盧鐵兵，申南軒，蘇子寒，馬文祚

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京102206；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊065000)

0 引言

為了解決能源分布不均的問題，我國(guó)已建成了±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1 100 kV等20余條架空直流輸電線路?！?00 kV及±1 100 kV特高壓直流輸電工程的穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)直流輸電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

高壓直流輸電線路電暈放電時(shí)產(chǎn)生的空間電荷會(huì)引起地面合成電場(chǎng)和離子流，導(dǎo)致離子流場(chǎng)問題[1-2]。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T1088—2008推薦：直流線路下地面合成電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)不超過30 kV/m，離子流密度不超過100 nA/m2[3]。針對(duì)±800 kV架空輸電線路的設(shè)計(jì)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50790—2013規(guī)定：晴天情況下，非居民區(qū)和居民區(qū)地面合成電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)限值分別為30 kV/m和25 kV/m、離子流密度限值分別為100 nA/m2和80 nA/m2[4]。為了評(píng)估、監(jiān)測(cè)和管理離子流場(chǎng)，2020年12月我國(guó)開始強(qiáng)制執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 39220—2020。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：為了控制合成電場(chǎng)的公眾曝露危險(xiǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)合成電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的95%絕對(duì)值(E95)的限值為25 kV/m，且連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的80%絕對(duì)值(E80)的限值為15 kV/m；耕地、園地、牧草地、畜禽飼養(yǎng)地、養(yǎng)殖水面、道路等場(chǎng)所的合成電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E95限值為30 kV/m[5]。所以，作為電磁環(huán)境保護(hù)的重要指標(biāo)，離子流場(chǎng)直接影響著高壓直流工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行。

我國(guó)部分特高壓直流輸電線路情況如表1所示，線路長(zhǎng)度在1 100～3 300 km之間。

表1 特高壓直流輸電線路

此時(shí)，特高壓直流輸電線路會(huì)面臨多種復(fù)雜線路結(jié)構(gòu)和氣象條件，包括：交直流線路共用走廊、線路附近存在復(fù)雜物體(房屋、樹木、農(nóng)用大棚等)、跨越其他交流或直流線路、跨越復(fù)雜環(huán)境(高海拔、高濕度、高污染等)地域，如圖1所示。為了使輸電線路滿足電磁環(huán)境友好的設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行離子流場(chǎng)的建模計(jì)算、試驗(yàn)測(cè)試等方面的深入研究，進(jìn)而獲得復(fù)雜條件下離子流場(chǎng)特性及其影響因素。

圖1 離子流場(chǎng)問題面臨的復(fù)雜條件

多年來國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)問題做了大量卓有成效的研究，提出了多種可用于工程實(shí)際的計(jì)算方法[1,6]。最初，針對(duì)單回直流輸電線路的二維離子流場(chǎng)問題，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究[7-10]。隨著直流輸電工程的建設(shè)需求，瑞士、南非、巴西和韓國(guó)等進(jìn)一步開展了數(shù)值計(jì)算方法的研究[11-14]。我國(guó)在特高壓直流工程的引領(lǐng)下，在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)(面上)項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目的重點(diǎn)支持下，中國(guó)電力科學(xué)院(武漢高壓研究所)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、武漢大學(xué)、重慶大學(xué)、南網(wǎng)科研院、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、山東大學(xué)等單位，分別針對(duì)離子流場(chǎng)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和特性分析[15-20]，并由單回直流輸電線路擴(kuò)展到復(fù)雜結(jié)構(gòu)線路的離子流場(chǎng)特性分析，計(jì)算模型由二維擴(kuò)展到三維，提出了多種有效的離子流場(chǎng)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了同塔雙回(多回)直流線路、交直流并行線路、交叉跨越直流線路以及輸電線路下存在復(fù)雜物體(建筑物、人體、金屬網(wǎng)、農(nóng)用大棚等)時(shí)離子流場(chǎng)特性的分析和計(jì)算[21-32]，可反映中等濕度、空氣質(zhì)量較好情況下的離子流場(chǎng)特性。但是，計(jì)算模型未能充分反映海拔、濕度和灰霾顆粒的影響機(jī)理，不能有效預(yù)測(cè)高海拔、高濕度、高污染情況下離子流場(chǎng)分布。因此，高海拔、高濕度、高污染地區(qū)的高壓直流架空線路設(shè)計(jì)方案偏于保守，建設(shè)成本較高。2019年11月，我國(guó)對(duì)GB 50790—2013標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行了局部修改，并于2020年3月1日開始實(shí)施。修訂版進(jìn)一步明確：直流線路設(shè)計(jì)必須考慮海拔、濕度、空中顆粒物對(duì)離子流場(chǎng)的影響[33]。

離子流場(chǎng)受線路結(jié)構(gòu)、氣象因素影響較大。由于復(fù)雜線路結(jié)構(gòu)時(shí)離子流場(chǎng)特性的研究較為成熟，所以，本文重點(diǎn)梳理和總結(jié)了氣壓(海拔)、濕度和顆粒物等氣象因素對(duì)離子流場(chǎng)特性的影響，闡明了復(fù)雜氣象條件下高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)研究中存在的主要問題，并提出了研究建議。此外，由于離子流場(chǎng)特性直接與導(dǎo)線的電暈放電起始特性有關(guān)，所以本文還介紹了海拔、濕度、顆粒物對(duì)電暈放電的影響。

