浅谈特高压输电线路电晕放电及电磁环境

       夜晚路过高压输电线路走廊，时常会发现导线被一种淡蓝色的光所包围，并伴有“滋滋”的响声，这种光就是由电晕放电所引起的。电晕放电现象会对电网运行与人们日常生活带来不利的影响，例如：电晕放电会产生高频脉冲电流，其中包含的各种高次谐波会造成无线电干扰；电晕放电会引发一系列的化学反应，产生臭氧、一氧化氮、二氧化氮等强腐蚀性物质，对输电线路造成影响；电晕放电会消耗能量，造成电力系统不必要的能量损失；电晕放电会发出人耳可听的噪声，对人们造成心理、生理上的影响。影响高压输电线路电晕放电的因素很多，如导线表面场强、导线表面状况、线路通过地区的气象条件、海拔高度等，而导线表面场强又和运行电压、导线间距、导线对地高度、导线半径等参数有关。

　　输电线路在设计阶段总是希望通过优化导线布局、合理选取导线尺寸等措施尽量避免电晕放电。但是由于输电线路电压等级高，尤其是特高压，要想完全消除电晕放电，输电导线半径会很大，对地距离过高，使得输电线路导线选型及布局方案的经济可行性极低。因此，只能在兼顾经济可行性的基础上，尽量减小电晕放电强度。

　　输电线路设计时首先要对导线的预选方案进行电磁环境评估，国际上已有的电磁环境评估方法是否完全适用于特高压输电线路还无法确定。为了得到完全适用于特高压的电磁环境评估方法，应当首先搞清楚导线电晕放电的机理，得到导线电晕放电微观物理过程的描述方法。在此基础上，找到一种更准确的电磁环境评估方法，为特高压输电线路导线选型及布局提供指导，实现特高压输电资源节约、环境友好的目标。

　　研究电晕放电的微观物理过程及机制

　　电晕放电是一个老问题，很早就有学者开展了相应研究，已能定性描述电晕放电的一些基本过程。导线相对于大地而言，是一种大曲率电极。输电线路运行时，如果导线附近的电场强度过大，空气中游离的种电子（电晕放电前就存在于空气中游离的电子）会在场强作用下发生碰撞、电离等一系列物理化学反应（如电子的碰撞电离反应、附着反应，正负离子的中和反应等），导线就会产生电晕放电。此时，电晕放电带有一定的随机性。如果导线附近的电场强度继续提高，导线附近区域能够在场致电离、导线表面碰撞电离等作用下自发产生种电子，达到空气自持放电的条件时，输电线路的导线就会产生持续的电晕放电。

　　电晕放电物理过程相当复杂，尚不能通过有效的研究方法明确电晕放电过程微观粒子的发展变化规律，更无法深入认识电晕放电过程中发生的各类物理化学反应。同时，电晕放电涉及大量的微观粒子，由于实验测试条件的限制，无法开展电晕放电特征参量（如空间电荷）的实验测量，也就无法深入开展电晕放电过程定量分析的研究。因此，研究人员难以得到准确描述输电线路电晕放电过程的有效方法。

　　研究电晕放电的微观物理过程及放电机制，应首先解决无法定量描述电晕放电微观物理过程以及实验测试条件限制等问题。目前国际上还没有气体中空间电荷的测试方法，也没有实现空间电荷分布测量的成功案例。课题组通过5年的尝试与摸索，研究出一种声脉冲法的测量方法，利用超声波换能器发生超声脉冲对空间电荷进行调制，并建立一种信号还原算法对调制产生的电场信号进行还原。根据测试的原理，按照1：1的比例在实验室搭建了一套与之对应的实验设备，最终实验测量到了空间电荷的分布。

　　课题组在电晕放电控制方程中考虑了光电离和二次电子崩发射的影响，改进了描述电晕放电微观物理过程的控制方程，使得电晕放电的控制方程与实际情况更为贴切。通过解析方程可以清晰得到电晕放电过程，电子是如何增殖的，各种粒子是如何扩散的，电晕放电过程中各类微观粒子的变化趋势。因此，对电晕的起始、发展及增值过程有了更清楚的认识与明确的界定，为进一步开展输电线路电磁环境特性的研究奠定了理论基础。

　　特高压电晕放电及电磁环境特性评估

　　在输变电工程的设计阶段，可以通过建模对多种导线选型进行分析计算，对电晕放电的影响因子进行预测，最终选取最佳设计方案，使其满足电磁环境限值的要求。

　　传统的方法主要是在一系列试验的基础上总结出经验公式，例如计算起晕场强的Peek公式、计算电晕损失的皮德森公式，利用经验公式进行分析计算。经验公式简单，使用便捷，但其适用性有很大的限制，也没有考虑到环境因素对电晕放电的影响。另外，特高压电晕放电与传统超高压有何异同？以往的计算方法在特高压中是否适用？这些问题根据过去的研究成果也无法确定。面对这些问题，课题组在前述电晕放电特性研究基础上，深入研究了输电线路电晕放电的宏观等值物理模型，提出了输电线路电晕放电电磁环境评估方法。在过去研究基础上，研究人员舍弃了众多假设，建立了无量纲模型，得到了适用于特高压输电线路电晕起始和自持判据，明确了电晕放电计算的边界条件，为电磁环境评估及相关计算奠定了基础。

　　我国特高压直流输电线路走廊环境复杂，附近存在建筑物、树木及地表变化等。目前国际上仍采用二维离子流及合成电场评估方法。课题组改进了二维离子流场的计算方法，将边界电场约束方程法应用于子导线表面电场强度计算，加快计算速度，采用电位排序方法从而加速了算法收敛，在此基础上发展得到了三维离子流场的计算方法。

　　课题组还从电晕损失产生的机理出发研究并得到了新的电晕损失计算方法，并在武汉、北京的特高压基地进行了不同环境条件下电晕损失现场测量实验。相比于传统的计算方法，新的计算方法考虑了环境因素对电晕损失的影响，使计算结果更为准确，与现场的数据吻合较好。

　　从电晕放电的机理出发，到离子流场的计算，以及最后电晕损失的求解，课题组开展了系统且细致的研究，提出了一种特高压输电线路电磁环境的评估方法，最终很好地运用到特高压电磁环境现场评估中。本成果陆续在锡盟—山东、淮南—南京—上海、榆横—潍坊1000千伏特高压交流，上海庙—山东、锡盟—泰州±800千伏特高压直流工程设计中得到了应用。