电晕空间电荷对特高压直流输电线路地线雷电屏蔽性能的影响

受雷云电场和直流工作电压的叠加作用,导地线因电晕放电产生大量正、负离子积聚在线路附近形成空间电荷层。为研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击性能的影响,建立了雷云电场作用下线路电晕空间电荷分布的数值计算模型,并耦合雷电先导发展模型,计算获得了典型±1100 kV特高压直流输电线路的地线雷电上行先导放电特性和雷电击距,定量分析了电晕空间电荷对特高压直流输电线路地线雷电上行先导起始时刻、放电电流和长度的影响。通过计算电晕空间电荷作用下地线的雷电击距和暴露弧,得出在平原地区仍可通过采用负保护角配置,有效降低线路的雷电绕击概率,未来需进一步研究山区地形下电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击性能的影响规律。     

湿度对雷云电场作用下特高压地线表面电晕放电过程的影响

雷云电场下空气湿度对地线表面电晕放电过程的作用，会影响特高压交流输电线路的雷电屏蔽性能。为此，建立雷云电场下特高压输电线路双地线表面电晕放电模型并试验验证，模拟不同绝对湿度条件下地线表面正离子、气溶胶离子和中性粒子的漂移扩散过程，探究湿度对地线表面电晕放电过程的影响机制，分析湿度对地线接闪性能的影响规律。仿真结果表明：随着雷云电场的增大，空间正离子浓度不断增大并呈对称椭圆分布，地线表面电流增大，最大值为7.47μA·m-1；随着空气湿度增大，空间正离子浓度减小，浓度最大值仅相差4%，地线表面电晕电流减小，地线表面电晕放电起始时间延迟，且在雷云电场下参与定向排列水分子数量增多，地线周围电场强度增强，有利于地线表面上行先导起始，提高地线接闪性能。     

雷云电场作用下±1100kV特高压直流输电线路电晕空间电荷分布特征的仿真研究

为了研究电晕空间电荷对特高压直流输电线路雷电绕击特性的影响机制,基于带通量限制器的二阶有限体积方法,建立了雷云电场下特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型,通过与实验对比,验证了模型的合理性。计算获得典型±1 100 kV特高压直流输电线路电晕起始过程、电晕电流波形和空间电荷分布特征,得出正空间电荷边界在垂直地面方向的平均运动速度为4.05 m/s。考虑到电晕空间电荷引起的电位畸变对雷电上行先导存在屏蔽作用,通过分析不同时刻电位畸变量分布,得出雷云电场下电位畸变集中分布于地线上方,相较于仅存在直流工作电压情况,电位畸变量最大值增加了约20倍。由此推断,受电晕空间电荷影响平原地区±1 100kV线路地线产生的上行先导更易沿水平方向发展。该工作为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定了基础。     

正极性电晕放电脉冲特性仿真研究

正极性电晕放电脉冲由于其幅值较大,持续时间较长,在特高压交直流输电线路无线电干扰产生中占主导地位。为了深入研究正极性电晕脉冲发展的微观物理过程及其重复机制,文中基于流体动力学模型,用背景电离来代替光电离为正极性流注的发展提供种电子,对间距为1 cm,施加电压为17.5 k V的同轴电极进行了正极性电晕放电特性仿真,得到了一组较为规则的正极性电晕电流脉冲,脉冲幅值为15～25 mA。而后对初始脉冲不同发展阶段的空间电场分布特性和3种带电粒子(正离子、电子和负离子)空间浓度分布特性进行了分析讨论,对死区时间内的电场和正离子空间演化特性进行了描述,并给出了新的脉冲发展时空间电场分布。通过仿真发现,正流注在向前发展时,等离子体通道内的场强非常小,而流注头部场强较大。流注停止发展,逐渐消散时,通道内和流注头部的正离子在电场力的作用下向外迁移,导线表面电场逐渐恢复,当恢复至可以引发初始电子崩的起晕场强时,新的电晕脉冲发生。     

