浅析大雾天气对高压直流的输电线路影响
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【摘要】恶劣的气候条件常会引发电网和设备出现事故，大雾天气对电力设备和输电线路的影响更大，直接或间接的造成了大量的经济损失。研究大雾天气对于高压直流输电线路的影响是非常必要的，本文分析了雾对高压直流线路离子流场的影响机理，提出一种考虑雾的影响作用的离子流场计算方法，以一条±800kV特高压直流线路为例，研究了雾对离子流场的影响规律。
【关键词】大雾;高压直流;输电线路
一、理论分析
1、控制方程
雾滴吸附离子流场中导线电晕放电产生的离子而成为新的带电微粒;另外空气中水汽增加，将影响离子迁移速度。忽略混合介质体介电常数的变化，则雾天直流线路离子流场的控制方程可描述为泊松方程：
密度，C·m-3; 分别为带正、负极性电荷的雾滴电荷密度，C·m-3; 为合成电场的电场强度V·m-1，J+、J-分别为正、负离子流密度A·m-2， 分别为雾天正、负离子迁移率m2·V-1·S-1， 分别为带正、负极性电荷雾滴的移动速度，m·s-1;R为离子复合系数m3·S-1; 为空气介电常数，8.854×10-12 F·m-1;e为电子电量1.602×10-19C。
2、雾滴荷电及在离子流场中的力学行为
① 雾滴荷电
导线电晕放电产生的离子通过电场荷电和扩散荷电两种方式附着到雾滴上使雾滴带电。从理论上分析雾滴荷电时，作以下假设：1）雾滴为球型;2）由于雾滴体积和体积分数均很小，因此雾滴之间充分分离，可假设一个雾滴的电场不影响另一个雾滴附近的电场。
② 荷电雾滴在离子流场中的力学行为分析
悬浮于空气中并受电场影响的荷电雾滴，主要受3 种力的作用：重力、电场力和Stokes 粘性阻力。相对于其他2 种力，重力一般很小，可以忽略。经过上述荷电过程的雾滴在电场为E0 的电场中，受到电场力 的作用以速度v 运动，粒子受到Stokes 粘性阻力为 ....（9）式中;FD为雾滴所受Stokes 粘性阻力，N;μ为空气粘度系数，μ=1.8×10-5kg/m？s。荷电雾滴在电场力作用下运动在短时间内电场力与Stokes 粘性阻力达到平衡，雾滴的速度达到其最终值，即 ...（10） ...（11）由上述分析，结合式（8）—（11），计算了多种粒径的雾滴在不同电场中的移动速度，如在3、5kV/cm 的电场中荷电雾滴的移动速度是每秒几厘米到几十厘米。而在相同的电场中，离子的运动速度每秒分别可达数十米甚至上百米，高出雾滴的移动速度2 个数量级。因此与离子的运动相比，雾滴可认为是静止的。
二、考虑雾的影响的离子流场求解
1、雾天导线表面状况的变化
直流线路运行时允许导线发生一定程度的电晕放电。导线吸附雾滴改变了表面条件，起晕场强将会降低。依据Kaptzov 假设，导线起晕后，表面场强保持起晕场强不变。因此，起晕场强的高低直接影响着导线的起晕程度，进而影响地面的合成电场和离子流密度的大小。若假设直流线路起晕场强和交流线路起晕场强的峰值相同，可以把Peek 公式0.40～0.60 之间。在雾天，空气中的水汽在导线表面产生凝露，但是由于"浅川效应"，导线表面的凝露"蒸发"较快，只在导线表面形成很强的一圈水分，不会有严重的水滴，导线要比雨天时"光滑"。综合以上分析，本文m 值取0.44。
2、 雾天离子迁移率的变化
雾天空气中富含水汽，相对湿度可达100%，空气主要含有N2、O2、水汽和雾滴。离子与雾滴碰撞被雾滴吸附，待雾滴荷电饱和后，离子与雾滴不再发生碰撞，因此雾滴不参与离子的迁移运动，但空气中的水汽分子会影响离子迁移率。由行程; 为热运动平均速度; 和M 分别为离子和气体分子的质量。由于O2 的电离能小于N2，可认为空气中离子是由O2 电离产生，气体离子为氧离子，氧分子和空气的相对分子量分别是32、29，结合式（13）计算，设干燥空气的密度为ma，相对湿度是100%的空气中水汽含量为mh，"其他"气体为空气与水汽的混合体。则此时空气的相对分子量近似表示为负离子迁移率。常温常压下，空气密度为1.2kg/m3，相对湿度100%时含水量约23.0g/m3，即ma=1.2kg/m3，mh=0.023kg/m3。由式（15）、（16）可计算 ...（17） ...（18）得由式（17）、（18）可知，饱和湿度下离子迁移率略有减小。
三、计算结果与分析
在雾天，雾滴成为空气悬浮微粒的主要成分，空气中大部分的固体颗粒成为雾滴的凝结核，因此考察雾对离子流场的影响时，不考虑空气固体颗粒物的影响。雾滴微粒的计数密度、粒径，决定了雾滴的荷电量，进而决定了荷电雾滴产生的电场。本文以3.2 μm 为雾滴平均直径，分轻雾（100 滴/cm3）、中雾（200 滴/cm3、重雾（300 滴/cm3）三种雾况，采用向上 800 kV 特高压直流线路结构的参数，用前文提出的方法对雾天直流线路下方的地面合成电场和离子流密度进行计算分析。该线路采用的导线为6×ACSR-720/50，分裂间距0.45m，极间距22m，高度为21m。由以上三种结果计算可知，雾天地面合成电场比好天气中的显著增大，且随雾的浓度的增大而增大。轻雾时地面合成电场最大值比好天气时的增大6.2kV/m，约增大了28%;中雾时地面合成电场最大值比好天气时的增大了8.9 kV/m，约增加40%;重雾时地面合成电场最大值比好天气时的增大了9.9kV/m，约增加了45%。雾天时与好天气时的地面离子流密度分布曲线基本重合，因此雾天地面离子流密度的变化不大。同时可以看出，虽然雾天导线电晕放电增强，但雾对直流线路离子流场的影响，主要体现在使合成电场增大，对地面离子流密度几乎不造成影响。
四、结论
本文建立了雾天直流线路离子流场模型，分析了雾对直流线路离子流场的影响机理，通过对雾天情况下的直流线路离子流场的仿真和计算，得到以下结论：
1）雾滴加剧直流线路下地面合成电场强度的原因主要是：导线吸附雾滴而改变导线表面条件，导线电晕放电强度增加;荷电雾滴作为新的电荷进行电场叠加，增大了空间电荷密度和电场强度。
2）按好天气的标准设计直流输电线路，大雾天地面电场强度可能会较大。因此若线路经过多雾区，在进行线路设计和建设时，应考虑雾对离子流场的影响。
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