CN111584147B - 抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法及电介质覆膜极导线 - Google Patents
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Abstract
抑制直流输电线路电晕放电和积污方法及电介质覆膜导线，在极导线表面包覆电介质层，当极导线发生电晕放电时形成介质阻挡放电，放电过程中异极性电荷在电介质层外表面持续附着累积，极导线的原电场和异极性电荷产生的电场方向相反，异极性电荷电场削弱了原始电场，因而，电晕放电会减弱，当合成电场强度低于起晕场强时，电晕放电便会停止；通过形成介质阻挡放电，降低极导线周围电场强度，抑制电晕放电，降低空间污秽颗粒的荷电量，导致驱动空间污秽颗粒被荷电后沉集积污的静电力减小从而抑制积污。本发明有利于抑制高压直流输电线路电晕放电，降低电晕损耗，改善电磁环境，减轻积污，降低外绝缘污闪及设备击穿风险。
Description
技术领域
本发明提出一种抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法和电介质覆膜极导线，属于直流输电线路电晕放电、电磁环境控制及保护领域。
背景技术
直流输电具有输电能力强、损耗小、输送距离不受限制、可实现两侧交流系统之间非同步联网等优点，在点对点、不同区域电网间大容量输送电能中得到工业化应用，目前有±500kV、±660kV超高压输电工程，±800kV、±1100kV特高压输电工程运营。近年来，由于我国的能源需求与资源禀赋呈逆向分布，能源需求主要集中在东部和中部经济较发达地区，而用于发电的煤炭、水电、太阳能和风能资源基地主要分布在远离负荷中心的北部、西北部和西南，相距800-3000km之遥。远距离、大范围跨区域输电的需求促使特高压直流输电快速发展，已有十七条特高压流输电工程建成投运。特高压直流输电已成为我国坚强智能电网和特高压交直流电网建设的重要部分，主要能源输送动脉。另一方面，近年来可用于海上风电并网、交流系统互联、孤岛供电柔性直流输电，±110～±425kV高压直流输电技术快速发展，直流输电技术己经成为我国电力系统输电领域的核心技术。除了输送风电的海底电缆、隧道电缆、高绝缘防护要求等特殊情况外，直流输电路主要采用架空裸导线作为极导线。直流输电的根本特征是输电导线电压极性固定不变，因而产生静电效应。电晕放电使输电导线周围的空中悬浮粒子带上电荷，荷电后的悬浮粒子在电场力作用下做定向运动到达极导线、绝缘子和设备表面，形成直流积污。直流输电线路设施积污远比交流严重，给输电运行带来不利影响甚至威胁运行安全。其中极导线积污后，导线表面粗糙度增加，起晕电压就会降低，电晕放电就会加强，又引发离子流密度增大，合成场强增大，悬浮粒子荷电量增加，导致直流积污就会更加严重。积污和电晕放电两者相互促进，恶性循环。输电线路投运后，随着时间的延长，电晕放电特性持续恶化，电晕损耗持续增大。电晕放电产生的离子流密度、合成场强、无线电干扰、可听噪声也持续增大，电磁环境持续劣化，甚至超标，输电线路就不得不停产改造。电磁环境超标可能对居民身体健康有不利影响，引发环保纠纷而影响电力供应。不仅如此，积污严重容易引发污闪，危害电网安全运营，导致设备因局部放电击穿造成损坏，直流输电线路的污闪风险及局部击穿风险远高于交流输电线路。
目前直流输电线路电晕放电、电磁环境控制主要是通过增大导线截面、增大分列线间距、增加分裂线数、调整极间距，或者采用异型分裂导线等方法使导线表面场强略低于起晕场强。这些措施无法在现有技术水平上降低电晕损耗，并且，无法控制长期运行后积污导致的电晕损耗和电磁环境恶化，长期运行后，可能出现电磁环境超标的现象，无法保证输电线路全寿命周期电磁环境达标。
