計及海拔、濕度和顆粒物影響的高壓直流輸電線路離子流場特性研究綜述

盧鐵兵，申南軒，蘇子寒，馬文祚

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206；2.國網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定運行，標志著我國直流輸電技術已經達到世界領先水平。

高壓直流輸電線路電暈放電時產生的空間電荷會引起地面合成電場和離子流，導致離子流場問題[1-2]。電力行業標準DL/T1088—2008推薦：直流線路下地面合成電場場強不超過30 kV/m，離子流密度不超過100 nA/m2[3]。針對±800 kV架空輸電線路的設計，國家標準GB 50790—2013規定：晴天情況下，非居民區和居民區地面合成電場場強限值分別為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]。為了評估、監測和管理離子流場，2020年12月我國開始強制執行國家標準GB 39220—2020。該標準規定：為了控制合成電場的公眾曝露危險，監測點合成電場場強連續測量數據的95%絕對值(E95)的限值為25 kV/m，且連續測量數據的80%絕對值(E80)的限值為15 kV/m；耕地、園地、牧草地、畜禽飼養地、養殖水面、道路等場所的合成電場場強E95限值為30 kV/m[5]。所以，作為電磁環境保護的重要指標，離子流場直接影響著高壓直流工程的設計、建設和運行。

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

表1 特高壓直流輸電線路

此時，特高壓直流輸電線路會面臨多種復雜線路結構和氣象條件，包括：交直流線路共用走廊、線路附近存在復雜物體(房屋、樹木、農用大棚等)、跨越其他交流或直流線路、跨越復雜環境(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境友好的設計要求，需要進行離子流場的建模計算、試驗測試等方面的深入研究，進而獲得復雜條件下離子流場特性及其影響因素。

圖1 離子流場問題面臨的復雜條件

多年來國內外對高壓直流輸電線路離子流場問題做了大量卓有成效的研究，提出了多種可用于工程實際的計算方法[1,6]。最初，針對單回直流輸電線路的二維離子流場問題，美國、加拿大、日本等國家進行了實驗和計算研究[7-10]。隨著直流輸電工程的建設需求，瑞士、南非、巴西和韓國等進一步開展了數值計算方法的研究[11-14]。我國在特高壓直流工程的引領下，在國家科技支撐計劃項目、973項目、國家自然科學基金重點(面上)項目、國家電網公司和南方電網公司科技項目的重點支持下，中國電力科學院(武漢高壓研究所)、清華大學、華北電力大學、武漢大學、重慶大學、南網科研院、浙江大學、上海交通大學、華中科技大學、山東大學等單位，分別針對離子流場問題進行了實驗測試和特性分析[15-20]，并由單回直流輸電線路擴展到復雜結構線路的離子流場特性分析，計算模型由二維擴展到三維，提出了多種有效的離子流場計算方法，實現了同塔雙回(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雜物體(建筑物、人體、金屬網、農用大棚等)時離子流場特性的分析和計算[21-32]，可反映中等濕度、空氣質量較好情況下的離子流場特性。但是，計算模型未能充分反映海拔、濕度和灰霾顆粒的影響機理，不能有效預測高海拔、高濕度、高污染情況下離子流場分布。因此，高海拔、高濕度、高污染地區的高壓直流架空線路設計方案偏于保守，建設成本較高。2019年11月，我國對GB 50790—2013標準[4]進行了局部修改，并于2020年3月1日開始實施。修訂版進一步明確：直流線路設計必須考慮海拔、濕度、空中顆粒物對離子流場的影響[33]。

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

1 海拔對離子流場特性的影響

當海拔增加時，由于氣壓和空氣密度降低，導線更容易發生電暈放電，地面離子流場會因而增加。

1.1 不同海拔下電暈放電起始特性

國內外學者對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化為氣壓的影響。20世紀初，基于不同環境下光滑圓柱形導體的電暈放電實驗結果，Peek提出了用于預測光滑圓柱形導體的經驗公式[34]，在考慮了空氣密度對電暈放電的影響后，可間接反映氣壓(海拔)對起暈場強的影響。Robinson[35]、Waters[36]等人進一步開展了電暈放電實驗，分別提出了適用于不同電極結構的起暈電壓計算公式，通過修正空氣密度體現了氣壓(海拔)對起暈場強的影響。1999年，Jose Garcia等人在海拔2 540 m處進行了電暈放電試驗，結果表明：海拔對正直流放電的影響大于對負極性放電的影響；在海拔較高時，濕度的影響會有所減小[37]。2003年，Mac Alpine和Li測量發現：隨著氣壓的降低，電暈電流會增大[38]。2004年Yamazaki等人分析了氣壓對電離系數、附著系數等放電參數的影響，初步分析了海拔對導線電暈放電特性的影響機理[39]。IEEE Std 4—2013推薦：采用0.8～1.05的空氣密度修正系數，對不同氣壓(海拔)下導線起暈電壓進行計算[40]。2018年Jordi-Roger等人比較分析了不同研究機構提出的海拔修正系數，發現不同文獻的海拔修正系數有明顯差異，且隨著海拔高度的增加，其差異也明顯增大[41]。

