高壓輸電線路電氣和電暈特性研究

淮北萬里電力規(guī)劃設(shè)計院有限公司 李端磊

引言

高壓輸電線路在工業(yè)應(yīng)用中所指的是電壓在3000-11000伏之間的電源，而在通常情況之下，電壓在250伏以上的電源被稱之為高壓電。隨著我國社會的不斷發(fā)展，高壓輸電線路也在不斷實(shí)現(xiàn)優(yōu)化與進(jìn)步，而由于高壓輸電線路具有較為特殊的工作特性，所以需要對其電氣和電暈特性加以深入研究及分析。

1 高壓輸電線路特點(diǎn)

所謂高壓輸電，就是將發(fā)電廠中所產(chǎn)生的電流先通過變壓器的操作實(shí)現(xiàn)電壓值的有效增大，然后再將電壓值增大后的電力傳輸?shù)叫枰秒姷牡貐^(qū)。傳輸完成后需將傳輸完成的電力再次通過降壓器進(jìn)行電壓值降低，才能充分滿足廣大居民的用電需求。而電流從發(fā)電廠產(chǎn)生后之所以要先經(jīng)過變壓器增壓，首要原因是因?yàn)樵诠β氏嗤妮斔蜅l件下，所實(shí)現(xiàn)輸送的電流越大其電壓就會越小。所以在進(jìn)行運(yùn)輸之前現(xiàn)進(jìn)行電壓增大能減少電流的運(yùn)輸損耗和成本，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。通過高壓輸電線路來實(shí)現(xiàn)對電力的輸送能有效實(shí)現(xiàn)對于人力和材料成本的降低，同時由于高壓輸電線路具有方便快捷的特性，居民的用電質(zhì)量得到保證。

高壓輸電線路所傳輸?shù)碾娏鞣譃橹绷麟姾徒涣麟妰煞N，直流電的電流較為穩(wěn)定且不易隨著電流傳輸?shù)姆绞脚c時間改變而產(chǎn)生變化，而交流電在傳輸?shù)倪^程中是一直在進(jìn)行變化的過程中的，但交流電的變化并不具備多樣性和不可控的特點(diǎn)，具有一定的周期性規(guī)律。由于高壓輸電工作具有其自身特殊性，且由于輸電工作具有自身系統(tǒng)性和復(fù)雜性，所以在進(jìn)行高壓輸電線路的設(shè)計過程中一定要保持嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真。

在進(jìn)行高壓輸電的過程中，由于直流電和交流電存在差異，直流電的穩(wěn)定性決定了直流電在進(jìn)行傳輸過程中所需運(yùn)輸材料和成本相較于交流電來說較少，在進(jìn)行直流電運(yùn)輸時，只需使用兩根導(dǎo)線作為運(yùn)輸材料即可。同時直流電運(yùn)輸不受運(yùn)輸時長及距離的限制。在交流電的運(yùn)輸過程中，由于交流電在實(shí)際使用過程中的應(yīng)用性較強(qiáng)，所以電壓調(diào)控也較為方便，相較于直流電運(yùn)輸過程交流電的發(fā)電設(shè)備操作更加便捷。

在兩種電流運(yùn)輸?shù)倪^程中也表現(xiàn)出高壓運(yùn)輸缺陷。雖然直流電運(yùn)輸過程中所應(yīng)用的材料較少，但其材料價格成本較高，且直流電的發(fā)電設(shè)備具有一定的使用難度，同時直流電運(yùn)輸過程中存在的滅弧問題對于其運(yùn)輸過程產(chǎn)生了一定程度的阻礙，且由于直流電穩(wěn)定性較強(qiáng)所以直流電的電壓非常不易實(shí)現(xiàn)降低，須使用專業(yè)的降壓電路才能夠?qū)崿F(xiàn)直流電電壓的下降，增加了高壓運(yùn)輸過程中的難度和復(fù)雜性。在高壓運(yùn)輸?shù)倪^程中，無論所運(yùn)輸?shù)氖侵绷麟娺€是交流電都存在一定的危險性和不穩(wěn)定性，在進(jìn)行高壓運(yùn)輸時要格外注意運(yùn)輸安全。