对于绝缘子积污，外绝缘方面采取增加绝缘子串长度、每隔一定时间重新刷一遍涂料，或清洗绝缘子等措施，在对地高度不变的情况下，外绝缘子串长度增加，杆塔高度就要抬高，外绝缘控制建设成本增加。绝缘子清洗或喷刷涂料带来巨大的运维工作量，并且增加外绝缘控制的运行成本。
对于直流输电备积污引起局部放电导致设备损坏的问题，目前无法阻止设备表面在静电场作用下积污，没有有效的防范方法，只能是每次停电检修期间用人工对清洗设备表面污秽进行清洗，增加了检修工作量，增加了维护费用。
在现有技术中，对于±500kV以下电压等级以下，已有可商业化电缆可供使用，再高电压等级的直流电缆还在研发之中。知名直流电缆生产商ABB公司的直流高压电缆结构如附图1所示，直流高压电缆由导体线芯、内半导电屏蔽层、绝缘体层、外半导电屏蔽层、金属带屏蔽层、径向阻水层、纵向阻水层和防护套组成，共包含八层，结构非常复杂，相应的造价也极高。直流电缆线路输电运行时，金属屏蔽层接地，电缆表面电位为零，因而不存在电晕放电及离子流密度、噪声、无线电干扰合成场强这些电磁环境问题，当然也不存在静电效应引发的积污严重问题。但是，由于屏蔽层接地，极导线的带电电压全部施加在内半导电屏蔽层、绝缘体层、外半导电屏蔽层、金属带屏蔽层上。半导电层很薄，几乎可以说全部电压都施加在绝缘层上，绝缘层承受的电压值就是电压等级值(比如800kV)，绝缘层的设计工作场强为15kV/mm，因而绝缘层很厚，较低电压等级±250kV直流电缆的绝缘层厚度就达22mm，±500kV绝缘层的厚度达到27mm。另外，由于存在空间电荷及电场畸变问题，对绝缘料材质及空间电荷的控制要求也极高，这也是特高压电缆还没有研制出来的主要原因。超厚绝缘层、多层附加材料及严苛的要求致使直流电缆造价极高，±500kV线路使用的JL1/G2A-720/50裸导线价格是36元/m，500kV线路通常采用4分裂导线，4根子导线总价是144元/m，而直流电缆DCYJLW03±525KV1*3000mm2的价格是4000元/m，电缆价格是裸导线价格的27.8倍，用电缆替代裸导线成本过高，根本承担不起。不仅是两种导线价格差的问题，4分裂导线的总重量是9583.6kg/km，而直流电缆的重量是48040kg/km，电缆重量是裸导线的5倍多。悬挂如此沉重的电缆，铁塔、绝缘子及金具等都需要重新设计制造，施工技术及装备也需要做变革，架设成本也会显著增加。所以，用直流电缆代替裸导线控制直流输电线路电晕放电及积污是完全不可行的。
发明内容
为了解决架空直流输电线路长期运行存在的电晕放电持续恶化，电晕损耗持续增加，电磁环境(离子流密度、合成场强、无线电干扰)持续劣化甚至超标的问题，为降低直流积污引发污闪的风险，降低积污导致局部放电的损害，减少清污运行维护工作量，本发明提出了一种介质阻挡抑制电晕放电和积污的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法，所述直流输电线路是指±100kV以上±500kV以下高压架空输电线路、±500kV及以上±800kV以下超高压架空输电线路和±800kV及以上特高压架空输电线路；其特征在于，所述抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法包括以下内容：
在直流输电极导线表面包覆电介质层，当极导线发生电晕放电时，形成介质阻挡放电；
对于正极性放电，在包覆电介质层极导线周围的电离区内电子及其与分子碰撞形成负离子，在电场力作用下快速到达电介质层并附着在其外表面，失去电子的正离子在电场力作用下背离极导线，向电离区之外的扩散区移动形成正离子空间电荷；
对于负极性放电，在电离区失去电子的正离子在电场力作用下快速到达电介质层并附着在其外表面，电子及其与分子碰撞形成负离子在电场力作用下背离极导线向扩散区移动形成负离子空间电荷；
通过电介质层的阻挡作用，持续放电过程中异极性电荷在电介质层外表面持续附着累积，异极性电荷产生的电场与极导线所输送电荷产生的原始电场方向相反，两者同时作用形成的合成电场等于两者之差，异极性电荷电场削弱了原始电场，电介质层表面电场强度降低，电晕放电强度自然减弱，当合成电场强度低于起晕场强时，电晕放电便会停止；