1 海拔對(duì)離子流場(chǎng)特性的影響

當(dāng)海拔增加時(shí)，由于氣壓和空氣密度降低，導(dǎo)線更容易發(fā)生電暈放電，地面離子流場(chǎng)會(huì)因而增加。

1.1 不同海拔下電暈放電起始特性

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同海拔下的電暈放電特性開展了大量研究，主要是將海拔影響轉(zhuǎn)化為氣壓的影響。20世紀(jì)初，基于不同環(huán)境下光滑圓柱形導(dǎo)體的電暈放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Peek提出了用于預(yù)測(cè)光滑圓柱形導(dǎo)體的經(jīng)驗(yàn)公式[34]，在考慮了空氣密度對(duì)電暈放電的影響后，可間接反映氣壓(海拔)對(duì)起暈場(chǎng)強(qiáng)的影響。Robinson[35]、Waters[36]等人進(jìn)一步開展了電暈放電實(shí)驗(yàn)，分別提出了適用于不同電極結(jié)構(gòu)的起暈電壓計(jì)算公式，通過修正空氣密度體現(xiàn)了氣壓(海拔)對(duì)起暈場(chǎng)強(qiáng)的影響。1999年，Jose Garcia等人在海拔2 540 m處進(jìn)行了電暈放電試驗(yàn)，結(jié)果表明：海拔對(duì)正直流放電的影響大于對(duì)負(fù)極性放電的影響；在海拔較高時(shí)，濕度的影響會(huì)有所減小[37]。2003年，Mac Alpine和Li測(cè)量發(fā)現(xiàn)：隨著氣壓的降低，電暈電流會(huì)增大[38]。2004年Yamazaki等人分析了氣壓對(duì)電離系數(shù)、附著系數(shù)等放電參數(shù)的影響，初步分析了海拔對(duì)導(dǎo)線電暈放電特性的影響機(jī)理[39]。IEEE Std 4—2013推薦：采用0.8～1.05的空氣密度修正系數(shù)，對(duì)不同氣壓(海拔)下導(dǎo)線起暈電壓進(jìn)行計(jì)算[40]。2018年Jordi-Roger等人比較分析了不同研究機(jī)構(gòu)提出的海拔修正系數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同文獻(xiàn)的海拔修正系數(shù)有明顯差異，且隨著海拔高度的增加，其差異也明顯增大[41]。

為了配合我國(guó)高壓直流輸電線路的建設(shè)需求，20世紀(jì)80年代，武漢高壓研究所使用同軸圓柱電極在不同海拔位置測(cè)量了3種不同半徑導(dǎo)線的起暈電壓，并且和Peek公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[42]。1990年，為了滿足我國(guó)高海拔地區(qū)超高壓輸電線路導(dǎo)線選型的需求，中國(guó)電科院劉有為等人從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了電暈放電起始特性的測(cè)量方法和不同分裂數(shù)導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)[43]。2009年，蔣興良等人利用絞線研究了氣壓對(duì)直流電暈起始電壓的影響，基于光電離理論建立了考慮氣壓影響的電暈放電計(jì)算模型[44]。2013年，卞星明等人使用移動(dòng)式電暈籠試驗(yàn)系統(tǒng)分別在武漢、西寧、格爾木和納奇臺(tái)對(duì)導(dǎo)線的電暈放電特性進(jìn)行了測(cè)量，提出了近似的海拔線性校正公式[45]。2015年，劉浩等人使用針-板電極研究了氣壓對(duì)電暈放電特性的影響[46]。2018年，基于不同海拔下真型實(shí)驗(yàn)線段地面合成電場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果，趙錄興等人提出了導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)的海拔擬合公式[47]。

不同學(xué)者得到的導(dǎo)線起暈電壓(場(chǎng)強(qiáng))海拔修正系數(shù)隨海拔變化曲線如圖2所示?？梢钥吹剑弘S著海拔的升高(氣壓的降低)，導(dǎo)線起暈電壓逐漸減小，但是變化規(guī)律存在較大的差異。其原因可能是高海拔情況下起暈場(chǎng)強(qiáng)影響因素更多，例如：空間宇宙射線等。只考慮氣壓變化的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以反映實(shí)際的情況。因此，目前的研究還不能有效解釋高海拔電暈放電起始特性的變化規(guī)律和機(jī)理。

圖2 起暈電壓(場(chǎng)強(qiáng))海拔修正系數(shù)

