输电线路导体上的电晕问题分析

因为电晕与超高压输电线路有很直接的关系，在此阐述得尽可能详细些。

电晕是一种气体中强非均匀电场自放电的形式，在此并不深入阐述电晕放电过程的细节。从相应的教科书上，也能够找到影响超高压输电线路相结构的一些论述。

以一根单独的导线为例，此导线与大地之间有一定的距离，假设其对地电压为U，导线是半径为rпp的平坦光滑圆柱体。导线表面产生相等的、但不均匀的电场，电场强度随着与导线表面距离的增大而减小。导线表面的电场强度可以按照已知的公式确定：

式中 ε₀——真空的介电常数（Φ/m），ε₀=8.85×10^-12；

ε——空气的介电常数（Φ/m）ε≈1.0；

C——导线单位长度的电容；

q——导线电荷。

图2.2 1150kV线路边相导线在n=16，d=15m时电场强度E和磁场强度H以及电磁能量磁通密度W的分布示意图

当导线中有电流流过时，同样也产生磁场，电场和磁场在整条线路上是相互作用的，从而确定了其电磁特性。导线附近的电场和磁场强度分布如图2.2所示。

对于很多较大半径的导线，由于导线—大地之间的距离较大，大地的影响是可以忽略的。在三相系统中，由于较大的相间间距，邻近相对单芯导线电磁场的影响也是不大的，也可以忽略不计。

电场强度与导线电容成正比，与导线的半径成反比。在交流电压下，电场强度也是按照正弦规律瞬时变化的。

在电场作用下，特别是当电场强度达到峰值附近时，空气中的自由电子获得足够的能量而被加速。电场强度越大，自由电子获得的能量越大，速度越快。这些电子与空气中的气体原子相碰撞，从中又激发出二次电子，二次电子在电场的作用下同样被加速。在某个大电场强度下，这个过程像雪崩，结果是在导线表面产生了一个充满电子的薄离子层。这个离子层被称为电晕壳，从外部看来，整根导线是发光的，即使在黑暗中也能看见（见图2.3）。如果电晕作用在整根导线上，这个现象被称为电晕。

在电晕中，由于碰撞电离将不断地产生正负两种带电粒子，与导线极性相反的粒子被吸附到导线表面，并被重新组合。与导线极性相同的粒子在电场的作用下从电晕壳中脱离，形成离子空间电荷，非常缓慢地移动到相邻相。由于质量较大，离子移动的速度比电子慢得多，带空间电荷的粒子脱离导线只有几十厘米的距离。但只有个别的电荷能够到达相邻相，并被重新组合。当导线的极性变化后，在下半个周期电荷又被吸引回导线表面重新组合，并产生相反极性的电荷。

图2.3 1150kV变电站导引线电晕

空间电荷在电场中的移动产生了电晕电流，此电流超过线路绝缘泄漏电流几个数量级，因为电荷在电场中移动需要消耗能量，所以导线的电晕伴随着能量损失，能量损失的大小取决于电晕电流值。在一定的条件下（恶劣天气），由电晕产生的损耗可能较大，与导线的发热损耗相当。

在导线的电晕壳之外，当电场强度较高时，产生较小的局部放电——辉光，由此空间电荷同样被注入到导线周围的空间中。这些放电产生一系列的短脉冲，并引起放电脉冲电流，放电电流的幅值和持续时间与导线的极性有关。在正电极下，放电电流可以达到几百毫安，持续时间在10^-7 s左右；在负电极下，放电电流可以达到几十毫安，持续时间在10^-8 s左右。电晕放电引起频带在0.1～30MHz及以上的无线电干扰，即涵盖了整个无线电和电视频谱。

也就是说，导线的电晕引起了输电线路有功功率和电能的附加损耗，降低了线路的传输效率，并导致了输电线路周边较大的无线电干扰。除此之外，局部放电也伴随着声响，可能达到使处于输电线路附近的人感觉到不舒服的程度，这个声响被称为噪声。

电晕电流是非正弦的，线路电流中产生了高次谐波电流，可能导致一系列的不利影响（附加功率损耗、谐振现象等）。

如上所述原因，应当尽可能地消除导线的电晕现象。(www.xing528.com)

