空间离子流场数值计算及工程应用

第1章 绪论 1.1 离子流场问题的提出 电力工业时代，直流输电是*初采用的输电形式，随着三相交流电机和变压器的应用，交流输电普遍代替直流输电成为主流输电方式。但是，随着电力系统不断扩大，输电功率和输电距离不断增加，大功率换流电子器件诞生，直流输电技术重回历史舞台，在世界范围内得到快速发展和广泛应用。 高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）系统较高压交流输电（high voltage alternating current，HVAC）系统更具优势：利用直流输电可以实现不同额定频率或同频不同相的交流系统之间的互联，提高两端交流系统互为备用及发生事故时紧急支援的能力，从而提高系统的稳定性和供电的经济性；高压直流适合高电压、远距离、大容量输电，不会改变功角关系，从而不会因为系统的静态稳定或暂态稳定性能变差而降低输送容量；电力系统非同步联网，被联电网可以独立运行，不受联网的影响，被联电网之间交换的功率可以快速、方便地得到控制，有利于电力系统运行和管理；单极故障时，可以采用大地作为备用电极导线构成回路，提高输电系统的运行可靠性。*早投入商业化运行的高压直流输电工程包括1951年苏联建成的莫斯科（Moscow）至卡希拉（Kashira）高压直流输电系统（30 MW，±100 kV，全长100 km），以及瑞典建成的瑞典本土至哥特兰岛（Gotland）高压直流输电系统（20 MW，±100 kV，全长96 km）。为了满足电力发展的需要，我国也相继投运了一系列直流输电工程，包括1989年投入商业运行的舟山直流输电工程，该线路输电电压等级较低，为±100 kV，以及之后电压等级逐渐提升至±500 kV的葛洲坝至上海南桥、广西天生桥至广州北郊、三峡至江苏常州、三峡至广东惠州等十几条直流输电工程。云南至广东±800 kV特高压直流输电示范工程，西起云南省楚雄彝族自治州禄丰市，东至广东省广州市增城区，线路全长1 438 km，额定输送容量500万kW，2009年单极投运，2010年双极投运，这标志着我国直流输电步入了特高压输电行列[1]。然而，高压直流系统在进行大功率、远距离输送电力的同时也带来了一系列工程问题亟须解决。 随着电压等级的提高，输变电系统存在一系列工程问题。高压直流线路电磁环境，包括直流合成电场强度、离子流密度、直流磁场、可听噪声，以及无线电干扰，是工程设计、建设和运行中必须考虑的重要指标。其中，直流合成电场强度和离子流密度是直流输电系统特有的物理量，这导致直流输电电磁环境与交流输电电磁环境有较大的差别。高压直流线路在运行时，电晕产生的空间电荷与直流导线产生的标称电场（没有空间电荷存在时的静电场）共同作用形成合成电场，电荷运动导致漂移方向上的合成电场强度增大，地表电场强度可以达到标称电场强度的3倍以上；空间电荷在电场力的作用下定向运动形成离子流，会对线路走廊内人们的健康产生不良影响。随着线路电压等级升高、天气变化加剧，以及海拔高度上升，电磁环境问题将更加突出。因此，对高压直流线路开展电磁环境研究具有重要意义[2]。 高压直流输变电设备本身，如输电线路绝缘子串均压环和直流分压器均压环等，在雨、雾等气候条件下也会出现电晕现象。研究表明，在潮湿雾霾天气，金具表面的电晕起始电压较低，极易产生电晕。在直流换流站内，运行人员经常会看到金具表面辉光放电，并听到嗞嗞声，说明金具产生了电晕，这一现象也验证了上述理论。持续发生的电晕现象在恶劣的自然环境中会加速金具材料的腐蚀；电晕产生的空间电荷在电场力的作用下，会充斥整个空间，形成稳定的空间电荷分布，使得设备附近区域电场分布特性发生变化；空间电荷也会积聚到电气设备的绝缘结构材料表面，如支柱绝缘子和直流分压器等设备的绝缘伞裙表面，使该处的电场强度发生严重的畸变，加剧绝缘子局部或整体的老化，表面憎水性不断减弱直至丧失，使其失去应有的耐污闪性能甚至损坏；空间电荷在运动的过程中，容易吸附在悬浮污秽颗粒表面，在直流电场的作用下带电污秽颗粒更容易聚集在绝缘结构表面，附着的污秽形成的局部干区又会加剧整个设备外绝缘表面电压分布的不均匀程度，局部放电发展到一定程度后转化成稳定的电弧放电，从而引起外绝缘在工作电压下发生污秽闪络。