摘抄 为了明确湿度对高压直流导线离子流场的影响，在东谈主工风景室中使用同轴圆柱电极电晕放电推行平台对不同湿度条款下正极性高压直流导线的离子流场进行测量，分析湿度对正极性导线离子流场的影响限定，通过引入用于表征悬浮液滴荷电本领大小的参数，筹划不同湿度条款下悬浮液滴的荷电特色和电场重量。筹划成果标明：相对湿度小于60%和大于就是60%环境下离子流场中悬浮液滴荷电特色不同，相对湿度小于60%时，悬浮液滴荷电本领较弱且真的不随湿度发生变化，空间电荷以离子为主，荷电液滴对离子流场影响较小，导线电晕放电特色和离子迁徙率随湿度变化是影响离子流场的主要身分；相对湿度大于就是60%时，悬浮液滴荷电本领随湿度线性增大，悬浮液滴空间电荷密度马上增多，荷电悬浮液滴成为影响离子流场的主要身分之一。
关节词：湿度 悬浮液滴 荷电特色 离子流场 影响身分
0 媒介为了惩办我国动力漫衍不均的问题，连年来我国仍是建成了多条特高压直流输电廓清[1-2]。特高压直流输电廓清主要用于远距离输电，廓清额外地区风景条款复杂，周围环境湿度变化较大。中国电力科学商议院在北京特高压直流检修基地进行单回直流廓清离子流场检修商议时，发现湿度会对高压直流输电廓清离子流场产生影响[3]，并从电晕放电扫数的角度分析了离子流场随湿度变化的原因，然则在湿度对悬浮液滴荷电特色方面未进行真切商议。2019年11月我国对GB50790—2013《±800kV直流架空输电廓清联想法式》进行了局部修改，矫正版进一步明确了直流廓清联想必须研讨湿度对离子流场的影响[4]，然则并未阐发若何研讨湿度对离子流场的影响。
周围环境湿度的变化会对高压直流导线起晕电压和离子迁徙率产生影响[5-7]。跟着湿度的不断升高，空间中还可能出现悬浮液滴，悬浮液滴会吸附电晕放电产生的空间电荷，造成荷电液滴，使得高压直流导线的离子流场问题变得愈加复杂。当今一些学者对不同湿度条款下的离子流场问题进行了商议。惠建峰等使用棒-板电极[8]、蒋兴良等使用同轴圆柱电极[9]，测量了不同湿度条款下清廉流电晕肇端电压，检修标明跟着湿度的增大，清廉流起晕电压逐渐减小，灵验电离扫数随湿度增大是导致起晕电压镌汰的原因。姜一涛[10]、安冰[11]等使用同轴圆柱电极测量了不同湿度条款下清廉流起晕电压，测量成果标明跟着湿度的增大，正极性导线的起晕电压略有升高，强负极性水分子团对电子崩的扼制是导致正极起晕电压增大的原因。徐明铭等建立了计及湿度影响的清廉流导线起晕电压筹划模子[12]，筹划成果标明，导线尺寸会对起晕电压的变化限定产生影响，关于半径大于0.1mm的导线，导线起晕电压随湿度增大逐渐增大。不错看出在湿度对起晕电压的影响商议中，不同学者的商磋议断存在较大各异，因此需要凭证具体模子具体分析。张波等使用平行平板电极[13]、刘云鹏等使用迁徙管法[14]分析了湿度对离子迁徙率的影响限定，商议成果标明，跟着湿度的增大，正、负离子迁徙率均逐渐减小。李强[15]、李海冰[16]等差异筹划了不同湿度条款下高压直流导线的离子流场，二者均研讨了湿度对电晕放电特色和离子迁徙率的影响。在离子流场中悬浮液滴的处理阵势上，李强觉得跟着周围环境湿度的增大，空间中的水分子均以水蒸气的体式存在，并不会在空间中造成荷电悬浮液滴；李海冰等则觉得任何湿度条款下空间中均存在悬浮液滴，悬浮液滴的粒径固定，数密度呈现速即漫衍。因此不同湿度条款下离子流场中悬浮液滴荷电问题尚不明晰，难以明确湿度对高压直流导线离子流场的影响身分。进攻需要聚首不同湿度条款下离子流场测量成果，商议湿度对悬浮液滴荷电特色的影响，分析湿度对离子流场的影响身分。
本文基于东谈主工风景室和电晕放电推行平台，测量了不同湿度条款下正极性高压直流导线的离子流场；取得了不同湿度条款下推行平台电晕电极的起晕电压；界说了用于表征离子流场中悬浮液滴荷电本领大小的参数——荷电因子；研讨湿度对导线电晕放电特色和离子迁徙率的影响，聚首离子流场测量成果，筹划了不同湿度条款下悬浮液滴的荷电因子；取得了空间电荷密度随湿度的变化限定以及合成电场中各重量占比；明确了湿度对高压直流导线离子流场的影响身分。