由于高壓輸電的特殊性，且為進(jìn)一步保證輸電過程的高質(zhì)量和高效率，所以要在進(jìn)行輸電作業(yè)的前期做好相應(yīng)的安排和準(zhǔn)備工作。從施工場地的選擇到輸電材料的選擇都要實(shí)現(xiàn)對于高質(zhì)量的嚴(yán)格規(guī)范落實(shí)，相關(guān)設(shè)計施工人員也一定要結(jié)合施工當(dāng)期的氣候條件，注重對于施工細(xì)節(jié)的考量。同時在進(jìn)行輸電線路的設(shè)計過程中，要充分考慮到線路建設(shè)過程中所途徑地區(qū)的自然條件和天氣狀況，盡力降低由于外界環(huán)境因素對高壓輸電過程所產(chǎn)生的破壞或影響。由于高壓輸電過程不僅會實(shí)現(xiàn)我國居民生活水平的提升，還能對人類未來的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，所以在高壓輸電過程中一定要充分保證輸電過程的安全性和可靠性。

2 高壓輸電線路電氣特性

高壓輸電線路中的電氣參數(shù)特性包含的主要內(nèi)容有兩個，一是高壓輸電線路中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，另一個是高壓輸電線路中的額定工作參數(shù)[1]。針對于高壓輸電線路之中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來說，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)在大多數(shù)情況下所代表的都是一個穩(wěn)定、固定的數(shù)值，這一數(shù)值主要包括的內(nèi)容有阻抗、電納等多種高壓輸電過程中的基本結(jié)構(gòu)。針對于高壓輸電在線路中的額定工作參數(shù)來說，額定工作參數(shù)具有不固定的特點(diǎn)，其主要存在于一個范圍之內(nèi)。為進(jìn)一步提升高壓輸電線路的輸電能力，在一般情況下，高壓輸電線路的輸電方式都會采用分裂導(dǎo)線的方式來進(jìn)行輸電工作。

而在落實(shí)這一工作時，需在進(jìn)行高壓輸電線路設(shè)計時能進(jìn)一步對分裂導(dǎo)線間的相隔距離和半徑進(jìn)行合理的確定和設(shè)計，幫助輸電過程中的阻抗和電納都能被良好控制，以保證整體的輸電線路設(shè)計的科學(xué)合理。在對阻抗和電納進(jìn)行良好控制的基礎(chǔ)之上，最重要的是要實(shí)現(xiàn)對于二者的進(jìn)一步規(guī)范，使其能繼續(xù)保持其優(yōu)勢，在這一過程中圖1所示的三相分裂導(dǎo)線水平排列是在規(guī)范阻抗和電納的過程中最為常見的。

圖1 三相分裂導(dǎo)線水平排列

在圖1中需注意，水平排列的導(dǎo)線與其子導(dǎo)線間的距離是一個固定的數(shù)值，不能輕易發(fā)生改變，否則會對整個輸電過程造成較為嚴(yán)重影響。在水平排列的過程中各個分裂導(dǎo)線間的距離最少應(yīng)保持在18米，具體的距離還應(yīng)按照具體情況做出相應(yīng)調(diào)整。指導(dǎo)線距離要求為40厘米以上，但最多只能達(dá)到45厘米。通常情況下，整個高壓輸電線路中子導(dǎo)線的數(shù)目的變化能直接決定主導(dǎo)線的數(shù)目變化，表現(xiàn)為子導(dǎo)線的數(shù)量越少、主導(dǎo)線的數(shù)量越多。