通过形成介质阻挡放电，降低极导线周围电场强度，抑制电晕放电，降低空间污秽颗粒的荷电量，导致驱动空间污秽颗粒被荷电后沉集积污的静电力减小从而抑制积污。
本申请还同时公开了一种利用前述抑制直流输电线路电晕放电和积污方法的电介质覆膜直流输电极导线，其特征在于：
所述电介质覆膜直流输电极导线，其主体结构由导体线芯和包覆导体芯线的电介质层组成。
本发明进一步包括以下优选方案。
所述电介质覆膜极导线的导体线芯为直流±110kV及以上架空输电线路所用裸导线，包括钢芯铝绞线、铝绞线、单股铜线、多股铜线、铜包钢线、铝包钢线、钢芯铝包钢绞线、铝镁硅系合金圆线、铝镁硅合金绞线、钢芯铝合金绞线、碳纤维复合芯导线。
所述电介质层用于阻止异极性电荷到达极导线金属表面，其电阻率为1012-1020Ω·m。
所述电介质层，其介电强度大于100kV/cm，抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
所述电介质层，其材质最低耐受温度不高于-50℃，最高耐受温度不低于100℃；所述电介质层长期工作耐受温度大于输电线路满负荷载流温度。
电介质层厚度δ根据下式确定：δ1≤δ≤δ2；其中，δ1大于等于介质层两侧压差ΔV除以介质层长期工作场强ED-layer，即，δ1≥ΔV/ED-layer；δ2满足在满负荷输送电量的情况下，覆膜极导线长期运行温度比裸线的线芯外表面温度增加值不超过1℃。
所述电介质覆膜极导线还进一步包括半导电层，当导体线芯为多股时，所述半导电层设置在导体线芯和电介质层之间，半导电层粘合在导体线芯上用于填平多股子导线表面，半导体层外表面为等直径的光滑圆周面。
所述半导电层厚度0.1-1mm。
所述电介质覆膜极导线，其半导电层材料由基体树脂、导电添加剂、防老化剂、操作助剂或润滑剂、交联剂和硫化剂组成。
所述基体树脂选用乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸乙酯、乙烯-丙烯酸丁酯中的一种或者其中任一种和其它树脂的混合体。
所述导电添加剂为导电性炭黑、石墨或极细金属微粒，加入量为基体树脂的10wt％-35wt％。
所述半导电层体积电阻率和拉伸强度需满足以下条件：
常温下体积电阻率≤100Ω·cm，90℃时体积电阻率≤1000Ω·cm；拉伸强度≥10MPa，断裂伸长率≥180％。
所述电介质覆膜极导线还进一步包括保护层，所述保护层设置在电介质层外侧。
所述保护层为非导电性保护层，非导电保护层为抗光氧老化、热氧老化、湿热老化、臭氧老化及耐酸性气体腐蚀的电介质层。
所述保护层的厚度为0.1-4mm。
所述保护层的厚度为0.2-1mm。
所述保护层最低耐受温度不高于-50℃，最高耐受温度大于等于100℃。
所述保护层的抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
所述保护层包含聚氯乙烯、乙丙橡胶、硫化硅橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯。
所述保护层为非导电性、耐候性涂层，厚度0.01-1mm。
所述耐候性涂层厚度为0.05-0.6mm。
所述耐候性涂料包括氟烯烃-乙烯基醚共聚物涂料、聚偏二氟乙烯涂料、硅橡胶涂料。
编包、纵包、缠绕、浸涂、涂覆工艺在导体线芯外面包覆半导电层、电介质层或保护层。
本发明的有益效果是：
1.可以用本发明的覆膜导线代替裸线以抑制电晕放电和积污