1 不同湿度条款下离子流场测量推行 1.1 推行平台推行平台由两部分构成，差异为东谈主工风景室和电晕放电推行平台。东谈主工风景室外壳由密闭性精粹的保温材料制成，里面铺设钢板并可靠接地，使用压缩机和电加热加湿器竣事风景室中温湿度限定，不错灵验幸免超声波加湿器加湿过程中产生的悬浮液滴对推行成果的影响。风景室湿度调理规模为20%～90%，使用高精度温、湿度传感器测量风景室中的温、湿度，东谈主工风景室具体参数见表1。
电晕放电推行平台为同轴圆柱结构，如图1所示。中心电极为裸铜导线，长度为2.8m，半径为1.1mm，中心电极两头均建树均压球，以减小中心电顶点部放电影响。接地电晕笼选择三段式结构，由电断气缘的三部分构成，其中电晕笼的中段为测量段，两侧的电晕笼为屏蔽段。测量段用于高压直流导线离子流场的测量，屏蔽段用于缩小端部效应。本次推行中使用的接地电晕笼测量段长2.0m，一侧屏蔽段长0.3m，半径为0.4m。
1.2 推行方法为了测量不同湿度条款下高压直流导线的离子流场，推行过程中将同轴圆柱电晕放电推行平台甩掉于东谈主工风景室中，如图2所示。为了幸免空间中可能出现的悬浮液滴附着到导线名义，蜕变导线温和度，每次推行前均使用棉片擦抹导线。高压直流电源通过高压电缆引入，推行东谈主员在风景室外进行电压调理，幸免了推行东谈主员对风景室内温湿度的影响。在保证温度T=30℃的情况下，对相对湿度RH进行调理，调理规模为30%～90%。
待环境湿度清爽后，对导线施加电压，测量离子流场。推行过程中，使用高压直流电源对中心电极施加0～65kV正极性电压，使用直流场强仪（场磨）和离子流板测量电晕笼处的电场强度和离子流密度。
1.3 推行成果在不同湿度条款下，导线发生电晕放电后，电晕笼壁处合成电场强度和离子流密度测量值如图3所示。
由测量成果可知，跟着周围环境相对湿度的增多，正极性高压直流导线的合成电场逐渐减小，不同电压下合成电场随湿度变化趋势基本相同。比较于RH=30%条款下，导线电压为55kV时、RH=90%条款下的合成电场减小了10.7%。正极性高压直流导线的离子流密度也随湿度增大逐渐减小，比较于RH=30%条款下，导线电压为55kV时、RH=50%条款下离子流密度减小了17.6%。周围环境湿度较高时，离子流密度随湿度下落昭着，比较于RH=60%条款下，RH=90%条款下的离子流密度减小了46%。可能是因为在较高湿度环境下空间中出现的悬浮液滴拿获了电晕放电产生的空间电荷，使得RH≥60%条款下离子流密度马上减小。
绘画不同湿度条款下离子流密度测量值与导线电压的关系弧线，如图4所示。弧线拐点处对应的电压为导线起晕电压[17]，导线起晕电压随湿度变化弧线如图5所示。凭证图5可知，跟着周围环境湿度的增大，本文推行平台使用的正极性导线起晕电压逐渐增大，阐发湿度对高压直流导线的起晕电压产生了一定影响，周围环境湿度的增多在一定进程上扼制了该导线电晕放电的发生。
2 悬浮液滴荷电特色表征方法 2.1 计及悬浮液滴影响的离子流场筹划模子本文在筹划和分析过程中，引入如下基本假定：
（1）筹划过程中觉得周围空气中的悬浮液滴均匀漫衍。
（2）在相同的电场中，离子的迁徙速度一般高出荷电悬浮液滴迁徙速度2～3个数目级[18]，因此筹划过程中觉得悬浮液滴处于静止景况，不研讨悬浮液滴的动态特色。
（3）由于悬浮液滴在通盘空气中所占的质地分数较小，因此觉得悬浮液滴分歧空气介电常数产生影响。
研讨到荷电悬浮液滴对离子流场的影响，需要在原有的离子流场限定方程中加入悬浮液滴产生的空间电荷，因此用于计及悬浮液滴影响的离子流场限定方程为