1.2 不同海拔(氣壓)下離子流場(chǎng)特性

雖然Chartier等人實(shí)驗(yàn)獲得了500 kV交流輸電線路無線電干擾、可聽噪聲的海拔修正系數(shù)[48]，但是，由于國(guó)外沒有高海拔直流輸電線路建設(shè)需求，所以對(duì)于不同海拔(氣壓)下離子流場(chǎng)特性研究較少。我國(guó)西部地區(qū)海拔較高，西藏水電送出等直流線路需經(jīng)過海拔4 000 m的區(qū)域，因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在海拔(氣壓)對(duì)離子流場(chǎng)特性的影響方面做了大量的工作。20世紀(jì)90年代，青海電力試驗(yàn)研究所在武漢和西寧的縮尺模型試驗(yàn)表明：隨著海拔高度增加，直流線路離子流場(chǎng)增大[49]。為了滿足±500 kV 青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程的需要，2009年華中科技大學(xué)與國(guó)網(wǎng)電科院在6個(gè)不同海拔位置進(jìn)行了室內(nèi)直流電場(chǎng)的試驗(yàn)，結(jié)果表明：海拔每升高1 000 m，地面電場(chǎng)可增加2～4 kV/m[50]。青藏直流輸電線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)一步確認(rèn)了地面合成電場(chǎng)隨海拔高度的增加而增加的規(guī)律。2013年，清華大學(xué)和南網(wǎng)科研院在位于海拔2 100 m的昆明特高壓工程試驗(yàn)基地開展了離子流場(chǎng)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析[51]，研究結(jié)果反映了高海拔與低海拔地區(qū)離子流場(chǎng)的差異。2015年，華南理工大學(xué)和南網(wǎng)科研院測(cè)量了云廣特高壓直流線路6個(gè)海拔點(diǎn)的地面合成電場(chǎng)，得到了一些有價(jià)值的測(cè)試結(jié)果[52]，更好地反映了海拔對(duì)離子流場(chǎng)的影響特征。自2010年至2015年，中國(guó)電力科學(xué)研究院在4個(gè)海拔點(diǎn)進(jìn)行了雙極試驗(yàn)線路的地面合成電場(chǎng)測(cè)試，通過統(tǒng)計(jì)分析，獲得了地面合成電場(chǎng)隨海拔高度線性變化的規(guī)律[47,53]。2018年，中國(guó)電力科學(xué)研究院和華北電力大學(xué)利用人工氣候室模擬海拔的影響，測(cè)量了正極單導(dǎo)線地面離子流場(chǎng)，初步分析了氣壓對(duì)離子流場(chǎng)的影響原因[54]。

綜上所述，當(dāng)前有關(guān)海拔對(duì)離子流場(chǎng)特性的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究方面，雖然得到了海拔對(duì)離子流場(chǎng)的影響規(guī)律，但是還難以全面分析其影響機(jī)理，未能建立反映海拔影響本質(zhì)特征的離子流場(chǎng)計(jì)算模型。

2 濕度對(duì)離子流場(chǎng)特性的影響

濕度變化時(shí)，導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)和離子流場(chǎng)均會(huì)發(fā)生變化。但是，不同研究人員的研究結(jié)果存在較大的差異。

2.1 不同濕度下電暈放電起始特性

為了分析不同濕度下的電暈放電特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。1991年，唐炬等人在不同絕對(duì)濕度條件下采用平板電極穩(wěn)態(tài)湯遜實(shí)驗(yàn)法，測(cè)量了電離系數(shù)和附著系數(shù)[55]，分析了絕對(duì)濕度變化對(duì)電離系數(shù)和附著系數(shù)的影響。1995年，L.Fouad和S.Elhazek使用棒-板電極結(jié)構(gòu)研究了濕度對(duì)正極性導(dǎo)體電暈起始特性的影響[56]。2007年，麻敏華等人采用電暈籠在50%～80%濕度環(huán)境下對(duì)光滑不銹鋼管直流電暈起始電壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[57]，研究結(jié)果表明：局部電暈起始電壓受相對(duì)濕度的影響較大，全面電暈起始電壓受相對(duì)濕度的影響較小。2008年，安冰等人使用電暈籠研究了相對(duì)濕度對(duì)光滑銅導(dǎo)線直流電暈起始電壓的影響[58]，結(jié)果表明：隨著相對(duì)濕度的增大，正極性導(dǎo)線的直流電暈起始電壓逐漸增大，負(fù)極性導(dǎo)線的直流電暈起始電壓逐漸減小。2010年，D.Rodriguez等人利用棒-板結(jié)構(gòu)在不均勻電場(chǎng)下研究了濕度對(duì)導(dǎo)體電暈起始電壓的影響，結(jié)果表明：導(dǎo)體電暈起始電壓隨相對(duì)濕度的增大而減小[59]。2014年，蔣興良等人使用電暈籠測(cè)量了不同相對(duì)濕度條件下光滑銅管的起暈電壓[60]，結(jié)果表明：當(dāng)導(dǎo)線沒有受潮時(shí)，在一段范圍內(nèi)，隨著相對(duì)濕度的不斷增大，導(dǎo)線直流起暈電壓會(huì)緩慢增大。2015年，Yawoottl等人使用針電極進(jìn)一步研究了濕度對(duì)正、負(fù)直流電暈的影響[61]。