同時，高壓輸電線路的主導(dǎo)線數(shù)量還與子導(dǎo)線的半徑大小有關(guān)，隨著子導(dǎo)線半徑的逐漸減小主導(dǎo)線的數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢，且主導(dǎo)線的半徑和數(shù)量變化同樣會對子導(dǎo)線的數(shù)量和子導(dǎo)線間的間距產(chǎn)生影響，若在設(shè)計過程中進(jìn)行主導(dǎo)線半徑大小的增加，那么子導(dǎo)線的數(shù)量會產(chǎn)生較為明顯的增加，且子導(dǎo)線間也會在一定程度上表現(xiàn)為間隔距離的增加。無論是主導(dǎo)線還是子導(dǎo)線，導(dǎo)線之間所存在的間距大小是具有重要意義的，間距的大小能夠影響整個高壓輸電線路的絕緣態(tài)勢，而高壓輸電線路的絕緣態(tài)勢又能夠反過來實(shí)現(xiàn)對于間距參數(shù)的有效控制。若高壓輸電線路中絕緣態(tài)勢較為理想，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)對于導(dǎo)線之間有效間距控制[1]。

高壓輸電線路中的電氣自然功率所表達(dá)的含義，是高壓輸電線路中當(dāng)輸電過程處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下時，其會受到高壓輸電線路的幾何參數(shù)影響。通常情況下，為實(shí)現(xiàn)對于高壓輸電線路中的自然功率表達(dá)，可以使用公式Pc=U2/ZC來實(shí)現(xiàn)。在對公式進(jìn)行剖析過程當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，以高壓運(yùn)輸過程中最主要并且最基本的三個因素電阻、電壓和電流為視角進(jìn)行分析，可斷定的是高壓輸電過程中的自然功率和整個線路中的波阻抗是完全對立存在的，且任何一個高壓傳輸過程中的電力因素變化都會對其產(chǎn)生不同的影響。

表面電場強(qiáng)度來在分裂導(dǎo)線和子導(dǎo)線之中存在相同的特點(diǎn)，電場強(qiáng)度是在隨著時間的變化而不斷產(chǎn)生變化的。然而在表面電場強(qiáng)度的變化過程中，主導(dǎo)線表現(xiàn)出來的是只具備一個最高的強(qiáng)度點(diǎn)，但是針對于子導(dǎo)線來說，表面電場強(qiáng)度會根據(jù)子導(dǎo)線間的具體距離和子導(dǎo)線的所處位置來決定。所以在進(jìn)行表面電場強(qiáng)度的計算工作中，通常情況下子導(dǎo)線所采取的數(shù)值都是一個平均的數(shù)值。然而在實(shí)際的計算過程中又可以總結(jié)為如下特點(diǎn)：在高壓輸電過程之中子導(dǎo)線的半徑越大、數(shù)量越多，計算出來的表面電場強(qiáng)度的數(shù)值就會越小。所以在高壓輸電過程線路的設(shè)計過程之中，通常需要通過對子導(dǎo)線的半徑和數(shù)量進(jìn)行規(guī)范來實(shí)現(xiàn)對于表面電場強(qiáng)度的控制。

3 高壓輸電線路電暈特性

首先，高壓輸電線路中的電暈所表達(dá)的含義是，當(dāng)帶電體的表面存在液體或氣體時所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，這種放電現(xiàn)象多數(shù)為局部地區(qū)放電。而這種電暈現(xiàn)象發(fā)生在普通高壓輸電線路中的概率較低，其主要發(fā)生于超高壓或特高壓的輸電過程之中[2]。電暈現(xiàn)象發(fā)生之后，由于局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生會隨之產(chǎn)生臭氧和氧化氮等其他的化學(xué)物質(zhì)。在高壓輸電過程之中，電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生對于高壓輸電具有不利的影響，其會增加輸電過程中的能量消耗，利用如圖2所示的檢測方式能夠?qū)崿F(xiàn)對于電暈?zāi)芰肯牧康挠行y量，同時電暈現(xiàn)象還會相應(yīng)對無線電波產(chǎn)生一定程度上的干擾，對輸電過程的順利進(jìn)行可能會產(chǎn)生影響。