式中，j为标量电位；E为电场强度；re为离子空间电荷密度；rw为悬浮液滴空间电荷密度；J为离子流密度；k为离子迁徙率；e0为真空介电常数。
限定方程的鸿沟条款如下：导线名义电压
为运转电压
；电晕笼电位
为0；导线名义电场强度
为起晕电场
强度。则有
（2）
（3）
（4）
离子流场中的悬浮液滴会在电场力和自身热扩散的作用下，吸附电晕放电产生的空间电荷，造成荷电悬浮液滴。随周围环境湿度增多而产生的悬浮液滴粒径大于0.2μm[16]，悬浮液滴的荷电阵势以场致荷电为主，离子流场中悬浮液滴荷电量达到足够的时辰为0.5s傍边，因此不错选择足够场致荷电模子筹划悬浮液滴荷电量[19]
式中，
为悬浮液滴足够场致荷电量；E为悬浮液滴场地位置的电场强度大小；e为悬浮液滴介电常数；r为悬浮液滴半径。
凭证式（5）可得，悬浮液滴空间电荷密度为
式中，N为悬浮液滴数密度。
由式（6）可知，悬浮液滴粒径、数密度和介电常数是影响悬浮液滴空间电荷密度的主要身分，然则不同湿度条款下悬浮液滴的粒径和数密度难以平直测量。为了便于分析和筹划，界说悬浮液滴的荷电因子为
由式（7）可知，荷电因子只与悬浮液滴自己的粒径、介电常数和数密度关系，概述表征了悬浮液滴在单元电场强度下吸附周围空间电荷的本领。荷电因子越大标明悬浮液滴在单元电场中不错吸附的空间电荷越多，荷电本领越强。若悬浮液滴荷电因子已知，即可筹划不同电场强度下悬浮液滴空间电荷密度，进而取得悬浮液滴的荷电特色。
2.3 悬浮液滴荷电因子筹划方法由式（1）～式（7）可知，当导线起晕电压、离子迁徙率等参数均细则的情况下，电晕笼壁处电场强度大小Er是荷电因子θ的函数。
（8）
给定荷电因子后，通过求解限定方程即可取得对应的电晕笼壁处电场强度大小Er，将电晕笼壁处电场强度的筹划值和测量值进行对比，界说误差为
式中，Em为电晕笼壁处电场强度测量值。
当误差值小于某一限值时，即可觉得该荷电因子为现时湿度条款下悬浮液滴的荷电因子。由于悬浮液滴空间电荷密度的引入，同轴圆柱电极离子流场的限定方程不存在剖析解。需要使用数值筹划方法竣事限定方程的求解，本文遴荐好意思丽有限元法对限定方程进行求解。
悬浮液滴荷电因子的具体筹划经过如下：
（1）给定各节点电荷密度初值和荷电因子初值。
（2）筹划悬浮液滴空间电荷密度和各节点总空间电荷密度。
（3）使用有限元法求解泊松方程，取得节点电位漫衍，筹划空间电场。
（4）使用好意思丽元法求解电流流畅性方程，筹划各节点空间电荷密度。
（5）若应承误差死心条款，则筹划误差函数值g(Er)，若不应承误差死心条款，则更新名义电荷密度值，重迭身手（2）～身手（4），直到应承误差死心条款为止。
（6）若筹划的误差值g(Er)≤0.01%，则觉得该荷电因子为现时湿度条款下悬浮液滴的荷电因子，不然更新荷电因子值，重迭身手（2）～身手（5），直到应承误差值g(Er)≤0.01%为止。
筹划经过如图6所示，图顶用于判断是否应承误差死心条款的误差限值如式（10）和式（11）所示。
（11）
式中，σρ为电荷密度迭代误差限值；ρn和ρn-1差异为第n次和第n-1次迭代时导线名义电荷密度值；σE为导线名义电场强度迭代误差限值；Emax和Ec差异为导线名义电场强度最大值和导线起晕电场强度。
2.4 不同湿度条款下荷电因子筹划成果凭证限定方程和荷电因子求解方法可知，为了求取不同湿度条款下悬浮液滴的荷电因子，需要细则该湿度条款下对应的导线起晕电压和离子迁徙率。
本文在筹划过程中使用图5中不同湿度条款下导线起晕电压，不同湿度条款下离子迁徙率为[20]
式中，k为离子迁徙率；T为热力学温度；P为周围环境气压；C和α为只与相对湿度关系的扫数，即
（14）
凭证式（12）～式（14）差异筹划不同湿度条款下正离子迁徙率，筹划成果如图7所示。由筹划成果可知，跟着湿度的增多离子迁徙率逐渐减小，比较于RH=30%条款下，RH=90%条款下的离子迁徙率下落了34.3%。阐发跟着湿度的增大，离子在相同电场中的迁徙速度逐渐减小。