為了建立反映濕度影響的電暈起始放電模型，一般采取基于干、濕空氣的道爾頓分壓理論進(jìn)行研究。2007年，Abdel Salam等人針對(duì)線-板電極結(jié)構(gòu)，研究了濕度對(duì)正直流電暈放電起始特性的影響[62]，建立了正直流電暈起始電壓計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于細(xì)導(dǎo)線，正直流電暈起始電壓隨濕度增大逐漸減?。粚?duì)于較粗導(dǎo)線，正直流電暈起始電壓隨濕度增大逐漸增大。2009年，林銳等人分析了絞線正極直流電暈起始特性及影響因素，基于氣體放電理論建立了導(dǎo)線電暈起始放電模型[63]，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均表明：隨著絕對(duì)濕度的逐漸增大，絞線和光滑導(dǎo)線的電暈起始電壓均逐漸減小。2010年，惠建峰等人研究了棒-板結(jié)構(gòu)下氣壓和濕度對(duì)導(dǎo)體直流電暈起始特性的影響，建立了負(fù)直流電暈放電起始電壓的計(jì)算模型[64]，得到結(jié)論：隨著濕度的增大，有效電離系數(shù)增大，負(fù)導(dǎo)體的電暈起始電壓逐漸減小。2012年，徐明銘等人建立了計(jì)及濕度影響的正直流導(dǎo)線起暈電壓計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于半徑大于0.1 mm的導(dǎo)線，起暈電壓隨濕度增大逐漸增大[65]。

不同學(xué)者獲得的濕度對(duì)電暈起始電壓的影響結(jié)論如表2所示?？梢钥吹?，電暈放電起始電壓隨濕度變化的研究結(jié)果存在差異，難以反映濕度對(duì)高壓直流導(dǎo)線電暈放電特性影響的本質(zhì)特征。因此，濕度對(duì)高壓直流導(dǎo)線電暈放電起始特性的影響規(guī)律和影響機(jī)理還未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

表2 濕度對(duì)電暈放電起始特性影響規(guī)律

2.2 不同濕度條件下離子流場(chǎng)特性

20世紀(jì)80年代，加拿大魁北克省水電局研究所(IREQ)和美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)對(duì)戶外的直流輸電線路離子流場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：相對(duì)濕度對(duì)離子流場(chǎng)影響很大，雙極輸電線路的地面合成電場(chǎng)隨相對(duì)濕度的增加而增加。EPRI認(rèn)為：干燥空氣中，附著在導(dǎo)線表面的昆蟲電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致起暈電壓增大；在潮濕天氣下，昆蟲電導(dǎo)率較高，更容易發(fā)生電暈放電[66]。2012年，中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)特高壓直流輸電線路的電磁環(huán)境進(jìn)行了長(zhǎng)期的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：隨著濕度增加，負(fù)極性地面合成電場(chǎng)幅值逐漸減小，正極性地面合成電場(chǎng)幅值逐漸增大；低濕環(huán)境下，正極性地面合成場(chǎng)強(qiáng)幅值小于負(fù)極性[67]。為了系統(tǒng)地分析濕度對(duì)離子流場(chǎng)的影響，在人工氣候室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以更好地進(jìn)行單一因素的分析，減少周圍環(huán)境其他因素的影響。2013年，王曉華等人研究發(fā)現(xiàn)：隨著相對(duì)濕度的增大，平板型靜電除塵器負(fù)極性電暈電極周圍的空間電荷密度和合成電場(chǎng)均增大[68]。Aissou等人采用雙極導(dǎo)線模型，研究了濕度對(duì)正、負(fù)極導(dǎo)線下地面合成場(chǎng)強(qiáng)的影響。研究結(jié)果表明：在相對(duì)濕度50%～80%范圍內(nèi)，隨著濕度的增大，地面合成電場(chǎng)逐漸減小[69]。2019年，李海冰等人搭建了線板電極模型，測(cè)量了不同相對(duì)濕度條件下正極性導(dǎo)線下方的地面合成電場(chǎng)，結(jié)果表明：隨著濕度的增大，起暈電壓、離子遷移率減小，空間懸浮液滴的荷電作用增加，最終導(dǎo)致正極性導(dǎo)線的地面合成場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大[70]。2021年，通過將導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)設(shè)置為實(shí)際輸電線路相近的場(chǎng)強(qiáng)，馬曉倩等人在氣候室中測(cè)量了線板電極下的地面合成電場(chǎng)。結(jié)果表明：恒溫濕度變化與自然溫濕度變化時(shí)離子流場(chǎng)的變化規(guī)律不同。恒溫濕度變化時(shí)，正極地面合成電場(chǎng)先緩慢增大，當(dāng)相對(duì)濕度大于80%時(shí)明顯增大；負(fù)極地面合成電場(chǎng)始終以較大的幅度增大，明顯大于正極地面合成場(chǎng)強(qiáng)的增大速度。溫濕度按自然規(guī)律變化時(shí)，正極性地面合成場(chǎng)強(qiáng)最初幾乎不變，然后增大；負(fù)極性地面合成場(chǎng)強(qiáng)具有先增大后減小的趨勢(shì)[71]。