特高压直流输电线路电晕电流的仿真与分析

由电晕放电产生的电晕电流会造成特高压直流输电线路的电能损失和输电成本的增加,它是考核输电线路的重要经济指标之一,电晕电流特性的研究对于输电线路的优化设计具有重要意义。首先,基于Kaptzov边界条件假设,研究利用上流有限元法计算单回路直流输电线路电晕电流的方法。随后,通过对实际特高压实验线段中测量得到的正极性输电线路上的电晕电流值与相同条件下的仿真结果进行对比,验证该算法的正确性和有效性。最后,基于该仿真算法,分析极间距和风速对特高压直流输电线路电晕电流的影响规律及原因。     

直流电晕笼中的合成场强和离子电流的计算

为了更好地解决高压直流输电线路中电磁环境问题,需要研究高压直流线路的电晕特性,而电晕笼是研究导线电晕特性的重要实验设备。因此,采用有限元法和通量管法分别求解了电晕笼内单极导线结构的电场和空间电荷密度,提出了电晕笼中导线表面空间电荷密度初值计算公式。计算中考虑了导线周围电离层的影响,并根据最小临界电离电场计算出一个电势作为新的边界条件。通过对比电晕笼内部的电晕电流、电场和离子电流密度分布的计算和测量数据,验证了算法的有效性。     

污秽条件下±800kV直流输电线路电晕特性

±800 kV特高压直流输电线路起晕特性是影响其线路结构和建设费用的重要因素。起晕特性与导线表面状态相关,而直流电压下导线表面更容易积污,更严重影响输电线路的电晕特性。为了深入研究特高压直流输电线路污秽电晕问题,利用电晕笼研究了导线表面分别附有不同表面密度的模拟污秽和碳粉时的起晕特性并分析了污秽对±800 kV特高压直流输电线路电晕特性的影响。结果表明:当导线表面分别附有模拟污秽和碳粉时,在实际特高压直流输电线路表面场强附近,随污秽度的增加,电晕电流的增加趋势不同。起晕电压随污秽度的增加呈负指数下降,有饱和趋势,其中碳粉污秽对负极性电晕起始电压影响最大。根据实验结论和仿真研究,初步得出了±800 kV特高压直流输电线路导线电晕起始电压与表面污秽度之间的函数关系。     

特高压交流输电线路电晕影响下地面电场的计算分析

为研究特高压交流输电线路地面电场的分布特性以及电晕放电对地面电场的影响,通过改进基于模拟电荷法计算工频电场的方法,建立一种考虑电晕效应的导线电场计算模型,并通过算例分析验证了该模型的合理性。利用此模型对1 000 kV特高压交流输电线路电晕影响下的地面电场进行数值仿真计算。结果表明:电晕放电对地面合成电场有加强作用,且中相线路正下方的地面电场受电晕放电的影响最大。     

导线横断面结构对直流输电线路正极性电晕放电的影响

导线横断面几何构型是影响直流输电线路电晕放电的重要因素,研究导线断面结构对电晕放电特性的影响对高压输电工程导线断面选择具有重要意义。为此利用流体-化学动理学方法首先建立了不同横断面结构导线表面电晕放电混合数值模型,对圆形导线和股线导线电晕放电过程中的表面电子数密度和电场强度分布规律进行了研究,具体分析了导线横断面最外层股线数对正极性电晕放电特性的影响。研究结果表明:股线附近的电子数密度明显高于圆断面导线,但在流注放电阶段,流注通道内不同横断面导线电子数密度相差不大;在放电初期,股线导线表面的电场强度明显高于圆形导线表面,随着放电时间的发展,场强差值逐渐减小;随着导线断面股线数(瓣数)的增加,导线表面电子数密度和电场强度反而减小,当股线数达到某一定值时,其股线导线表面电晕特性接近于圆断面导线。     

