图1 圆柱电极实验装置示意图及实物图
摘要 近年来，悬浮颗粒物（灰霾、雾霾）的存在对高压直流输电线路电磁环境的影响已成为了新兴的研究重点，而目前，悬浮颗粒物对直流导线电晕特性的作用机理仍不清晰。该文使用燃香颗粒模拟灰霾天气，利用同轴圆柱电极进行了直流导线电晕特性的实验研究，并结合测试计算结果，对悬浮颗粒物影响直流导线电晕特性的作用机理进行了分析解释。得出如下结论：随着悬浮颗粒物的增多，电晕放电程度增强，离子粘附在悬浮颗粒物上导致有效迁移率减小，致使测得的电流密度减小；悬浮于空中的空间总电荷密度增加，致使测得的合成电场强度增大。
关键词：高压直流 颗粒物 电晕特性 机理研究
我国高压直流输电技术发展迅速，其引发的电磁环境问题不容忽视。直流输电线路电压超过临界值时，会使得周围气体分子电离生成离子，产生电晕。电晕产生的空间电荷使导线周围电场发生畸变，形成合成电场。空间电荷在直流线路定向电场力的作用下运动，形成离子流。离子流密度和合成电场强度是反映高压直流输电线路电晕特性的重要参数，国内外学者已对其进行了较为深入的研究[1-5]。
近年来，灰霾天气频发，已成为社会各界日益关注的问题[6]。高压直流输电线路附近的悬浮颗粒物将使导线周围的电磁环境变得更加复杂。而目前，对存在悬浮颗粒物时的电晕特性研究较少，对有效迁移率、空间电荷量、合成电场等的变化规律及各参数间的作用机理仍不清晰[7-8]。
为了研究悬浮颗粒物质量分数对高压直流导线电晕特性的作用机理。本文利用同轴圆柱电极设计实验，测量并分析了颗粒物存在下高压直流导线电场强度、电流密度、空间电荷量、有效迁移率等参数的变化关系及互相作用机理，较为完善地解释了悬浮颗粒物对高压直流导线电晕特性的作用机理。
本文采用的实验装置由一组同轴圆柱电极组成，如图1所示。放电电极为0.8m的裸铜导线，两端设置均压球以减小端部放电效应；接地电极为直径0.4m，长0.7m的圆柱形电晕笼，由硬钢骨架包裹铁丝网制成。为制造封闭的实验环境，设计制作了尺寸为1m×0.6m×0.6m的有机玻璃罩，通过设置必要的电压引线开孔、探头开孔及密封条在保证实验正常进行的同时，提供颗粒物质量分数稳定的封闭环境[9]。
实验分别利用Wilson板和直流场强仪（也称“场磨”）测量电晕笼内表面的电流密度和电场强度[5, 10-11]。将两台LD-5C(B)激光粉尘仪接入玻璃罩上下两个位置，通过多次测量取均值的方式测量玻璃罩内的悬浮颗粒物质量分数。
实验使用燃烧香柱的方式制造悬浮颗粒物，其产生的颗粒物易于在空中悬浮并可较快地均匀分布。为研究燃香颗粒物的形貌及成分组成，将其收集于0.2mm微孔石英纤维滤膜上，使用清华大学的场发射环境扫描电子显微镜（Quanta200FEG）进行形貌观察及能谱研究，得到燃香实物及形貌分析如图2所示。可见，燃香颗粒呈球形或椭球形，粘附在丝状滤膜纤维上。图2b标记了燃香颗粒粒径分别为1.86mm、2.74mm和3.47mm，属于mm数量级。对燃香样本进行能谱测量得到燃香颗粒的主要成分为碳[12]。
图1 圆柱电极实验装置示意图及实物图
1—有机玻璃罩 2—电晕笼 3—Wilson板 4—场磨 5—均压球 6—导线绝缘杆 7—罩外绝缘杆 8—导线 9—电晕笼支架 10—场磨支架 11—电压引线 12—接地装置
Fig.1 The diagram and physical diagram of cylindrical electrode experimental device
图2 燃香实物及形貌分析
Fig.2 The physical diagram and morphology image of the incense sample
通过对燃香颗粒物的形貌及成分分析可知，燃香颗粒粒径属于环境空气中的PM10或PM2.5颗粒粒径范围，且其包含的主要元素“碳”，与实际生产生活中汽车尾气、工业排放、垃圾焚烧等碳排放产生颗粒物的主要成分类似。燃香颗粒物与大气环境颗粒物均可在空中悬浮并停留较长时间（小时级），在粒径及成分上具有一定的相似性，且燃香颗粒物具有易于获取及易于控制质量分数等优势，适合在实验室环境中使用以探求基本规律。
实验过程中，悬浮颗粒物可能由于静电除尘效应粘附于导线表面而影响实验结果[13]。又由1.2节分析可知，使用的燃香颗粒物具有一定粘附性，因而有必要预先研究导线表面粘附颗粒物对实验结果的影响程度。
在完成颗粒物质量分数对导线电晕特性影响的实验后，空中颗粒物质量分数恢复清洁状态时，对实验后的积污状态导线以及清洁后的洁净状态导线分别进行电晕特性测试实验。对导线施加不同的电压U时，电晕笼表面的电场强度ER及电流密度J的测试结果如图3所示。
图3 同一环境下洁净导线与积污导线的测试结果
Fig.3 The test results of the clean and contaminated conductors in the same environment
