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        特高壓直流輸電線下的直流離子流電場(chǎng)

        2012-09-22 05:49:42秦松林肖登明
        電氣技術(shù) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:空間電荷標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)

        邰 超 秦松林 肖登明

        (上海交通大學(xué)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(zhǎng)距離、大容量輸送電力方面有明顯優(yōu)勢(shì),采用特高壓直流輸電能夠有效地節(jié)約線路走廊、有助于改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分明顯[1-3]。但我國(guó)的高壓直流輸電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)尚淺,特高壓直流示范工程[4-5]尚無(wú)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可循。隨著電壓等級(jí)從±500kV提高到±800kV,面臨的問(wèn)題也將更加突出,其中特高壓直流輸電線路產(chǎn)生的電磁環(huán)境問(wèn)題受到了專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。

        目前國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)特高壓直流輸電線下的合成場(chǎng)強(qiáng)及其受電暈影響的情況進(jìn)行了一定的理論計(jì)算研究[6-7],而鮮有定量的試驗(yàn)研究。

        當(dāng)直流導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)線表面會(huì)發(fā)生電暈放電[8-10],電暈放電會(huì)將空氣分子電離成空間電荷。當(dāng)發(fā)生電暈時(shí),直流電壓極性固定,在導(dǎo)線之間和導(dǎo)線與大地之間的整個(gè)空間將充滿運(yùn)動(dòng)的帶電離子,在電場(chǎng)力的作用下向地面連續(xù)移動(dòng)形成離子流。由于空間充滿離子,即空間電荷,它們也產(chǎn)生電場(chǎng),所以特高壓輸電線下地面附近的場(chǎng)強(qiáng)是空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)與標(biāo)稱場(chǎng)一起形成的合成場(chǎng)強(qiáng)。

        在試驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),可以避免可預(yù)見(jiàn)的其他外力的影響。本文研究空間電荷對(duì)特高壓輸電線路下合成電場(chǎng)的影響,對(duì)正確認(rèn)識(shí)特高壓輸電線路下的電場(chǎng)性質(zhì)具有重要意義。

        1 試驗(yàn)裝置及方法

        試驗(yàn)裝置連接示意圖如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)裝置連接示意圖

        1)試驗(yàn)導(dǎo)線:試驗(yàn)一共用了5條導(dǎo)線,每條導(dǎo)線采用3組高度來(lái)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng),測(cè)量點(diǎn)分別選擇在導(dǎo)線垂直下方和斜45°角處。

        表1 試驗(yàn)導(dǎo)線的參數(shù)

        2)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置:將旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)式場(chǎng)強(qiáng)儀放在導(dǎo)線下方用于探測(cè)場(chǎng)強(qiáng),其輸出與一臺(tái)能讀出直流場(chǎng)強(qiáng)與交流場(chǎng)強(qiáng)的儀器相連,不用移動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)儀,在顯示儀器上便可讀出同一地點(diǎn)的交流、直流場(chǎng)強(qiáng)的大小,試驗(yàn)中的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值不會(huì)超過(guò)100kV/m。

        3)測(cè)量點(diǎn)的選?。哼x擇兩個(gè)測(cè)量點(diǎn),一個(gè)是導(dǎo)線正下方垂直位置,另一個(gè)是偏移垂直位置h距離,h為當(dāng)時(shí)的導(dǎo)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(dá)80kV。

        試驗(yàn)在試驗(yàn)室中進(jìn)行,避免了受到自然外力如風(fēng)力、雨水等以及其他電磁信號(hào)干擾對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響;實(shí)時(shí)溫度為 26~32℃左右,天氣以晴好天氣為主。

        接通電源后,通過(guò)自動(dòng)電壓控制器的控制按鈕,可以把調(diào)節(jié)電源電壓的信號(hào)輸入給電控調(diào)壓器;電控調(diào)壓器再將電壓信號(hào)傳送給變壓器,電壓等級(jí)經(jīng)過(guò)變壓器放大后,經(jīng)二極管(直流時(shí))或直接(交流時(shí))輸入至分壓器,在此處連接智能的數(shù)字千伏表可顯示出導(dǎo)線的輸入電壓數(shù)值;在導(dǎo)線通電后,會(huì)在周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng),使用場(chǎng)強(qiáng)儀就可以進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量了。

        交流時(shí),測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)既是合成場(chǎng)強(qiáng),也是導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng);直流時(shí),測(cè)得的是合成場(chǎng)強(qiáng),即導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)與空間電荷場(chǎng)強(qiáng)之和。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

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

        FastEthernet0/0 128.1 128 19 FWD 0 4096 cc00.1ca0.0001 128.1

        由于直流輸電線下的離子流電場(chǎng)是在導(dǎo)線起暈后產(chǎn)生的,所以本試驗(yàn)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均記錄導(dǎo)線起暈后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于分析。因此,場(chǎng)強(qiáng)-電壓曲線都是以起暈電壓為起點(diǎn),而不是從零點(diǎn)開(kāi)始。