假设初始的电场强度为E₀，单位是kV/cm，光滑圆柱导线的电晕可以按照如下的经验公式确定：

式中，δ——相对空气密度，δ=（p/p₀）（T₀/T）；p₀=760mmHg，T₀=273K；p和T——线路发生电晕处的空气压力和温度。

方程式（2.2）在rпp>1cm时被验证是适用的，特别是对于超高压线路所使用的导线。

输电线路的导线表面不可能是完全光滑的圆柱体，而是被拧在一起的、直径较小的金属丝构成的，在金属丝突出（曲率半径比整个导线小）的部分表面将产生非常大强度的电场。因此，绞线的电晕初始场强Eнач比相同半径的光滑导线小，可以表示为

E_нач=mE₀ （2.3）

式中 m——光滑系数（有时也被称为非光滑系数或者粗糙系数），等于绞线中产生电晕的电压相对于光滑圆柱导线产生电晕的电压的比值，m随着绞线中金属丝数量的增加而增大，最大值为1，对于清洁干燥的导线，m通常等于0.82～0.90。

在导线生产和安装过程中，导线的表面经常会产生各种毛刺，凹凸不平。将使局部的电场强度增大，结果是电晕产生的初始电场强度降低了。随着导线的老化（经过3～5年），由于氧化和污垢，它的表面被略微修平了，电晕损耗也降低了。

除此之外，光滑系数也随着气象条件的变化而变化。在每一种气象条件（雨、雪、雾等）下，光滑系数的值都是不同的，可能比参考值低很多。落在导线上的霜或者雾滴，有非常小的曲率半径，与清洁干燥导线参考值相比，产生电晕的初始电场强度降低了。在可以区别的6～7种气象条件下，每一种气象条件下的光滑系数值都是不同的。例如，对于雾、霜、冰天气，m=0.6；对于雨和雪天气，m与其强度有关，可能在0.57～0.73范围内。

当光滑系数和裕度为0.9时，绞线表面允许的电场强度应该比电晕产生的初始电场强度小，有

E_доп≤0.9mE₀=0.9E_нач （2.4）

这个公式是按照电晕条件确定输电线路相结构或者对已有的相结构进行校验的依据。

为了将电场强度降低到允许值，必须增加导线的表面积，即减小电荷密度。这可以通过增加单芯导线的半径或者将相电荷分配到几根导线中来实现，即采用所谓的分裂导线。

实际上这两种方式都得了应用。对于110～220kV线路，众所周知，其最小允许截面积（导线的半径）是被电晕条件限制的，而超高压输电线路则通常使用分裂导线。超高压变电站的导引线同样采用分裂导线，但有时也采用适当尺寸的铜或者铝管。

很多试验和计算分析表明的那样，超高压输电线路在使用单芯导线的情况下，只有当其半径远远大于工业中所使用标准截面积导线的半径时式（2.4）才是适用的。无论从技术、还是从经济角度出发，按照电晕条件要求的半径去生产常规结构的导线都是不允许的。为了解决这个问题，人们研制出了其他结构的导线——空心和扩径导线。

在20世纪30～50年代采用的空心导线，被制成相应半径的空心圆筒，这圆筒壁的截面积决定了线路的电流。这种导线与同样截面积的圆管不同，具有一定的柔性，可以用来作为线路或者变电站的导引线。但是，由于制造困难以及施工工艺复杂，空心导线并没有得到广泛应用。

随后扩径导线（见图2.4）被提出，它是由大线径钢丝作为骨架的螺旋线以大间距缠绕在钢缆上制成的，这些螺旋线也是被几根铝线缠绕而成的绞线形式，结果使得导线外半径扩大了很多。还有一些扩径导线，为了更大地增加导线的半径，使用了两个从不同方向缠绕到钢缆上的内螺旋线。在俄罗斯这些扩径导线都曾经被制造过，也积累了大量的经验。但是，同样由于制造和检修复杂性而没有被进一步使用。除此之外，与分裂导线相比，单芯扩径导线的自然功率较小，因此其输电能力也较小。

图2.4 带骨架螺旋线的扩径导线

a）АСР-400，d=34.2mm b）AC-500，d=34.2mm c）AC-1000，d=60mm

因此，现在超高压输电线路中广泛使用的定分裂导线。在分裂导线中，等值的单芯导线半径远远超过扩径导线的半径，从而使线路的参数产生了根本性的变化。