使用三角形剖分阵势对筹划区域进行剖分，为了普及筹划精度，对导线名义和电晕笼壁处的网格进行了细化处理。差异筹划不同湿度、不同导线电压条款下离子流场中悬浮液滴的荷电因子，筹划成果如图8所示。
色域色吧由筹划成果可知，悬浮液滴荷电因子与导线施加电压、周围电场强度无关。RH＜60%环境下荷电因子较小，RH≥60%环境下悬浮液滴的荷电因子随湿度增大马上增多。求取不同湿度、不同电压条款下悬浮液滴荷电因子的平均值，差异使用线性函数对RH＜60%和RH≥60%环境下荷电因子的平均值进行拟合，拟合成果如图9所示。
由拟合弧线可知，在RH＜60%环境下悬浮液滴荷电因子随湿度变化较小，RH=50%时荷电因子为0.032×10-12C/(V·m2)，仅为RH=30%时荷电因子的1.19倍。阐发在RH＜60%环境中悬浮液滴含量较少，且随周围环境湿度变化不大。RH≥60%时，悬浮液滴荷电因子随湿度线性增多，RH=90%时荷电因子为13.23×10-12C/(V·m2)，为RH=80%时荷电因子的1.47倍。两个拟合弧线的交点横坐标约为60%，阐发当周围环境相对湿度大于60%时，空间中会昭着出现悬浮液滴，悬浮液滴含量跟着湿度的增大马上增多。
通过悬浮液滴荷电因子筹划成果可知，相对湿度RH＜60%和RH≥60%环境下悬浮液滴荷电特色有较大区别，因此需要差异对相对湿度RH＜60%和RH≥60%环境下的推行成果和影响身分进行分析。
3 推行成果及影响身分分析 3.1 相对湿度小于60%环境下测量成果及影响身分分析差异绘画导线电压为55kV时，30%、40%和50%相对湿度条款下离子和荷电液滴空间电荷密度，如图10所示。由图10可知，RH＜60%时，悬浮液滴空间电荷密度远小于离子空间电荷密度。电晕笼壁隔壁离子空间电荷密度比液滴空间电荷密度大两个数目级，导线隔壁离子空间电荷密度比液滴空间电荷密度大一个数目级。这主如若由于RH＜60%时，空气中水分含量很少，空气中悬浮液滴的粒径和数密度较小，导致悬浮液滴荷电因子较小，拿获周围空间电荷的本领较差，空间电荷主要以离子为主。
高压直流导线的合成电场主要由三部分构成，差异为标称电场En、离子产生的电场Ei及荷电悬浮液滴产生的电场Ew。将离子空间电荷密度和液滴空间电荷密度筹划成果差异代入式（1）中求解泊松方程，筹划导线电压为55kV时RH＜60%环境下Ei和Ew在合成电场中所占百分比，筹划成果如图11所示。由筹划成果可知，RH＜60%时，Ew所占百分比较小，当RH=50%时，Ew占比仅为0.15%。
说七说八，当RH＜60%时，荷电悬浮液滴对高压直流导线的离子流场影响较小，不错忽略不计。跟着湿度增大，一方面正极性导线起晕电压逐渐增大，扼制了导线电晕放电的发生，使得离子空间电荷密度逐渐镌汰；另一方面离子迁徙率也随湿度逐渐减小。以上两方面共同作用使得电晕笼壁处的电场强度和离子流密度均随湿度增大逐渐减小。因此在RH＜60%条款下导线起晕电压和离子迁徙率随湿度变化是影响离子流场的主要身分。
3.2 相对湿度大于就是60%环境下测量成果及影响身分分析差异绘画导线电压为55kV时，60%、70%、80%及90%相对湿度条款下离子和悬浮液滴空间电荷密度，如图12所示。
由图12可知，RH≥60%时，跟着湿度的增大，液滴空间电荷密度显赫增多。当RH=60%时，导线隔壁离子空间电荷密度是液滴空间电荷密度的2.63倍；RH=70%时，导线隔壁液滴空间电荷密度仍是大于离子空间电荷密度；RH=80%时，液滴空间电荷密度大于离子空间电荷密度的规模进一步增大；RH=90%时，电晕笼壁处液滴空间电荷密度与离子空间电荷密度基本相同。这主如若由于在RH≥60%环境下，空气中水汽含量较高时，水汽会凝结成更大、更多的悬浮液滴，悬浮液滴粒径和数密度均增大，导致悬浮液滴荷电因子较大，拿获周围空间电荷本领变强，悬浮液滴空间电荷密度在空间电荷中占比逐渐增大。