本发明的覆膜导线与现有直流绝缘电缆显著不同，现有直流电缆所输送电能的标称电压全部施加在绝缘层上，500kV线路电缆绝缘层所承受的电压是500kV，800kV线路电缆绝缘层所承受的电压是800kV，1100kV线路电缆绝缘层所承受的电压是1100kV，这就要求直流绝缘电缆的绝缘层能耐受非常高的电压，设计工作场强15kV/mm，导致绝缘层很厚。高场强、大厚度导致绝缘层内存在电场畸变的问题，对绝缘料材质要求特别高。高质量原料、大厚度绝缘层、复杂的结构致使绝缘电缆的成本极高。而本发明的覆膜导线在输送电能时，线路标称电压施加在导线电介质层和串联的空气介质层上，介质层所承受的电压是kV/cm级，比现有直流电缆绝缘层低一个数量级，因此电介质层很薄，通常1mm以下即可，介质层厚度降低95％以上。由于电介质层承受的电压低、厚度薄空间电场畸变不突出，对介质层材质要求低。本发明的覆膜导线的结构极也比现有电缆简单，比绝缘电缆少5-7层。超薄的厚度、较低的材料品质要求、简单的结构致使本发明的覆膜导线成本远远低于现有直流绝缘电缆。JL1/G2A-720/50钢芯铝绞线，采用本发明方法覆膜后增重6.72％。而对于1250/50裸线，覆膜后仅增重3.60％。对于±500kV直流输电线路，本发明覆膜导线的成本仅为现有直流绝缘电缆的4.1％左右。直流架空输电线路用覆膜导线代替裸线抑制电晕放电和积污是可行，可实现的。
2.利用放电自身产生的异极性电荷产生的电场降低极导线表面电场强度，从而抑制电晕放电，在现有直流输电技术基础上进一步降低电晕损耗，减少输电损失从而减少相应的发电量，减少温室气体排放。
3.导线覆膜形成介质阻挡电晕放电放电，降低电晕放电强度，降低合成场强、离子流密度、无线电干扰和可听噪声等电磁环境排放值，与现有电晕放电控制技术措施抬高导线离地高度、增大导线截面、增大分列线间距、增加分裂线数、调整极间距等方法相比，降低电晕放电和电磁环境控制的建设成本。
4.导线覆膜形成介质阻挡电晕放电放电，能够抑制极导线、绝缘子、金具、设备等直流输电设施表面积污，防止电晕放电与积污相互促进恶性循环导致电晕放电特性恶化，电磁环境劣化超标。
5.导线覆膜形成介质阻挡电晕放电放电，抑制绝缘子表面积污，可降低污闪危害风险，与现有直流输电控制污闪技术措施增加绝缘子串长度(相应需要增加铁塔高度)、每年涂刷防污闪涂料相比，降低外绝缘控制的建设成本和运行维护成本。
6.导线覆膜形成介质阻挡电晕放电放电，抑制直流设施表面积污，能够防止设备因积污导致局部放电击穿损坏设备，能够降低每次停电检修都要清理设施表面造成的人力清污运行维护费用。
7.覆膜导线形成介质阻挡电晕放电放电抑制电晕放电和积污，具有极高的性价比。
附图说明
图1为现有技术中直流高压电缆结构示意图；
图2为本申请电介质覆膜直流输电极导线第一种实施方式结构示意图；
图3为本申请电介质覆膜直流输电极导线第二种实施方式结构示意图；
图4为本申请电介质覆膜直流输电极导线第三种实施方式结构示意图；
图5为验证本申请抑制直流输电线路电晕放电和积污方法效果的实验装置示意图；
图6为直径2mm裸导线与实施例1覆膜导线电晕放电特性对比图；
图7为直径2mm裸导线与实施例1覆膜导线合成场强对比图；
图8为直径4mm裸导线与实施例2覆膜导线电晕放电特性对比图；
图9为直径4mm裸导线与实施例2覆膜导线合成场强对比图；
图10为直径3mm裸导线与具有相同外径的实施例1覆膜导线电晕放电特性对比图；
图11为直径5mm裸导线与具有相同外径的实施例3覆膜导线电晕放电特性对比图。
其中，附图标记的含义如下：
1-导体线芯；2-电介质层；3-半导电层；4-保护层；5-接地极系统；6-屏蔽球；7-绝缘支架；8-高压电极；9-离子流接收模块；10-内部测试板；11-外部屏蔽板；12-场强测试仪；13-裸导线；14-介质层覆膜极导；15-高压直流电源。
具体实施方式：
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本申请公开了一种抑制直流输电线路电晕放电和积污抑制的方法，所述直流输电线路是指±100kV以上高压、超高压以及特高压架空输电线路。包括以下内容：