目前有關(guān)濕度對(duì)離子流場(chǎng)特性影響的研究結(jié)果如表3所示?？梢钥吹剑翰煌瑢W(xué)者得到的濕度影響規(guī)律有所不同，尚缺乏濕度對(duì)高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)特性影響機(jī)理和計(jì)算建模的研究。

表3 濕度對(duì)離子流場(chǎng)特性影響規(guī)律

3 顆粒物對(duì)離子流場(chǎng)特性的影響

在離子流場(chǎng)中，灰霾中的顆粒物會(huì)吸附導(dǎo)線電暈放電產(chǎn)生的空間電荷，發(fā)生荷電，進(jìn)而影響離子流場(chǎng)的分布。同時(shí)，顆粒物還會(huì)在導(dǎo)線表面發(fā)生沉積，影響導(dǎo)線的電暈放電起始特性。因此，顆粒物對(duì)離子流場(chǎng)的影響機(jī)理是非常復(fù)雜的。

3.1 顆粒物荷電模型

通過對(duì)顆粒物荷電量的測(cè)量和顆粒物荷電特性的分析，目前國(guó)外已提出了不同的顆粒物荷電模型。20世紀(jì)30年代，F(xiàn)uchs等人測(cè)量了0.5～3 μm油滴的荷電量，證明了在該粒徑范圍內(nèi)，油滴的平均荷電量可用電場(chǎng)荷電模型來表征[72]。1967年，Liu等人使用圓柱形遷移率分析儀測(cè)量了粒徑0.65 μm和1.35 μm的DOP液滴的荷電量，測(cè)量結(jié)果與擴(kuò)散荷電模型一致[73]。1978年，Liu和Kapadia建立了綜合荷電模型[74]。1996年，Lawless等人根據(jù)荷電顆粒物對(duì)電場(chǎng)影響的不同，進(jìn)一步完善了綜合荷電模型[75]。2004年，F(xiàn)rank使用3種方法測(cè)量了直徑0.1～2.2 μm液滴的荷電量，測(cè)量得到的平均荷電量與綜合荷電模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合[76]。2012年，Hewitt使用圓柱形遷移率分析儀測(cè)量了直徑0.07～0.66 μm顆粒物的荷電量，測(cè)量得到的荷電量與綜合荷電模型一致，驗(yàn)證了綜合荷電模型的正確性[77]。

20世紀(jì)60年代，針對(duì)較小粒徑范圍的顆粒物荷電問題，Natanson和Fuchs提出了極限球荷電模型[78-79]。1985年，Adachi等人使用差分遷移率分析儀測(cè)量了4～100 nm粒徑范圍的ZnCl2和DEHS液滴的荷電量，證明了極限球荷電模型的有效性[80]。2005年，Biskos等人使用串聯(lián)差分遷移率分析儀，測(cè)量了10～300 nm粒徑范圍的飛灰顆粒的荷電量，進(jìn)一步證明了極限球荷電模型可適用于nm級(jí)顆粒物的荷電分析[81]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要對(duì)顆粒物荷電模型的適用性和顆粒物荷電影響因素進(jìn)行了分析和研究。2010年，Long等人建立了電除塵器的數(shù)值模型，分析了場(chǎng)致荷電模型、擴(kuò)散荷電模型、綜合荷電模型等9種荷電模型在電除塵器中的適用性[82]，結(jié)果表明：電除塵器中亞微米顆粒荷電量分析應(yīng)首選綜合荷電模型。2014年，駱仲泱等人使用靜電低壓撞擊器，分別測(cè)量了直流電場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)中單個(gè)顆粒物的平均荷電量[83]，分析認(rèn)為：在直流電暈放電中，粒徑小于0.2 μm的細(xì)顆粒物主要為擴(kuò)散荷電，大于0.2 μm的細(xì)顆粒物主要為場(chǎng)致荷電。2015年，何堃等人考慮了顆粒物電導(dǎo)率和介電常數(shù)對(duì)顆粒物荷電特性的影響，建立了有損電介質(zhì)荷電模型，并通過與Smith和Kirsch等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性[84]。2017年，常倩云等人進(jìn)一步分析了放電參數(shù)、顆粒物性質(zhì)、煙氣溫濕度對(duì)顆粒物荷電量的影響[85]。

顆粒荷電模型的研究主要集中在電除塵領(lǐng)域，荷電模型在輸電線路離子流場(chǎng)中的適用性尚不明確，需要進(jìn)一步研究。隨著溫濕度的變化，顆粒物粒徑、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等物理性質(zhì)會(huì)受到影響，高濕情況下還會(huì)出現(xiàn)荷電懸浮液滴，如圖3所示，使得顆粒物的影響更加復(fù)雜。此時(shí)的離子流場(chǎng)控制方程也會(huì)變得更加復(fù)雜。