筹划导线电压为55kV时RH≥60%环境下Ei和Ew在合成电场中所占百分比，筹划成果如图13所示。由筹划成果可知，跟着湿度的增大，Ew所占百分比逐渐增大，当RH=90%时，Ew占比仍是达到26.7%。
Fig.13 The proportion of Ei and Ew in the total electric field when the relative humidity is more than 60%
筹划导线电压为55kV时，不同湿度条款下未研讨悬浮液滴影响时电晕笼壁处的合成电场En，并与测量值Em进行对比，对比成果如图14所示。由图14可知，En＜Em，阐发悬浮液滴的存在对电场有一定的增强作用；跟着湿度的增大，En与Em之间的偏差越大。
通过以上分析可知，在RH≥60%条款下，跟着湿度的增大，一方面正极性导线起晕电压逐渐增大，离子迁徙率逐渐减小；另一方面悬浮液滴空间电荷密度逐渐增大，悬浮液滴产生的电场在合成电场中的占比马上增多，悬浮液滴对离子流场的影响不成忽略。固然跟着湿度的增大悬浮液滴空间电荷密度马上增大，使得周围电场发生畸变，对电场有一定的加强作用，然则导线起晕电压增大对电场的缩小作用愈加昭着，导致在RH≥60%环境下合成电场仍随湿度增大而减小。比较于RH＜60%环境下，RH≥60%环境中悬浮液滴荷电本领随湿度增多马上增大，更多的空间电荷被悬浮液滴拿获，导致跟着湿度增大离子流密度下落愈加昭着。因此在RH≥60%环境下，除了需要研讨导线电晕放电特色和离子迁徙率随湿度变化对离子流场的影响外，悬浮液滴特色随湿度的变化也成为了影响离子流场的主要身分之一。
4 论断本文使用东谈主工风景室内的同轴圆柱电晕放电推行平台测量了不同湿度条款下正极高压直流导线的离子流场，通过引入荷电因子的宗旨表征悬浮液滴的荷电特色，基于离子流场测量成果筹划了不同湿度条款下悬浮液滴的空间电荷密度以及合成电场各重量占比，取得以下论断：
1）关于本文的推行平台结构和推行方法而言，跟着周围环境湿度的增大，正极性高压直流导线的合成电场和离子流密度均逐渐减小，导线电压为55kV时RH=30%条款下，RH=90%条款下的合成电场和离子流密度差异下落了10.7%、60.4%，阐发湿度对正极性导线的合成电场影响较小，对离子流密度影响较大。
2）相对湿度小于60%时，空间中悬浮液滴荷电因子较小，真的不随周围环境相对湿度发生变化，荷电悬浮液滴空间电荷密度远小于离子空间电荷密度。50%相对湿度环境下悬浮液滴产生的电场只占合成电场的0.15%。导线起晕电压和离子迁徙率随湿度发生变化是影响离子流场的主要身分。
3）相对湿度大于就是60%时，空间中悬浮液滴荷电因子随湿度升高线性增大。当RH=90%时，电晕笼壁处悬浮液滴空间电荷密度与离子空间电荷密度基本相同，导线隔壁悬浮液滴空间电荷密度大于离子空间电荷密度；悬浮液滴产生的电场占合成电场的26.7%。荷电悬浮液滴随湿度的变化是影响离子流场的主要身分之一。
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Influence of Humidity on the Charge Characteristics of Suspension Droplets and the Characteristics of Ion Flow Field