±800kV特高压直流线路采用不均匀分裂降低电晕损耗

为了提高特高压直流输电线路的输送容量、优化线路周围的电磁环境、压缩输电线路走廊宽度,一般采用分裂导线。笔者考虑分裂导线表面电场分布不均的条件下,采用模拟电荷法较准确计算特高压直流分裂传输线的电晕损耗,地面合成电场和离子流密度。定量地分析不同子导线电晕损耗的差异,提出一种不均匀分裂结构线路。算例分析对比表明,采用不均匀分裂结构线路,地面合成电场和离子流密度略有增加,但其总的电晕损耗有较明显的下降,在不增加线路建设成本的情况下能产生很大的经济效益。     

基于离子计数法的直流线路空间电荷密度测量

当特高压直流输电线路途经地区的空中悬浮颗粒物较多且空气干燥时,空间电荷分布的变化导致地面合成电场异常增大。为对该问题进行研究,测量空间电荷分布是一种直接且有效的手段。通过分析基于离子计数法的空间电荷密度测量原理和装置电流检测部分的等效电路模型,提出了装置的设计要求,对基于该原理的电荷密度测量装置进行了设计,并采用间接校准方法对装置进行了标定。采用该装置对直流输电试验线段下的空间电荷密度进行了实测,测量结果表明电荷密度的横向分布规律、随导线加压的变化情况与合成电场、离子流密度类似。装置可以实现输电线路周围空间电荷密度的测量。     

同塔交直流输电线路混合电场研究

高压交流与高压直流输电线路同杆塔架设能够有效缓解输电走廊紧缺问题。同塔交直流线路产生的混合电场的复杂性及其预测的困难性,成为制约该种线路设计和发展的关键因素。考虑了交流导线电晕放电和直流导线电晕放电之间的相互影响,基于上流有限元法,提出了种交直流线路同塔架设时混合电场的时域计算方法,通过试验线段的实验验证了算法的有效性;对不同等级交流电压情况下地面电场和离子流密度进行了计算,计算结果表明,交流线路对直流合成电场有明显的"屏蔽作用",且交流电压越高,地面电场直流分量和离子流密度越小;同时对空间电荷的运动轨迹进行了模拟,得到了交流电场对直流离子流场的作用机制,交流导线对空间电荷的吸引是导致地面电场直流分量和离子流密度减小的重要原因。     

负极性雷云电场下棒电极电晕放电模拟实验

为研究雷云电场作用下地面目标物尖端电晕放电过程及其形成电场条件,设计了板棒分离式板-棒板放电电极结构,模拟雷暴电场作用下避雷针尖端附近电场的空间分布,与实验回路、观测系统共同构成了模拟雷暴过程避雷针尖端放电实验综合观测平台。实验获取了雷云背景电场下棒电极尖端电晕放电过程与不同类型电晕的放电特征。根据实验结果,得出了板-棒板间隙下不同电晕类型形成的电场判据,可为雷暴过程中避雷针的电晕空间电荷对防雷性能影响研究提供数据支撑。     

交流电晕笼电晕特性数值计算分析(Ⅰ)——3维离子流场与电场分布

电晕笼被广泛采用于特高压交流输电线路的电磁环境试验研究。基于模拟电荷法建立了特高压交流电晕笼3维电场计算模型,计算中考虑了有限长导线的端部效应和分裂子导线表面场强的不均匀性,以及笼内3维空间电荷对导线起晕、电荷发射和迁移等物理过程的影响,比2维模型更符合实际情况。按此模型计算了500 kV交流电压下特高压电晕笼试验导线表面附近的3维电场分布,得到了交流周期内子导线表面场强的沿线分布,结果表明端部效应主要影响5 m防护笼内导线表面场强。此外通过电场强度云图分析了空间电荷影响下测量笼截面上的场强分布规律,结果表明场强10 kV/cm的区域为子导线表面外侧半径0.1 m范围内,空间电荷则分布于分裂导线外半径1 m的环状区域内,对此区间内电场强度的影响范围在-5~7 kV/cm间。     