為了配合我國高壓直流輸電線路的建設需求，20世紀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量了3種不同半徑導線的起暈電壓，并且和Peek公式的計算結果進行了對比[42]。1990年，為了滿足我國高海拔地區超高壓輸電線路導線選型的需求，中國電科院劉有為等人從理論和實驗兩個方面研究了電暈放電起始特性的測量方法和不同分裂數導線的起暈場強[43]。2009年，蔣興良等人利用絞線研究了氣壓對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算模型[44]。2013年，卞星明等人使用移動式電暈籠試驗系統分別在武漢、西寧、格爾木和納奇臺對導線的電暈放電特性進行了測量，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電暈放電特性的影響[46]。2018年，基于不同海拔下真型實驗線段地面合成電場的測量結果，趙錄興等人提出了導線起暈場強的海拔擬合公式[47]。

不同學者得到的導線起暈電壓(場強)海拔修正系數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)，導線起暈電壓逐漸減小，但是變化規律存在較大的差異。其原因可能是高海拔情況下起暈場強影響因素更多，例如：空間宇宙射線等。只考慮氣壓變化的模擬實驗結果難以反映實際的情況。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律和機理。

圖2 起暈電壓(場強)海拔修正系數

1.2 不同海拔(氣壓)下離子流場特性

雖然Chartier等人實驗獲得了500 kV交流輸電線路無線電干擾、可聽噪聲的海拔修正系數[48]，但是，由于國外沒有高海拔直流輸電線路建設需求，所以對于不同海拔(氣壓)下離子流場特性研究較少。我國西部地區海拔較高，西藏水電送出等直流線路需經過海拔4 000 m的區域，因此，國內學者已在海拔(氣壓)對離子流場特性的影響方面做了大量的工作。20世紀90年代，青海電力試驗研究所在武漢和西寧的縮尺模型試驗表明：隨著海拔高度增加，直流線路離子流場增大[49]。為了滿足±500 kV 青藏直流聯網工程的需要，2009年華中科技大學與國網電科院在6個不同海拔位置進行了室內直流電場的試驗，結果表明：海拔每升高1 000 m，地面電場可增加2～4 kV/m[50]。青藏直流輸電線路現場實測進一步確認了地面合成電場隨海拔高度的增加而增加的規律。2013年，清華大學和南網科研院在位于海拔2 100 m的昆明特高壓工程試驗基地開展了離子流場的測試和統計分析[51]，研究結果反映了高海拔與低海拔地區離子流場的差異。2015年，華南理工大學和南網科研院測量了云廣特高壓直流線路6個海拔點的地面合成電場，得到了一些有價值的測試結果[52]，更好地反映了海拔對離子流場的影響特征。自2010年至2015年，中國電力科學研究院在4個海拔點進行了雙極試驗線路的地面合成電場測試，通過統計分析，獲得了地面合成電場隨海拔高度線性變化的規律[47,53]。2018年，中國電力科學研究院和華北電力大學利用人工氣候室模擬海拔的影響，測量了正極單導線地面離子流場，初步分析了氣壓對離子流場的影響原因[54]。

綜上所述，當前有關海拔對離子流場特性的研究主要集中在實驗研究方面，雖然得到了海拔對離子流場的影響規律，但是還難以全面分析其影響機理，未能建立反映海拔影響本質特征的離子流場計算模型。