Abstract In order to define the influence mechanism of humidity on the ion flow field of HVDC conductor， the positive ion flow field of HVDC conductor under different humidity was measured by using the coaxial cylindrical electrode in the artificial climate chamber， and the influence of humidity on the ion flow field was analyzed. By introducing the charging parameter， which is used to characterize the charge capacity of suspension droplets， the charge characteristics of suspension droplets and electric field components under different humidity were calculated. The calculation results show that the charge characteristics of the suspension droplets in the ion flow field are different when the relative humidity is less and more than 60%. When the relative humidity is less than 60%， the charge capacity of suspension droplets is poor and almost does not change with the humidity， the space charge is mainly ions and charged droplets have less effect on the ion flow field， the corona discharge characteristics and ion mobility change with humidity are the main factors affecting the ion flow field. When the relative humidity is more than 60%， the charge capacity of suspension droplets increases linearly with the humidity， and the space charge density of the suspension droplets increases rapidly， which becomes one of the main factors affecting the ion flow field.
Keywords：Humidity， suspension droplet， charge characteristics， ion flow field， influence factor
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210624
中图分类号：TM851
国度当然科学基金资助技俩（52077074）。
收稿日历 2021-04-29
改稿日历 2021-10-20
申南轩 男，1992年生，博士，商议标的为高压直流输电电磁环境。E-mail：shennanxuan@163.com
卢铁兵 男，1970年生，解说，博士生导师，商议标的为先进输变电技能，电力系统电磁兼容。E-mail：tiebinglu@ncepu.edu.cn（通讯作家）
（剪辑 郭丽军）chloe 调教