交直流同塔三回输电线路地面电场的预测分析

基于有限元和有限体积法的混合方法,合理地考虑了直流电晕放电和交流电晕放电之间的相互影响,解决了交直流同塔输电线路地面电场的分布计算问题。通过小尺寸模型的实验了验证计算方法的有效性。针对一回800kV直流输电线路和两回500 kV交流输电线路同塔架设的实际情况,计算了不同运行方式下的地面电场的直流分量、交流分量和离子流密度的分布情况。计算结果表明,由于交流输电线路的电晕放电,地面电场直流分量和离子流密度会有所降低。同时,地面交、直流电场均随线路高度的升高而降低,但是工频电场的变化程度比直流电场要大。     

空气湿度对导线电晕起始电压的影响

我国特高压工程中,输电线路要经过山地、湖泊等高湿度地区,空气湿度对架空输电线路电晕放电有较大影响。为研究湿度对导线电晕放电的影响,利用同轴线-筒电极研究了不同大气湿度对交流以及直流正负极性电晕起始电压的影响规律。试验结果表明:湿度对直流正极性电晕起始电压影响较小,而对直流负极性以及交流电压电晕起始电压影响较大:在相对湿度达50%～60%时,直流负极性与交流起晕电压最高。分析认为,空气湿度对空间电荷分布的影响以及湿度对导线表面状态的影响是导致起晕电压变化的主要因素。     

高压输电路线附近电磁环境的预测模型和软件

作者分析了高压输电线路附近产生的工频电场和电晕放电辐射场,包括工频电场强度和电位的分布,电晕放电辐射场中的导线表面的电位梯度、基准点场强的计算、辐射场强的频率特性和横向距离特性等。建立了预测高压输电线路附近工频电场和电晕放电辐射场的预测模型,编制了高压输电线路附近电磁环境的预测软件,并通过对实际线路的测量进行了验证。     

电晕笼内多分裂导线电晕损耗

当输电线路的导线表面场强超过空气的击穿场强时,输电线路上就产生电晕放电,导线附近区域的空气放电产生热、光、可听噪声和无线电干扰等,同时伴随着大量的电晕损耗,系统研究线路电晕损耗及其影响因素具有重要的工程应用及理论价值。建立电晕笼内多分裂导线的平面及三维仿真模型,分别对2种模型下的多分裂导线表面电场进行仿真分析,研究了特高压大电晕笼防护段尺寸对多分裂导线表面场强的影响,从而确定大电晕笼防护段最佳尺寸。根据三维模型仿真结果,试验测量电晕笼内多分裂导线在不同降雨率下的电晕损耗,可作为实际线路电晕损耗估算的参考。     

高压输电线路附近电磁环境的预测模型和软件

作者分析了高压输电线路附近产生的工频电场和电晕放电辐射场,包括工频电场强度和电位的分布,电晕放电辐射场中的导线表面的电位梯度、基准点场强的计算、辐射场强的频率特性和横向距离特性等。建立了预测高压输电线路附近工频电场和电晕放电辐射场的预测模型,编制了高压输电线路附近电磁环境的预测软件,并通过对实际线路的测量进行了验证。     

基于抽气式电荷仪的高压直流导线下方空间电荷密度测量

灰霾天气的的出现使得特高压直流输电线路的电磁环境问题,尤其是合成电场与电荷密度问题变得愈加复杂。为了测量高压直流导线下方地面附近的电荷密度,设计制作了一种带有垂直金属网的抽气式电荷密度测量装置。在相互平行的平面金属丝网所产生的合成电场中进行标定。利用标定后的装置,测量了单极高压直流导线下方的地面附近的电荷密度。分别使用2D和3D通量线法计算了地面处的电荷密度分布。实验和计算结果表明,电荷密度的测量值与2D和3D计算值之间的误差分别为6.6%和4.1%。该研究工作为研究高压直流输电线路发生电晕放电时离子的荷电特性奠定了基础。