圖2 高壓輸電線路電暈損耗檢測示意圖

高壓輸電在工作的過程中出現(xiàn)電暈現(xiàn)象后呈現(xiàn)出高強(qiáng)度運(yùn)輸和高噪聲運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。深入分析并探討電暈產(chǎn)生的原因，可表現(xiàn)為由于分裂導(dǎo)線上的表面電場強(qiáng)度過于強(qiáng)，所以在進(jìn)行日常的電流運(yùn)輸工作中，難免會由于外界因素的影響而產(chǎn)生電場強(qiáng)度不夠穩(wěn)定的現(xiàn)象，若這一現(xiàn)象在電流運(yùn)輸過程中沒有引起相關(guān)工作人員的注意和重視，就會導(dǎo)致分裂導(dǎo)線的表面電場強(qiáng)度不穩(wěn)定性增加，進(jìn)而導(dǎo)致電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生。電暈現(xiàn)象對于普通高壓輸電來說具有一定程度的影響，且隨著高壓輸電線路所傳輸?shù)碾娏鲏毫υ絹碓酱螅姇灛F(xiàn)象所產(chǎn)生的概率和影響會成倍增加。高壓輸電線路中電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生同樣會對無線電信號產(chǎn)生干擾。在高壓輸電過程中，線路中的電暈現(xiàn)象一旦產(chǎn)生、會連續(xù)且持久地存在于整個高壓輸電線路之中。

如，某高壓輸電線路在建設(shè)完成后，由于高壓輸電線路工作中存在了電暈現(xiàn)象，但相關(guān)管理技術(shù)人員并沒有對該現(xiàn)象引起足夠的重視，對無線電信號的傳輸產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響，由于整個高壓輸電線路中的無線電信號愈加減弱，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)人員無法對整個輸電過程實(shí)現(xiàn)全面且穩(wěn)定的辨識和捕捉，最終對整個高壓電力傳輸產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響。基于以上案例可以明顯看出，電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生與高壓輸電過程中的電力運(yùn)行聯(lián)系較少，其之所以會產(chǎn)生，主要還是因?yàn)檩旊娺^程中的自身屬性而決定的，因此需要相關(guān)部門加強(qiáng)對于電暈現(xiàn)象的控制力度，實(shí)現(xiàn)電暈現(xiàn)象的順利解決。

其次，為了能夠真正阻止電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要對引發(fā)電暈現(xiàn)象產(chǎn)生的基本因素進(jìn)行深入分析，由于電暈想象產(chǎn)生的影響因素較多，所以在本文中將其主要?dú)w納為兩個方面：一是整體電場的強(qiáng)度，二是高壓輸電線路的輸電環(huán)境[3]。針對于高壓輸電線路的表面電場強(qiáng)度來說，其表面電場強(qiáng)度的制約因素為高壓輸電線路中的幾何參數(shù)。針對于高壓輸電線路的輸電環(huán)境來說，輸電環(huán)境對于電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生有著較為直觀的影響。若高壓輸電線路位于氣候較為干燥、陽光較為充足的地區(qū)，產(chǎn)生電暈現(xiàn)象的可能性相對較小。若輸電系統(tǒng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件較為潮濕、那就可能促進(jìn)電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對于以上的氣象特點(diǎn)，相關(guān)人員應(yīng)提起對于施工過程中輸電線路選址的重要性。

最后，電暈現(xiàn)象產(chǎn)生后的控制建議也主要針對于以下兩個方面：第一個方面是針對于幾何參數(shù)的確定，另一方面是針對于高壓輸電線路的選址問題。在進(jìn)行實(shí)際的輸電線路設(shè)計的過程當(dāng)中，需要在充分保證輸電質(zhì)量的同時，盡可能的做到主導(dǎo)線直徑的減小，同時增加子導(dǎo)線的直徑。同時還需要對模擬建設(shè)技術(shù)的使用引起重視，需要相關(guān)技術(shù)人員對整個實(shí)驗(yàn)過程做到精密的把控。針對于高壓輸電線路的選址問題，通常情況下高壓輸電線路不允許在市區(qū)中進(jìn)行，因?yàn)槠湓谶\(yùn)輸過程中會對周圍的企業(yè)造成較為嚴(yán)重的影響。同時在進(jìn)行選址時，要注意避免選取的高壓輸電線路建設(shè)地出現(xiàn)陽光照射不充足的問題，保證高壓輸電系統(tǒng)建設(shè)地的開闊性和廣泛性[4]。