2 濕度對離子流場特性的影響

濕度變化時，導線起暈場強和離子流場均會發生變化。但是，不同研究人員的研究結果存在較大的差異。

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，國內外學者進行了大量的實驗和理論研究。1991年，唐炬等人在不同絕對濕度條件下采用平板電極穩態湯遜實驗法，測量了電離系數和附著系數[55]，分析了絕對濕度變化對電離系數和附著系數的影響。1995年，L.Fouad和S.Elhazek使用棒-板電極結構研究了濕度對正極性導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%濕度環境下對光滑不銹鋼管直流電暈起始電壓進行了實驗[57]，研究結果表明：局部電暈起始電壓受相對濕度的影響較大，全面電暈起始電壓受相對濕度的影響較小。2008年，安冰等人使用電暈籠研究了相對濕度對光滑銅導線直流電暈起始電壓的影響[58]，結果表明：隨著相對濕度的增大，正極性導線的直流電暈起始電壓逐漸增大，負極性導線的直流電暈起始電壓逐漸減小。2010年，D.Rodriguez等人利用棒-板結構在不均勻電場下研究了濕度對導體電暈起始電壓的影響，結果表明：導體電暈起始電壓隨相對濕度的增大而減小[59]。2014年，蔣興良等人使用電暈籠測量了不同相對濕度條件下光滑銅管的起暈電壓[60]，結果表明：當導線沒有受潮時，在一段范圍內，隨著相對濕度的不斷增大，導線直流起暈電壓會緩慢增大。2015年，Yawoottl等人使用針電極進一步研究了濕度對正、負直流電暈的影響[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行研究。2007年，Abdel Salam等人針對線-板電極結構，研究了濕度對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算模型，計算結果表明：對于細導線，正直流電暈起始電壓隨濕度增大逐漸減?。粚τ谳^粗導線，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線電暈起始放電模型[63]，試驗結果和計算結果均表明：隨著絕對濕度的逐漸增大，絞線和光滑導線的電暈起始電壓均逐漸減小。2010年，惠建峰等人研究了棒-板結構下氣壓和濕度對導體直流電暈起始特性的影響，建立了負直流電暈放電起始電壓的計算模型[64]，得到結論：隨著濕度的增大，有效電離系數增大，負導體的電暈起始電壓逐漸減小。2012年，徐明銘等人建立了計及濕度影響的正直流導線起暈電壓計算模型，計算結果表明：對于半徑大于0.1 mm的導線，起暈電壓隨濕度增大逐漸增大[65]。

不同學者獲得的濕度對電暈起始電壓的影響結論如表2所示。可以看到，電暈放電起始電壓隨濕度變化的研究結果存在差異，難以反映濕度對高壓直流導線電暈放電特性影響的本質特征。因此，濕度對高壓直流導線電暈放電起始特性的影響規律和影響機理還未有統一的認識。

表2 濕度對電暈放電起始特性影響規律

2.2 不同濕度條件下離子流場特性

20世紀80年代，加拿大魁北克省水電局研究所(IREQ)和美國電力科學研究院(EPRI)對戶外的直流輸電線路離子流場進行了長期監測，結果表明：相對濕度對離子流場影響很大，雙極輸電線路的地面合成電場隨相對濕度的增加而增加。EPRI認為：干燥空氣中，附著在導線表面的昆蟲電導率較低，導致起暈電壓增大；在潮濕天氣下，昆蟲電導率較高，更容易發生電暈放電[66]。2012年，中國電力科學研究院對特高壓直流輸電線路的電磁環境進行了長期的測量，統計分析發現：隨著濕度增加，負極性地面合成電場幅值逐漸減小，正極性地面合成電場幅值逐漸增大；低濕環境下，正極性地面合成場強幅值小于負極性[67]。為了系統地分析濕度對離子流場的影響，在人工氣候室中進行實驗可以更好地進行單一因素的分析，減少周圍環境其他因素的影響。2013年，王曉華等人研究發現：隨著相對濕度的增大，平板型靜電除塵器負極性電暈電極周圍的空間電荷密度和合成電場均增大[68]。Aissou等人采用雙極導線模型，研究了濕度對正、負極導線下地面合成場強的影響。研究結果表明：在相對濕度50%～80%范圍內，隨著濕度的增大，地面合成電場逐漸減小[69]。2019年，李海冰等人搭建了線板電極模型，測量了不同相對濕度條件下正極性導線下方的地面合成電場，結果表明：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，最終導致正極性導線的地面合成場強逐漸增大[70]。2021年，通過將導線表面場強設置為實際輸電線路相近的場強，馬曉倩等人在氣候室中測量了線板電極下的地面合成電場。結果表明：恒溫濕度變化與自然溫濕度變化時離子流場的變化規律不同。恒溫濕度變化時，正極地面合成電場先緩慢增大，當相對濕度大于80%時明顯增大；負極地面合成電場始終以較大的幅度增大，明顯大于正極地面合成場強的增大速度。溫濕度按自然規律變化時，正極性地面合成場強最初幾乎不變，然后增大；負極性地面合成場強具有先增大后減小的趨勢[71]。