圖3 直流離子流場(chǎng)中顆粒物荷電的影響

3.2 顆粒物環(huán)境下電暈放電起始特性

顆粒物會(huì)附著在導(dǎo)線表面，改變導(dǎo)線粗糙度，影響導(dǎo)線電暈放電特性。20世紀(jì)80年代，Maruvada等人分別在電暈籠和試驗(yàn)線路上研究了污穢導(dǎo)線和潔凈導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)[86]，研究發(fā)現(xiàn)：污穢導(dǎo)線的表面粗糙系數(shù)小于潔凈導(dǎo)線的粗糙系數(shù)。2002年，Suda等人對(duì)運(yùn)行7年的老化導(dǎo)線和新導(dǎo)線的電暈放電特性進(jìn)行了研究[87]，研究結(jié)果表明：正極性導(dǎo)線更容易積污；相同電壓等級(jí)下，老化導(dǎo)線比新導(dǎo)線的電暈電流大1～2倍。2007年，趙宇明等人對(duì)高壓直流輸電線路的研究表明：污穢導(dǎo)線比潔凈導(dǎo)線更容易發(fā)生電暈放電[57]。2010年，張喬根等人基于電暈籠研究了不同種類污穢的影響，研究結(jié)果表明：隨著污穢程度的增加，正、負(fù)極導(dǎo)線的起暈電壓逐漸下降；碳類污穢對(duì)負(fù)極導(dǎo)線影響較大，鹽類污穢對(duì)正極和負(fù)極性導(dǎo)線的影響程度基本相同；污穢的影響程度與導(dǎo)線極性和相對(duì)濕度有關(guān)[88]。2017年，王黎明等人測(cè)量了不同運(yùn)行年限的直流導(dǎo)線的地面合成電場(chǎng)，測(cè)量結(jié)果表明：運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，地面合成電場(chǎng)和離子流密度越大[89]。祝藝嘉等人研究了快速可控的導(dǎo)線表面顆粒物積聚方法，并對(duì)不同污穢程度導(dǎo)線的電暈放電特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：均勻污穢會(huì)覆蓋導(dǎo)線原有瑕疵，抑制電暈放電的發(fā)生；不均勻的污穢會(huì)降低導(dǎo)線粗糙系數(shù)，促進(jìn)電暈放電的發(fā)生[90]。2018年，李海冰等人從顆粒物在標(biāo)稱電場(chǎng)下的受力和運(yùn)動(dòng)出發(fā)，建立了標(biāo)稱電場(chǎng)下導(dǎo)線表面的顆粒物積聚模型，研究發(fā)現(xiàn)：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和電壓的升高，導(dǎo)線表面的顆粒物積聚越多，電暈電流和離子流密度越大[91]。

目前顆粒物環(huán)境下電暈放電起始特性的研究主要集中于模擬實(shí)驗(yàn)方面，主要考慮了標(biāo)稱電場(chǎng)對(duì)顆粒物沉積的影響，還缺乏對(duì)離子流場(chǎng)中顆粒物沉積模型的研究。

3.3 顆粒物環(huán)境下離子流場(chǎng)特性

20世紀(jì)80年代美國(guó)電力科學(xué)院針對(duì)不同程度的大氣污染，分析了高壓直流輸電線路下荷電顆粒物的電荷轉(zhuǎn)移問題，初步認(rèn)識(shí)到顆粒物對(duì)輸電線路電場(chǎng)的影響[92]。使用顆粒物綜合荷電模型和單極離子流場(chǎng)模型，分析了高壓直流輸電線路附近存在顆粒物時(shí)的空間電荷轉(zhuǎn)移情況，研究結(jié)果表明：隨著污染程度的加大，更多的空間電荷轉(zhuǎn)移到空中顆粒物中。在相對(duì)濕度30%～40%的情況下，Carter等人使用法拉第籠測(cè)量了戶外直流試驗(yàn)線段下顆粒物的荷電情況[93]，但是并未開展建模分析。上世紀(jì)末日本中央電力研究所測(cè)量了直流輸電線路周圍懸浮顆粒物的電荷密度，基于有限差分法分析了粒徑為30 nm的顆粒物對(duì)空間電荷的影響[94]，但是并未分析荷電顆粒物對(duì)地面電場(chǎng)的影響。2002年，Chartier對(duì)±500 kV直流試驗(yàn)線路附近的地面合成電場(chǎng)、離子流密度和離子數(shù)密度進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明：雨天和霧天負(fù)極導(dǎo)線側(cè)的離子流場(chǎng)大于晴好天氣，霧天對(duì)離子流場(chǎng)的影響更大[95]。針對(duì)不同的直流輸電線路，2012年美國(guó)進(jìn)一步測(cè)量了輸電線路周圍懸浮顆粒物的荷電情況[96]。此后，由于國(guó)外直流輸電線路發(fā)展較慢、空氣質(zhì)量較好，并未在此方面進(jìn)行深入研究。