高压直流绝缘子积污较交流时严重，绝缘伞裙上、下表面污秽度比较大，污秽中的盐离子成分也比同等交流电场条件下比重大，使得相同污秽条件下直流污闪电压比交流时更低，这主要是高压直流金具电晕产生的离子流空间电荷导致的结果[3]。 国内外高压直流输电系统运维经验表明，直流输电设备绝缘问题是影响直流输电安全可靠性的关键问题。高压设备体积、质量大，造价高，若发生事故，则会引起直流输电系统被迫停运[4]。换流变压器作为直流换流站内的关键设备，与一般的交流电力变压器在结构和性能方面有较大的区别。国际大电网会议（Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE）发布的统计数据表明，换流变压器的故障率约为交流变压器的2倍。因此，对换流变压器内绝缘系统的绝缘特性及击穿机理的研究显得尤为重要[4]。换流变压器阀侧绕组油纸绝缘结构承受直流、工频交流和高次谐波等工作电压产生的电场，以及操作过电压和极性反转电压造成的暂态电场。在直流电压作用下，绝缘系统内直流电场呈现阻性分布，传导电流造成油纸分界面上积聚大量电荷。当直流输电换向极性发生反转时，外加的极性反转电压产生的电场和绝缘内部积聚电荷产生的电场共同作用，会极大地增加油纸绝缘材料所承受的电场。因此，油纸绝缘介质往往会因为积聚电荷的作用在电压突变时产生局部放电，甚至会导致绝缘介质击穿损坏[5]。换流变压器运行过程中，线圈产生的焦耳热量和铁心产生的涡流磁滞损耗会使油温升高，随着变压器油的流动，变压器内油纸绝缘系统不同位置温度将存在差异。换流变压器油纸绝缘介质内空间电荷的存在对其绝缘性能是否会产生影响，到底能产生多大的影响，现阶段只存在定性分析及感性认识，并无直接的实验研究和理论依据，缺少对复合电场和温度场作用下油纸绝缘系统的绝缘特性及击穿机理的深入研究，这极大地影响了特高压换流变压器国产化的进程[4]。因此，对换流变压器内部油纸绝缘系统空间电荷产生的合成电场计算方法开展研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。 1.2 高压直流输电线路离子流场计算方法的发展历程 作为高压直流输电系统的重要组成部分，直流输电线路对环境造成影响的*重要因素就是导线表面电荷与空间电荷共同作用产生的合成电场，以及空间离子流入大地产生的地面离子电流密度，它们是表征直流离子流场的两个主要参数。国内外研究机构或建立直流输电线路缩尺模型，或针对实际直流工程线路，对地面合成电场强度和离子电流密度与线路基本参数之间的关系进行了大量的测量研究[2]。直流离子流场的计算涉及多方面的问题，导线表面电晕起始电场强度的确定，耦合求解Poisson方程和电流连续性方程的快速收敛数值计算方法的研究，空间电荷遇到悬浮导体、绝缘介质或被灰尘吸附后的运动特性，大规模三维离子流场数值计算效率的提升，以及交直流混合电场的数值模型等都是国内外学者研究的主要问题[2， 6]。 Hara等[7-9]在直流离子流场测量方面研究较早，在日本住友电气工业株式会社（Sumitomo Electric Industries）的熊取町（Kumatori）高压实验室建立了单极和双极户外实验线路，考虑风速对空间电荷分布的影响，对导线下方地面处合成电场强度和离子流密度进行了测量。美国电力研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）建立了直流输电线路模型，对地面合成电场强度和离子电流密度与线路基本参数之间的关系进行了大量实验，并得到了半经验公式，可以用于线路结构及导线布置与实验线路相似的直流输电线路离子流场工程计算。 