由图3可知，干净与积污导线的测试结果基本重合。表明在本实验的条件下，导线表面少量附着的颗粒物对测试结果的影响程度较小，颗粒物对导线电晕特性的影响主要来自悬浮颗粒物。这源于以下原因[12]：
（1）导线较细，不易积聚颗粒物。
（2）实验准备充分，颗粒物质量分数实验中各组数据测量迅速。
（3）起晕后导线周围的悬浮颗粒物带上与导线同极性电荷，向远离导线的方向运动。
实验使用直径1mm的导线，通过控制燃烧香柱的长度来控制悬浮颗粒物质量分数。正极性实验中，环境温度5.5℃，相对湿度40.6%；负极性实验中，环境温度3.9℃，相对湿度16.8%。
颗粒物质量分数对笼体处电场强度及电流密度的影响如图4所示，指示框中为悬浮颗粒物质量分数。由图4可见，每条曲线都近似由斜率不同的两段直线组成，根据“折线法”，将每条曲线前后两段各点分别进行线性拟合，认为拟合直线的交点为起晕点，对应的导线表面电场强度为起晕电场强度[14]。
图4 颗粒物质量分数对笼体处电场强度及电流密度的影响
Fig.4 The effect of aerosol mass concentration on the electric field strength and current density on the ground electrode
由图4可知，正负极性实验中，电晕特性变化趋势相同，即导线未起晕时，没有空间电荷产生，颗粒物质量分数对导线电晕特性的影响较小；导线起晕后，悬浮颗粒物的存在使得电场强度的绝对值增大，电流密度的绝对值减小。
实验使用的同轴圆柱电极结构具有一维解析解，起晕后，正极性的同轴圆柱电极截面如图5所示。导线与电晕笼半径分别为r0和R，其间任意位置半径为r，边界电位j 标于图5中。正极性导线电晕产生正极性空间电荷，在电场力的作用下向接地极运动，图5画出空间电荷及其运动方向；负极性情况与正极性原理完全相同。在本文的分析中使用的假设条件为[15]：
（1）在一定温度和气压下，离子迁移率与电场相互独立，视为常数。
（2）圆柱电极的长度远大于其半径。
（3）起晕后，导线表面的电场强度保持在起晕电场强度不变，与施加电压值无关。
图5 正极性圆柱电极的1/4截面
Fig.5 1/4 section diagram of positive cylindrical electrode
基于以上假设，不存在空中颗粒物时电场的控制方程[16]为
（1）
（2）
（3）
式中，E、J分别为同轴圆柱电极半径为r处的电场强度及电流密度；r 为空间电荷密度；e0为空气的介电常数；K为离子迁移率。
电场的控制方程针对单一空间电荷载体的情况。当空间存在悬浮颗粒物时，在电场力的作用下，电子、离子感应生成与电场力异号的电荷，促使其粘附在颗粒上形成荷电颗粒物[12]。空间电荷将成为电子、离子及荷电颗粒物的混合体，此时空间电荷及电流密度分别表示为
（4）
（5）
式中，re、ri和rp以及Ke、Ki和Kp分别为电子、离子、荷电颗粒的空间电荷密度和迁移率。
由于自由电子的迁移率比离子大两个以上数量级，相比之下电子运动迅速，与空气分子结合变为离子，被正极性导线捕获（正极性情况）或被接地极吸收（负极性情况），故可忽略其对总空间电荷的贡献[13]。离子的迁移率比荷电颗粒大2～3个数量级，因而与电子和离子相比，可认为荷电颗粒处于静止状态，其传输的电流很小，忽略不计[17]。则式（4）、式（5）可近似表示为
（6）
（7）
考虑多种空间电荷载体的共同作用，定义Keq为多种空间电荷共同作用下的等效迁移率，称为“有效迁移率”[13]，表示为
（8）将计算模型简化为对应总空间电荷量的等效单一电荷载体的情况。利用边界条件
（9）
由电压与电场强度的关系可知
（10）解得r=R时电晕笼表面的电场强度ER为
（11）
式中，E0为r=r0时导线表面的电场强度，根据假设条件（3），即起晕电场强度，可解得有效迁移率的表达式为
（12）同样可获得总空间电荷密度的表达式为
（13）
经测量得知，正负极性实验中，电晕特性变化趋势相同。基于3.1节中建立的存在多种电荷时的圆柱电极电场计算模型，使用正极性数据从五个方面进行计算分析，进而对实验现象机理进行更深入的探究。
3.2.1 电流密度与电场强度的关系
图6显示正极性实验中，笼体处电流密度随电场强度的变化关系，指示框中显示悬浮颗粒物质量分数。离散点表示实验测量值，曲线为线性拟合曲线，并在每条曲线旁标示相关系数的二次方
。
图6 颗粒物存在时电场强度与电流密度的关系
Fig.6 The relationship between the electric field strength and current density when aerosol exist
图6表明电流密度与电场强度呈线性关系，颗粒物质量分数在由27mg/m3到8 220mg/m3变化过程中，测量值的拟合曲线斜率分别为0.41、0.39、0.33及0.11，显示颗粒物质量分数越大，电场强度对电流密度的影响越弱。