目前有關濕度對離子流場特性影響的研究結果如表3所示。可以看到：不同學者得到的濕度影響規律有所不同，尚缺乏濕度對高壓直流輸電線路離子流場特性影響機理和計算建模的研究。

表3 濕度對離子流場特性影響規律

3 顆粒物對離子流場特性的影響

在離子流場中，灰霾中的顆粒物會吸附導線電暈放電產生的空間電荷，發生荷電，進而影響離子流場的分布。同時，顆粒物還會在導線表面發生沉積，影響導線的電暈放電起始特性。因此，顆粒物對離子流場的影響機理是非常復雜的。

3.1 顆粒物荷電模型

通過對顆粒物荷電量的測量和顆粒物荷電特性的分析，目前國外已提出了不同的顆粒物荷電模型。20世紀30年代，Fuchs等人測量了0.5～3 μm油滴的荷電量，證明了在該粒徑范圍內，油滴的平均荷電量可用電場荷電模型來表征[72]。1967年，Liu等人使用圓柱形遷移率分析儀測量了粒徑0.65 μm和1.35 μm的DOP液滴的荷電量，測量結果與擴散荷電模型一致[73]。1978年，Liu和Kapadia建立了綜合荷電模型[74]。1996年，Lawless等人根據荷電顆粒物對電場影響的不同，進一步完善了綜合荷電模型[75]。2004年，Frank使用3種方法測量了直徑0.1～2.2 μm液滴的荷電量，測量得到的平均荷電量與綜合荷電模型預測結果吻合[76]。2012年，Hewitt使用圓柱形遷移率分析儀測量了直徑0.07～0.66 μm顆粒物的荷電量，測量得到的荷電量與綜合荷電模型一致，驗證了綜合荷電模型的正確性[77]。

20世紀60年代，針對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等人使用串聯差分遷移率分析儀，測量了10～300 nm粒徑范圍的飛灰顆粒的荷電量，進一步證明了極限球荷電模型可適用于nm級顆粒物的荷電分析[81]。

國內學者主要對顆粒物荷電模型的適用性和顆粒物荷電影響因素進行了分析和研究。2010年，Long等人建立了電除塵器的數值模型，分析了場致荷電模型、擴散荷電模型、綜合荷電模型等9種荷電模型在電除塵器中的適用性[82]，結果表明：電除塵器中亞微米顆粒荷電量分析應首選綜合荷電模型。2014年，駱仲泱等人使用靜電低壓撞擊器，分別測量了直流電場和脈沖電場中單個顆粒物的平均荷電量[83]，分析認為：在直流電暈放電中，粒徑小于0.2 μm的細顆粒物主要為擴散荷電，大于0.2 μm的細顆粒物主要為場致荷電。2015年，何堃等人考慮了顆粒物電導率和介電常數對顆粒物荷電特性的影響，建立了有損電介質荷電模型，并通過與Smith和Kirsch等人實驗結果的對比，驗證了模型的有效性[84]。2017年，常倩云等人進一步分析了放電參數、顆粒物性質、煙氣溫濕度對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域，荷電模型在輸電線路離子流場中的適用性尚不明確，需要進一步研究。隨著溫濕度的變化，顆粒物粒徑、介電常數、電導率等物理性質會受到影響，高濕情況下還會出現荷電懸浮液滴，如圖3所示，使得顆粒物的影響更加復雜。此時的離子流場控制方程也會變得更加復雜。

圖3 直流離子流場中顆粒物荷電的影響

3.2 顆粒物環境下電暈放電起始特性

顆粒物會附著在導線表面，改變導線粗糙度，影響導線電暈放電特性。20世紀80年代，Maruvada等人分別在電暈籠和試驗線路上研究了污穢導線和潔凈導線的起暈場強[86]，研究發現：污穢導線的表面粗糙系數小于潔凈導線的粗糙系數。2002年，Suda等人對運行7年的老化導線和新導線的電暈放電特性進行了研究[87]，研究結果表明：正極性導線更容易積污；相同電壓等級下，老化導線比新導線的電暈電流大1～2倍。2007年，趙宇明等人對高壓直流輸電線路的研究表明：污穢導線比潔凈導線更容易發生電暈放電[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，研究結果表明：隨著污穢程度的增加，正、負極導線的起暈電壓逐漸下降；碳類污穢對負極導線影響較大，鹽類污穢對正極和負極性導線的影響程度基本相同；污穢的影響程度與導線極性和相對濕度有關[88]。2017年，王黎明等人測量了不同運行年限的直流導線的地面合成電場，測量結果表明：運行時間越長，地面合成電場和離子流密度越大[89]。祝藝嘉等人研究了快速可控的導線表面顆粒物積聚方法，并對不同污穢程度導線的電暈放電特性進行了分析，結果表明：均勻污穢會覆蓋導線原有瑕疵，抑制電暈放電的發生；不均勻的污穢會降低導線粗糙系數，促進電暈放電的發生[90]。2018年，李海冰等人從顆粒物在標稱電場下的受力和運動出發，建立了標稱電場下導線表面的顆粒物積聚模型，研究發現：隨著時間的延長和電壓的升高，導線表面的顆粒物積聚越多，電暈電流和離子流密度越大[91]。

