)的最大值，當(dāng)空氣濕度達(dá)到100%(飽和濕度)時(shí)，負(fù)極導(dǎo)線下地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)超過30 kV/m，達(dá)到35.6 kV/m，而正極導(dǎo)線下地面合成電場(chǎng)才剛好達(dá)到30 kV/m。說明空氣濕度對(duì)直流輸電線路負(fù)極導(dǎo)線周圍的合成電場(chǎng)影響大于正極導(dǎo)線。受空氣濕度影響的負(fù)極導(dǎo)線地面合成電場(chǎng)與不考慮空氣濕度影響時(shí)的合成電場(chǎng)相比，當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到50%時(shí)，地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值增加6.2 kV/m，增加了28%；當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到80%時(shí)，地面合成場(chǎng)強(qiáng)增大8.9 kV/m，增大了40%；當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到100%水蒸氣飽和時(shí)，地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值增加9.9 kV/m，增加了45%。圖3為各空氣濕度情況下的地面離子流密度分布。由圖3可知，受空氣濕度影響地面離子流密度也有所增加，但是增加幅度很小，基本上可以忽略。因此，在研究空氣濕度對(duì)直流輸電線路電磁環(huán)境影響時(shí)，主要考慮空氣濕度對(duì)合成電場(chǎng)的影響。

4 結(jié) 論

本文通過分析空氣濕度對(duì)離子流場(chǎng)的影響機(jī)理，建立考慮空氣濕度影響的離子流場(chǎng)計(jì)算模型，研究4種不同空氣濕度下特高壓直流輸電線路合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度的分布規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)特高壓直流輸電線路地面合成電場(chǎng)隨空氣濕度的增大而增大，而且負(fù)極導(dǎo)線地面合成場(chǎng)強(qiáng)比正極導(dǎo)線地面合成場(chǎng)強(qiáng)增長(zhǎng)顯著，當(dāng)達(dá)到飽和空氣濕度時(shí)，負(fù)極導(dǎo)線地面合成場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值30 kV/m，達(dá)到35.6 kV/m。因此，特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)經(jīng)過高濕度地區(qū)的線路，應(yīng)考慮空氣濕度對(duì)地面合成場(chǎng)強(qiáng)的影響。

(2)地面離子流密度值隨濕度增大稍有增加，增加幅度很小基本可以忽略。即使空氣相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)，離子流密度值也在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制限值內(nèi)，并有足夠的裕度。

(3)空氣濕度影響特高壓直流輸電線路合成電場(chǎng)分布的主要原因：空氣濕度較大時(shí)，空氣中懸浮著的大量水分子會(huì)降低離子遷移率，使地面附近的離子流密度增長(zhǎng)幅度很小；空氣中的大量水分子吸附帶電離子后而帶電，使其周圍的電場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致合成電場(chǎng)增大。

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StudyontheInfluenceofAirHumidityontheIonCurrentFieldofUHVDCTransmissionLine

ZhuHe1，LiuHao2，LiBenzeng2

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Gird Sichuan Electric Power Co.,Liangzhou Power Supply Company,Liangzhou Sichuan 615000)

With the construction of UHVDC transmission lines，the electromagnetic environment caused by the line is also widely concerned.The synthetic electric field and ion current density near the line are two important indexes to evaluate the electromagnetic environment.China’s southwestern region is rich in hydropower resources，the construction of UHVDC transmission lines to the power supply to the load center has a very high economic efficiency.However，the higher air humidity in the southwest is an important factor affecting the electromagnetic environment.In order to obtain the distribution law of the surface ion current field of the UHV transmission line affected by the air humidity，an ion current field calculation model considering the influence of air humidity was established to study the distribution law of the ion current field of the UHVDC transmission line under different air humidity.The results show that under the influence of air humidity，the field strength and the ion current density increase with the increase of air humidity，and the growth rate of the combined field strength is very significant，and the growth rate of ion current density is very small can be ignored.

UHVDC transmission lines；Air humidity；Upstream finite element method；Synthetic electric field；Lon current density

2017-03-10

祝 賀(1978-),男,博士，教授,主要研究方向:特高壓輸電技術(shù)及電磁環(huán)境.

電子郵箱：zhuhe1215@163.com(祝賀)；liuhao15@126.com(劉豪);954562880@qq.com(李本增)

1005-2992(2017)06-0086-07

TM726

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