隨著我國(guó)高壓直流輸電線路建設(shè)的推進(jìn)，針對(duì)灰霾環(huán)境中直流輸電線路的離子流場(chǎng)問題，中國(guó)電力科學(xué)院、清華大學(xué)和華北電力大學(xué)進(jìn)行了初步的研究。2007年開始，在北京特高壓直流試驗(yàn)基地，中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行了±800 kV單回直流線路離子流場(chǎng)的長(zhǎng)期測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明：冬季的地面合成電場(chǎng)普遍比夏天大[97]。2011年開始，中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)±500 kV、±600 kV、±800 kV實(shí)際直流輸電線路下不同季節(jié)的地面離子流場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)果表明：北方內(nèi)陸測(cè)量點(diǎn)的冬季實(shí)測(cè)結(jié)果比潔凈條件下的理論預(yù)測(cè)值大2～3倍；空中懸浮顆粒物的粒徑范圍為10 nm～10 μm，顆粒物對(duì)地面離子流場(chǎng)的影響與相對(duì)濕度密切相關(guān)[98]。由中國(guó)電力科學(xué)研究院的分析來看，空中顆粒物對(duì)地面合成電場(chǎng)的影響非常大，不同季節(jié)地面合成電場(chǎng)的變化可歸結(jié)為固體和液體顆粒物的影響。2010年，魯非等人考慮了荷電雨滴對(duì)空間電場(chǎng)畸變的影響，分析了荷電雨滴對(duì)離子流場(chǎng)的影響[99]。2013年，基于荷電霧滴在離子流場(chǎng)中的力學(xué)行為，通過設(shè)定霧滴的荷電量，趙永生等人分析了霧對(duì)高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的影響[100]，比較了地面電場(chǎng)的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果。針對(duì)霧霾的情況，重慶大學(xué)使用無網(wǎng)格法[101]、山東大學(xué)采用有限元法[102]計(jì)算了離子流場(chǎng)分布特性。2017年，華北電力大學(xué)鄒志龍等人研究了燃香顆粒物對(duì)線板電極結(jié)構(gòu)下地面合成電場(chǎng)的影響，測(cè)量結(jié)果表明：懸浮顆粒物增大了地面合成電場(chǎng)，減小了地面離子流密度[103]。

當(dāng)導(dǎo)線架設(shè)高度分別為11 m和13 m時(shí)，清潔空氣和不同顆粒物濃度下500 kV直流輸電線路的地面合成電場(chǎng)分布如圖4所示?？梢钥吹剑和粚?dǎo)線高度下，顆粒物濃度增大，地面合成電場(chǎng)增強(qiáng)。但是，可以提高導(dǎo)線高度，補(bǔ)償顆粒物濃度對(duì)合成電場(chǎng)的影響。例如，導(dǎo)線高度11 m、顆粒物濃度200 μg/m3時(shí)，地面合成電場(chǎng)最大值超過了30 kV/m；但是，將導(dǎo)線高度提高到13 m后，即使是600 μg/m3的顆粒物濃度，地面合成電場(chǎng)最大值已遠(yuǎn)低于30 kV/m。

圖4 存在顆粒物時(shí)地面合成電場(chǎng)分布

但是，上述研究并未充分考慮灰霾天氣發(fā)生時(shí)周圍環(huán)境濕度變化的影響，計(jì)算過程均認(rèn)為顆粒物均勻分布，并未考慮顆粒物粒徑和密度的空間分布情況。

4 存在的問題和研究展望

4.1 存在的問題

1)計(jì)及海拔、濕度、顆粒物影響的起暈場(chǎng)強(qiáng)特性

文獻(xiàn)[104-105]雖然研究了氣壓對(duì)起暈場(chǎng)強(qiáng)的影響，也涉及了氣壓和濕度的共同作用，但是僅通過干、濕空氣的氣壓考慮濕度的影響，研究結(jié)果不能反映電暈放電的本征特性。通過氣壓模擬海拔變化時(shí)，未考慮液滴的荷電特性、荷電顆粒在導(dǎo)線表面的附著、宇宙射線強(qiáng)度等影響因素，導(dǎo)致實(shí)測(cè)研究結(jié)果難以反映起暈場(chǎng)強(qiáng)的本質(zhì)特征。因此，需要基于電暈放電的微觀過程分析起暈場(chǎng)強(qiáng)的本質(zhì)特征。

2)固態(tài)、液態(tài)顆粒的荷電特性和運(yùn)動(dòng)特性

文獻(xiàn)[106-108]雖然已經(jīng)對(duì)固體、液態(tài)顆粒物的場(chǎng)致荷電和擴(kuò)散荷電做了很多的研究，但是前期的研究主要應(yīng)用于電除塵領(lǐng)域，與高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)問題關(guān)注點(diǎn)不同，未合理分析大氣濕度對(duì)顆粒物荷電的影響?？臻g電荷測(cè)量主要面向離子和固態(tài)顆粒物，缺乏對(duì)液態(tài)顆粒物荷電特性、液態(tài)和固態(tài)荷電顆粒物運(yùn)動(dòng)特性的有效測(cè)量，未涉及荷電顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性及其對(duì)電暈放電和離子流場(chǎng)的影響，沒有考慮顆粒物的凝并作用及其對(duì)荷電特性的影響。此時(shí)，需要進(jìn)一步考慮空間離子以及荷電顆粒物的遷移特性。