目前顆粒物環境下電暈放電起始特性的研究主要集中于模擬實驗方面，主要考慮了標稱電場對顆粒物沉積的影響，還缺乏對離子流場中顆粒物沉積模型的研究。

3.3 顆粒物環境下離子流場特性

20世紀80年代美國電力科學院針對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移問題，初步認識到顆粒物對輸電線路電場的影響[92]。使用顆粒物綜合荷電模型和單極離子流場模型，分析了高壓直流輸電線路附近存在顆粒物時的空間電荷轉移情況，研究結果表明：隨著污染程度的加大，更多的空間電荷轉移到空中顆粒物中。在相對濕度30%～40%的情況下，Carter等人使用法拉第籠測量了戶外直流試驗線段下顆粒物的荷電情況[93]，但是并未開展建模分析。上世紀末日本中央電力研究所測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的顆粒物對空間電荷的影響[94]，但是并未分析荷電顆粒物對地面電場的影響。2002年，Chartier對±500 kV直流試驗線路附近的地面合成電場、離子流密度和離子數密度進行了長期測量，測量結果表明：雨天和霧天負極導線側的離子流場大于晴好天氣，霧天對離子流場的影響更大[95]。針對不同的直流輸電線路，2012年美國進一步測量了輸電線路周圍懸浮顆粒物的荷電情況[96]。此后，由于國外直流輸電線路發展較慢、空氣質量較好，并未在此方面進行深入研究。

隨著我國高壓直流輸電線路建設的推進，針對灰霾環境中直流輸電線路的離子流場問題，中國電力科學院、清華大學和華北電力大學進行了初步的研究。2007年開始，在北京特高壓直流試驗基地，中國電力科學研究院進行了±800 kV單回直流線路離子流場的長期測量，測量結果表明：冬季的地面合成電場普遍比夏天大[97]。2011年開始，中國電力科學研究院對±500 kV、±600 kV、±800 kV實際直流輸電線路下不同季節的地面離子流場進行了現場測量，結果表明：北方內陸測量點的冬季實測結果比潔凈條件下的理論預測值大2～3倍；空中懸浮顆粒物的粒徑范圍為10 nm～10 μm，顆粒物對地面離子流場的影響與相對濕度密切相關[98]。由中國電力科學研究院的分析來看，空中顆粒物對地面合成電場的影響非常大，不同季節地面合成電場的變化可歸結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空間電場畸變的影響，分析了荷電雨滴對離子流場的影響[99]。2013年，基于荷電霧滴在離子流場中的力學行為，通過設定霧滴的荷電量，趙永生等人分析了霧對高壓直流輸電線路離子流場的影響[100]，比較了地面電場的計算和測量結果。針對霧霾的情況，重慶大學使用無網格法[101]、山東大學采用有限元法[102]計算了離子流場分布特性。2017年，華北電力大學鄒志龍等人研究了燃香顆粒物對線板電極結構下地面合成電場的影響，測量結果表明：懸浮顆粒物增大了地面合成電場，減小了地面離子流密度[103]。

當導線架設高度分別為11 m和13 m時，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分布如圖4所示?？梢钥吹剑和粚Ь€高度下，顆粒物濃度增大，地面合成電場增強。但是，可以提高導線高度，補償顆粒物濃度對合成電場的影響。例如，導線高度11 m、顆粒物濃度200 μg/m3時，地面合成電場最大值超過了30 kV/m；但是，將導線高度提高到13 m后，即使是600 μg/m3的顆粒物濃度，地面合成電場最大值已遠低于30 kV/m。

圖4 存在顆粒物時地面合成電場分布

但是，上述研究并未充分考慮灰霾天氣發生時周圍環境濕度變化的影響，計算過程均認為顆粒物均勻分布，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)計及海拔、濕度、顆粒物影響的起暈場強特性