国内的文川等[10]于1985年对高压直流实验线路的电晕起始电压及地面离子流进行了测量，针对原武汉高压研究所架设的高压直流输电实验线路，提出了同时测量导线电晕电流和地面离子流随导线电压变化曲线的方法用于确定导线的起晕电压，并研究了风向对地面离子流密度分布产生的影响。张美蓉等[11]在实验室内对有架空地线和无架空地线两种情况下，单极和双极模拟直流输电线路下方地面离子流密度和合成电场强度的分布进行了测量，并与户外直流实验线路下方测量数据进行对比，与测量结果比较接近，认为风及架空地线对地面合成电场强度的影响比对离子流密度的影响小。张杰等[12-14]在武汉、青海两地通过缩尺实验研究了不同海拔对高压直流输电线路电晕电流、地面离子流密度和合成电场强度产生的影响，得到直流输电线路起晕电压随海拔的上升而降低，以及电晕电流和离子流随海拔的上升而增大等结论。侯远航等[15]通过缩尺模型实验研究了直流输电线路极导线垂直排列的离子流场问题，测量了不同极导线高度和排列方式下合成电场强度的分布。实验结果表明：极导线水平排列比垂直排列线路下方地表合成电场强度幅值高，高电场强度区宽；垂直排列极导线采用上负下正布置方式时，地表合成电场强度较低。华北电力大学崔翔课题组和中国电力科学研究院在北京特高压实验基地搭建了双极直流实验线段，对线段下方地面和房屋模型顶部的合成电场强度进行了测量，测量结果得到了广泛的引用[16]。 国外学者在直流离子流场计算方面的研究较早，1914年，Townsend[17]就采用解析计算的方法求解同轴圆柱电极离子流场。对于简单模型，如平行金属板、同轴圆柱和金属球壳电极等，场域及其内部物理量分布对称，因此可以简化为一维模型，该模型存在与边界条件对应的唯一解析解，文献[18]～文献[20]分别对上述三种模型进行了讨论并给出了结果。然而，对于稍微复杂的离子流场模型，无法简化为一维模型进行等效计算，这时必须采用数值计算方法。 Deutsch[21]认为，空间电荷密度只改变电场强度的大小，而不改变其方向，即Deutsch假设。Sarma等[22-25]将关于电位的三阶非线性偏微分离子流场控制方程简化为一阶微分方程组，结合适当的边界条件用于求解单极和双极高压直流输电线路离子流场分布。基于Deutsch假设的离子流场计算方法在国内得到了广泛的应用，并被《高压直流架空送电线路技术导则》（DL/T 436—2005）推荐用于工程计算直流输电线路离子流场。该方法被称为电场线法或通量线法，它无须对计算场域划分网格，计算速度快，可以用于指导直流线路工程设计。基于电场线法，国内的傅宾兰[26]编制了单极和双极直流输电线路各种线路布置时的地面合成电场强度和离子流密度的计算程序，并研究了线路参数对合成电场强度和离子流密度的影响。田冀焕等[27]对±500 kV同塔双回和同走廊双回直流输电线路离子流场进行了计算，研究了双回极导线八种布置方式下地面合成电场强度和离子流密度的特点。杨勇等[28-31]对同走廊双回、垂直排列直流输电线路离子流场进行了计算。杨洁[32]研究了交直流混合输电线路并行走廊下地表电场强度和离子流密度的计算方法。罗兆楠等[33， 34]研究了输电线路下方建筑物附近的离子流场。卢铁兵等[35]将此方法应用于±800 kV直流输电线路离子流场的计算中，并研究了交直流混合输电线路并行走廊下地表电场强度和离子流密度的计算方法。 虽然基于Deutsch假设的电场线法在工程实际中得到了广泛的应用，但该方法主要存在三大缺点：**，该方法无法考虑正、负电荷的复合作用；第二，已知直流输电线路离子流场即空间电荷分布受大气环境影响很大，风的存在会对电场线产生畸变，但该方法无法考虑风速的影响；第三，该方法的理论基础Deutsch假设基于简单结构单极线路模型，对于复杂离子流场求解模型，存在计算精度较低的缺点。Maruvada[36]认为，在弱电晕状态下运行的直流输电线路，采用Deutsch假设的计算方法结果基本