3)計(jì)及海拔、濕度、顆粒物影響的離子流場(chǎng)建模

雖然已經(jīng)發(fā)展了很多直流輸電線路地面離子流場(chǎng)的計(jì)算方法，但是，由于未有效地考慮海拔(氣壓、宇宙射線等因素)、濕度、顆粒物的影響，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大差異。從輸電線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，難以理清多種影響因素的影響規(guī)律，因此所建模型與實(shí)際情況仍有一定的差異。

4.2 研究展望

為了研究海拔、濕度和顆粒物對(duì)高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的影響，明確復(fù)雜環(huán)境下的離子流場(chǎng)特性，建議在機(jī)理和工程應(yīng)用等方面開展研究。

1)海拔(氣壓、宇宙射線)、濕度、顆粒物對(duì)直流電暈放電起始特性的影響機(jī)理

從電暈放電電離系數(shù)、附著系數(shù)等放電系數(shù)的實(shí)測(cè)出發(fā)，分析氣壓、宇宙射線、濕度、顆粒物單一影響因素對(duì)放電系數(shù)的影響規(guī)律；基于電暈放電的發(fā)展過程，明確外界因素對(duì)電暈放電特性的影響機(jī)理，建立計(jì)及環(huán)境因素影響的起暈場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算模型。

2)液態(tài)、固態(tài)顆粒物的荷電特性和空間電荷的運(yùn)動(dòng)特性

研究空間電荷荷電特性和運(yùn)動(dòng)特性的有效測(cè)量方法，分析離子流場(chǎng)中離子、液態(tài)顆粒物、固態(tài)顆粒物的電荷分布特性和遷移特性；研究場(chǎng)致荷電、擴(kuò)散荷電、極限球理論等荷電機(jī)理在離子流場(chǎng)中的適用性；分析環(huán)境因素對(duì)顆粒物荷電特性的影響，建立考慮環(huán)境影響的顆粒物荷電模型。

3)計(jì)及海拔、濕度和顆粒物影響的離子流場(chǎng)模型和計(jì)算方法

研究氣壓、宇宙射線、濕度和顆粒物對(duì)高壓直流導(dǎo)線地面離子流場(chǎng)的影響規(guī)律和影響機(jī)理，分析單一影響因素下離子流場(chǎng)特性；研究計(jì)及海拔、濕度和顆粒物綜合影響的高壓直流導(dǎo)線離子流場(chǎng)模型，研究快速高效的離子流場(chǎng)求解方法。

4)計(jì)及海拔、濕度和顆粒物影響的高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)控制方法

研究復(fù)雜環(huán)境中空間離子流場(chǎng)的有效測(cè)試手段，建立更加有效的高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)分析高海拔、高濕度和高污染條件下離子流場(chǎng)的特性；研究高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)與空間電荷、無線電干擾、可聽噪聲的本征關(guān)聯(lián)特征；分析實(shí)驗(yàn)室計(jì)算模型和方法的工程適用性，研究不同氣象條件下高壓直流線路離子流場(chǎng)的控制方法。

綜上所述，高海拔、高濕度、高污染環(huán)境下離子流場(chǎng)建模的總體思路如圖5所示，從電暈放電起始場(chǎng)強(qiáng)的研究出發(fā)，明確離子流場(chǎng)的邊界條件，基于顆粒物的荷電模型和遷移模型，建立相應(yīng)的離子流場(chǎng)計(jì)算模型。此問題涉及了電暈放電、氣體-液體和氣體-固體多相流的流體動(dòng)力學(xué)、液態(tài)和固態(tài)懸浮顆粒物的荷電、電場(chǎng)分析等方面的機(jī)理性研究，不僅適合我國(guó)環(huán)境友好、資源節(jié)約、安全可靠高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)和建設(shè)的工程背景，還將進(jìn)一步提升我國(guó)在直流線路電磁環(huán)境研究方面的國(guó)際影響力，為制定高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供理論基礎(chǔ)。

圖5 計(jì)及海拔、濕度、顆粒物的離子流場(chǎng)特性研究思路

5 結(jié)語

本文從我國(guó)高壓直流輸電工程建設(shè)的實(shí)際出發(fā)，首先梳理了考慮氣壓(海拔)、濕度和顆粒物等因素時(shí)高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)特性的研究進(jìn)展，其次分析了目前研究中的主要問題，并提出了研究建議。主要結(jié)論如下。

1)離子流場(chǎng)是高壓直流輸電線路電磁環(huán)境的重要指標(biāo)之一。隨著我國(guó)高壓直流輸電線路的建設(shè)，離子流場(chǎng)問題將會(huì)受到設(shè)計(jì)人員、運(yùn)行人員和社會(huì)公眾的長(zhǎng)期關(guān)注。

2)影響離子流場(chǎng)特性的因素很多，其中海拔、濕度、顆粒物等因素對(duì)離子流場(chǎng)特性有很大的影響。因此，離子流場(chǎng)建模計(jì)算需要合理反映上述因素的影響機(jī)理。

3)離子流場(chǎng)與導(dǎo)線電暈放電現(xiàn)象密切相關(guān)。因此，海拔、濕度、顆粒物對(duì)起暈場(chǎng)強(qiáng)以及空間電荷分布的影響是離子流場(chǎng)特性分析及建模的關(guān)鍵。