        圖2 0.5mm、90cm的交流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度

        標(biāo)稱場(chǎng),即由輸電導(dǎo)線電位產(chǎn)生的電場(chǎng)屬于靜電場(chǎng)的一種;又由于在試驗(yàn)過(guò)程中,我們只測(cè)量導(dǎo)線中間一小段的場(chǎng)強(qiáng),所以可以把導(dǎo)線當(dāng)成無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線來(lái)處理,因此,可以用高斯定理來(lái)計(jì)算標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值。

        設(shè)導(dǎo)線半徑為 r0,距離地面高度為 h,距離導(dǎo)線r處的電場(chǎng)強(qiáng)度E與導(dǎo)線電壓U的關(guān)系如式(1)所示。

        因此,當(dāng)導(dǎo)線高度一定時(shí),在導(dǎo)線外某一點(diǎn),E∝U,即導(dǎo)線電位與其在地面固定點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)線性關(guān)系,電場(chǎng)的極性取決于導(dǎo)線電位的極性。圖2中的線性關(guān)系式是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用線性回歸方法得到的,用交流電壓獲得的導(dǎo)線電位對(duì)地面場(chǎng)強(qiáng)的線性回歸公式可以用于直流電壓下地面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算。交流電壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用于計(jì)算統(tǒng)一幾何參數(shù)下的場(chǎng)強(qiáng)-電壓的線性回歸表達(dá)式,而直流電壓試驗(yàn)中標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值是用上述線性回歸表達(dá)式計(jì)算出來(lái)。對(duì)于每一條導(dǎo)線,在每一個(gè)高度下都需要先求出場(chǎng)強(qiáng)-導(dǎo)線電壓的線性關(guān)系式,然后計(jì)算得到直流導(dǎo)線在不同電壓值處的場(chǎng)強(qiáng)值。

        圖3 0.5mm、90cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)

        圖3中,從上到下,三條曲線依次為合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng),試驗(yàn)中合成場(chǎng)強(qiáng)與標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)的比例大小與文獻(xiàn)[11]相符合。

        2)導(dǎo)線直徑為0.5mm,距地高度為80cm,場(chǎng)強(qiáng)儀分別位于直流導(dǎo)線垂直下方和偏離垂直位置80cm,直流導(dǎo)線下獲得的場(chǎng)強(qiáng)-電壓關(guān)系圖(橫軸-電壓,單位為kV;縱軸-場(chǎng)強(qiáng),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(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(三角)。在較細(xì)導(dǎo)線的合成場(chǎng)強(qiáng)中,標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)與空間電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)基本相等,試驗(yàn)中合成場(chǎng)強(qiáng)與標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)的比例大小與文獻(xiàn)[11]相符合。

        圖4 0.5mm、80cm直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(場(chǎng)強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方)

        圖5 0.5mm、80cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(場(chǎng)強(qiáng)儀在導(dǎo)線下方距離垂直位置80cm)

        從場(chǎng)強(qiáng)儀位于導(dǎo)線正下方的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn),導(dǎo)線電位分別與標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系直線近乎平行,如圖3、圖4、圖6所示。

        3)導(dǎo)線直徑為 1.78mm,距地高度為 96cm,場(chǎng)強(qiáng)儀在導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)-電壓圖(橫軸-電壓,單位為kV;縱軸-場(chǎng)強(qiáng),單位為kV/m)如圖6、圖7所示。

        圖6 1.78mm、96cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(場(chǎng)強(qiáng)儀在導(dǎo)線垂直下方)

        圖7 1.78mm、96cm的直流導(dǎo)線在電壓不同時(shí)的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(場(chǎng)強(qiáng)儀在導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷場(chǎng)強(qiáng)(三角)。從場(chǎng)強(qiáng)儀位于導(dǎo)線斜下方(45°)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn),導(dǎo)線電位與標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系直線有交叉,如圖5、圖7所示。即低電場(chǎng)時(shí),空間電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要小于標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng);而高場(chǎng)強(qiáng)時(shí),空間電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要大于標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)。在線徑較小時(shí)相差不是很大,一般相差值為標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)的10%~20%;隨著線徑的增大,差值也會(huì)增大。

        3 結(jié)論

        通過(guò)本次試驗(yàn)室中單導(dǎo)線試驗(yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出以下直流導(dǎo)線產(chǎn)生電暈以后導(dǎo)線下方的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)與空間電荷場(chǎng)強(qiáng)之間的一些關(guān)系。

        1)試驗(yàn)表明起暈后導(dǎo)線上的直流電位與導(dǎo)線下方地面上的合成場(chǎng)強(qiáng)、標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。

        2)試驗(yàn)表明正、負(fù)極導(dǎo)線放電電暈情況有差異。負(fù)極導(dǎo)線比正極導(dǎo)線的起暈電壓、起暈場(chǎng)強(qiáng)低一些;負(fù)極導(dǎo)線下的空間電荷場(chǎng)強(qiáng)平均值要比正極導(dǎo)線下的略高;負(fù)極導(dǎo)線比正極導(dǎo)線的標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)與空間電荷場(chǎng)強(qiáng)相差值占標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)的比重略低。

        3)通過(guò)試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加,總體上標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)在合成場(chǎng)強(qiáng)中所占比重減小,合成場(chǎng)強(qiáng)最大值可達(dá)標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)的1.8~2.2倍。

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