3.2.2 电场强度的增大对空间电荷密度的影响
圆柱电晕笼的各项参数已知，利用3.1节建立的计算模型计算得到导线电压为23.5kV、24kV、24.5kV时，不同颗粒物质量分数下的有效迁移率Keq及总空间电荷量密度r 的值，见表1，ms为空中颗粒物质量分数。
表1 不同情况下有效迁移率Keq及总空间电荷密度r的值
Tab.1 The equivalent mobility Keq and space charge density r of different conditions
ms/(mg/m3)Keq/[10-5m2/(V·s)]r/(mC/m3) 23.5kV24kV24.5kV23.5kV24kV24.5kV 2711.4111.4211.611.631.902.10 2177.478.148.941.661.942.16 1 8516.377.007.481.671.982.21 8 2201.081.602.131.752.112.45
对表1中计算得到的空间电荷密度数据进行分析表明，不同电压下，空间电荷密度随电场强度呈线性增加，其关系如图7所示。图7中，离散点表示实验所得数据，三条线性拟合曲线的相关系数的二次方均大于0.995，线性关系明显。且在不同颗粒物质量分数的计算下，三条拟合曲线的斜率相近，可见总空间电荷密度与电场强度的固有关联，存在荷电颗粒的空间电荷混合体使得圆柱电极内电场畸变，合成电场强度近似呈线性增加。
图7 电场强度与空间电荷密度的关系
Fig.7 The relationship between the electric field strength and the space charge density
3.2.3 对空间电荷的定量分析
未投入燃香颗粒物时，空中颗粒物质量分数为ms=27mg/m3时，认为此时空气洁净。由表1中数据可知，此时大气中的有效迁移率受电压变化的影响较小（变化率在2%以内），这也与3.1节中的假设条件（1）相符合，故认为此时的有效迁移率Keq近似等于离子迁移率Ki且不随所处电场的变化而变化。通过式（6）、式（7）可求得投入燃香颗粒物后，离子密度ri、荷电颗粒密度rp及总空间电荷密度r 随颗粒物质量分数的变化关系，如图8所示。
图8 总空间电荷密度与悬浮颗粒物质量分数关系
Fig.8 The relationship between the space charge density and the suspended aerosol concentration
图8显示，随着施加电压的增大或投入颗粒物质量分数的增加，离子密度减小、荷电颗粒密度增大，二者的综合作用使总空间电荷密度增大。
颗粒物的投入使得空间总电荷量增多，而这些电荷不论是离子还是颗粒物携带的，都是电晕放电产生的，表明悬浮颗粒物的存在激发了电晕的放电程度，使得导线激发出更多正负离子。
3.2.4 总空间电荷的增多对有效迁移率的影响
图9为有效迁移率与总空间电荷密度的变化关系，离散点表示实验所得数据，三条虚线为离散点的多项式拟合曲线。可知，有效迁移率随总空间电荷量的增加而快速减小。由图8分析可知，这是由颗粒物质量分数的增大以及颗粒物捕获离子导致离子的减少共同作用导致的（离子的迁移率比荷电颗粒大2～3个数量级）。
图9 有效迁移率与总空间电荷密度的关系
Fig.9 The relationship between the equivalent mobility and space charge density
3.2.5 总空间电荷增多对笼体处电流密度的影响
燃香颗粒质量分数的增加导致总空间电荷量增多，更多电荷悬浮于空中，导致Wilson板收集到的电荷减少，电流密度减少，电流密度与总空间电荷量的关系如图10所示（曲线为测量点的多项式拟合）。
图10 电流密度与总空间电荷量的关系
Fig.10 The relationship between the current density and space charge density
通过以上分析，按照如图11所示的作用机理分析流程对实验和计算结果的分析及各变量间相互作用机理进行解释：
（1）随着导线电压的增加及悬浮颗粒物的增多，激发了电晕放电程度，导致电场强度增大。
图11 作用机理分析流程
Fig.11 The flow chart of mechanism analysis
（2）离子在电极间沿着电力线运动，电场强度的增大使得更多离子粘附于颗粒物表面，导致空间电荷量增大。同时，总空间电荷量的增大加剧了电场畸变，测量得到的电场强度增加，两者近似呈线性关系。
（3）悬浮颗粒物的存在激发了电晕的放电程度，导线激发出更多离子，使得空间中总电荷量增多，其中离子所占的比例减小，荷电颗粒所占的比例增加，离子迁移率远大于荷电颗粒迁移率，因而有效迁移率减小。