文獻[104-105]雖然研究了氣壓對起暈場強的影響，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，未考慮液滴的荷電特性、荷電顆粒在導線表面的附著、宇宙射線強度等影響因素，導致實測研究結果難以反映起暈場強的本質特征。因此，需要基于電暈放電的微觀過程分析起暈場強的本質特征。

2)固態、液態顆粒的荷電特性和運動特性

文獻[106-108]雖然已經對固體、液態顆粒物的場致荷電和擴散荷電做了很多的研究，但是前期的研究主要應用于電除塵領域，與高壓直流輸電線路離子流場問題關注點不同，未合理分析大氣濕度對顆粒物荷電的影響。空間電荷測量主要面向離子和固態顆粒物，缺乏對液態顆粒物荷電特性、液態和固態荷電顆粒物運動特性的有效測量，未涉及荷電顆粒物的運動特性及其對電暈放電和離子流場的影響，沒有考慮顆粒物的凝并作用及其對荷電特性的影響。此時，需要進一步考慮空間離子以及荷電顆粒物的遷移特性。

3)計及海拔、濕度、顆粒物影響的離子流場建模

雖然已經發展了很多直流輸電線路地面離子流場的計算方法，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，計算與實測結果存在較大差異。從輸電線路現場實測獲得的統計數據，難以理清多種影響因素的影響規律，因此所建模型與實際情況仍有一定的差異。

4.2 研究展望

為了研究海拔、濕度和顆粒物對高壓直流輸電線路離子流場的影響，明確復雜環境下的離子流場特性，建議在機理和工程應用等方面開展研究。

1)海拔(氣壓、宇宙射線)、濕度、顆粒物對直流電暈放電起始特性的影響機理

從電暈放電電離系數、附著系數等放電系數的實測出發，分析氣壓、宇宙射線、濕度、顆粒物單一影響因素對放電系數的影響規律；基于電暈放電的發展過程，明確外界因素對電暈放電特性的影響機理，建立計及環境因素影響的起暈場強計算模型。

2)液態、固態顆粒物的荷電特性和空間電荷的運動特性

研究空間電荷荷電特性和運動特性的有效測量方法，分析離子流場中離子、液態顆粒物、固態顆粒物的電荷分布特性和遷移特性；研究場致荷電、擴散荷電、極限球理論等荷電機理在離子流場中的適用性；分析環境因素對顆粒物荷電特性的影響，建立考慮環境影響的顆粒物荷電模型。

3)計及海拔、濕度和顆粒物影響的離子流場模型和計算方法

研究氣壓、宇宙射線、濕度和顆粒物對高壓直流導線地面離子流場的影響規律和影響機理，分析單一影響因素下離子流場特性；研究計及海拔、濕度和顆粒物綜合影響的高壓直流導線離子流場模型，研究快速高效的離子流場求解方法。

4)計及海拔、濕度和顆粒物影響的高壓直流輸電線路離子流場控制方法

研究復雜環境中空間離子流場的有效測試手段，建立更加有效的高壓直流輸電線路離子流場長期監測系統，統計分析高海拔、高濕度和高污染條件下離子流場的特性；研究高壓直流輸電線路離子流場與空間電荷、無線電干擾、可聽噪聲的本征關聯特征；分析實驗室計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的控制方法。

綜上所述，高海拔、高濕度、高污染環境下離子流場建模的總體思路如圖5所示，從電暈放電起始場強的研究出發，明確離子流場的邊界條件，基于顆粒物的荷電模型和遷移模型，建立相應的離子流場計算模型。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力學、液態和固態懸浮顆粒物的荷電、電場分析等方面的機理性研究，不僅適合我國環境友好、資源節約、安全可靠高壓直流輸電線路設計和建設的工程背景，還將進一步提升我國在直流線路電磁環境研究方面的國際影響力，為制定高壓直流輸電線路離子流場的國際標準提供理論基礎。

圖5 計及海拔、濕度、顆粒物的離子流場特性研究思路

5 結語

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

1)離子流場是高壓直流輸電線路電磁環境的重要指標之一。隨著我國高壓直流輸電線路的建設，離子流場問題將會受到設計人員、運行人員和社會公眾的長期關注。

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

3)離子流場與導線電暈放電現象密切相關。因此，海拔、濕度、顆粒物對起暈場強以及空間電荷分布的影響是離子流場特性分析及建模的關鍵。