（4）空间电荷量的增大及有效迁移率的减少导致更多电荷悬浮于空中，迁移到Wilson板上的空间电荷减少，即测得的电流密度减小。
1）本文设计搭建了封闭的同轴圆柱电极实验平台，通过实验研究了悬浮颗粒物对直流导线电晕特性的影响。
2）建立了存在多种电荷时的圆柱电极电场计算模型。
3）结合测试结果及计算分析，对悬浮颗粒物影响高压直流导线电晕特性的作用机理进行分析阐述。
4）研究及实验分析得出：起晕前，不存在空间电荷，悬浮颗粒物对导线电晕特性影响较小。起晕后，悬浮颗粒物的存在使得接地极电流密度减小，电场强度增大。这是由于空中离子的迁移率远大于颗粒物的迁移率，离子粘附于颗粒物上使离子数量减少，加之投入颗粒物的增多，共同导致了空间电荷的有效迁移率减少，故迁移到Wilson板上的电流密度减小。悬浮于空中的空间电荷增多，导致所测电场强度增大。
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Mechanism Research of the Suspended Aerosols on the Corona Characteristics of HVDC Conductors in a Cylindrical Corona Cage
Abstract In recent years, the impacts of suspended aerosols (haze and fog) on electromagnetic environment of HVDC transmission lines have become an emerging research issue. At present, the mechanism of suspended aerosols on corona characteristics of HVDC conductors is still unclear. In this paper, the effect of aerosols on the ionized field of the current wire was studied using the coaxial cylindrical electrode and burning incense aerosols to simulate haze atmospheric condition. The influence of aerosols of different mass concentrations on the ionized field of HVDC conductors was investigated. The mechanism of suspended aerosols affecting corona characteristics of DC conductors was analyzed and explained in combination with the calculation of test results. It is concluded that, with the increase of suspended aerosols, the degree of corona discharge increases, ions adhesion on suspended aerosols results in a decrease in equivalent mobility and a decrease in measured current density. The increase of total space charge density suspended in the air causes the increase of the measured electric field strength.
keywords：HVDC, aerosol, corona characteristics, mechanism research
中图分类号：TM851
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190137
国家自然科学基金资助项目（51577064）。
收稿日期 2019-01-28
改稿日期 2019-03-16
祝艺嘉 女，1991年生，硕士，研究方向为高压直流输电的电磁环境。E-mail: 1272417232@qq.com（通信作者）
卢铁兵 男，1970年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为先进输变电技术、电力系统电磁兼容。E-mail: tiebinglu@ncepu.edu.cn
（编辑 陈 诚）