在直流输电极导线表面包覆电介质层，当极导线表面发生电晕放电时，形成介质阻挡放电。在持续放电过程中异极性电荷被介质层阻挡而在介质层外表面持续累积，同极性电荷在电场力作用下背离极导线向扩散区移动。在介质层外表面累积的异极性电荷产生的电场(用Eion表示)与极导线所输送电荷产生的原始电场(以下简称标称电场，用Esta表示)方向相反，两者同时作用形成的合成电场(用Etotal表示)等于两者之差，即Etotal＝Esta-Eion。异极性电荷电场削弱了原始电场，电介质层表面电场强度降低，电晕放电强度自然减弱，当合成电场强度低于起晕场强时，电晕放电便会停止，因而能抑制电晕放电。
空间颗粒物在直流合成场强中被荷电之后在静电场力驱动下到达设施表面而沉集累积。静电场力F＝qEtotal，这里q是粒子荷电量。静电场力与粒子荷电量、合成电场强度成正比。而粒子荷电量与粒子流密度和场强成正相关性，随离子流密度、合成场强减小而减小。介质阻挡放电抑制电晕放电，使离子流密度减小，合成场强减小，因而，粒子荷电量减小。粒子荷电量和合成场强均减小，导致驱动粒子沉集积污的静电力F减小，因而积污就减少。综上所述，介质阻挡放电在抑制电晕放电的同时，能够抑制直流输电导线、绝缘子、金具、设备等直流输电设施表面积污。
所述电介质覆膜直流输电极导线，其主体结构由导体线芯1和包覆电介质层2组成，如图2所示(第一实施方式)。
所述电介质覆膜直流输电极导线，导体线芯1为110kV及以上架空输电线路所用裸导线，包括但不限于：钢芯铝绞线、铝绞线、单股导线、多股导线、铜包钢线、铝包钢线、钢芯铝包钢绞线、铝镁硅系合金圆线、铝镁硅合金绞线、铝合金绞线、铝合金交心线、钢芯铝合金绞线、碳纤维复合芯导线、扩径导线等等。
所述电介质层2，用于阻止异极性电荷到达极导线金属表面而被中和，其电阻率优选为1012-1020Ω·m。介电强度大于100kV/cm。抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
所述电介质层2，其材质应该能够适应大电流输送，热稳定性好，耐受温度范围优于-50-100℃，最低耐受温度不大于-50℃，最高耐受温度不小于100℃。所述电介质层2长期工作耐受温度大于输电线路满负荷载流温度。
所述电介质层2，其厚度根据介质层承受场强和线芯温度的控制来确定。根据介质层2承受电压确定的介质层厚度δ1等于介质层两侧压差ΔV除以介质层长期工作场强ED-layer，即，δ1≥ΔV/ED-layer；介质层2厚度δ2满足在满负荷输送电量的情况下，覆膜极导线长期运行温度比裸线的线芯外表面温度增加值不超过1℃。介质层厚度δ根据下式确定：δ1≤δ≤δ2。
对于导体线芯1为非单股导线情况，在导体线芯和绝缘体之间电添加半导电层3，结构如图3所示(第二实施方式)。半导电层3粘合在导体线芯上，避免电缆内部电场应力集中，使绝缘表面电场分布均匀，减少导体与绝缘体交界面上的空气气隙，提高电缆起始电晕放电电压和电缆耐游离放电性能。半导电层厚度0.1-1mm，填平多股子导线表面为宜。
所述半导电层3材料基体树脂可用乙烯一乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯一丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯一丙烯酸丁酯(EBA)、电介质层树脂中的一种或者它和其它树脂的混合体。导电添加剂可选择导电性炭黑、石墨或极细金属微粒，加入量为基体树脂的10wt％-35wt％。所述半导电层3常温下体积电阻率≤100Ω·cm，90℃时体积电阻率≤1000Ω·cm；拉伸强度≥10MPa，断裂伸长率≥180％。
所述电介质覆膜极导线，根据线芯材料和环境场合，电介质层2外侧可以添加保护层4，结构如图4所示(第三实施方式)。附图4显示的电介质覆膜极导线包括导体线芯1、半导电层3、电介质层2，在所述电介质层2外设置保护层4。需要说明书的是，当导体芯线1为单股，或者导体线芯1虽然为多股但没有配置半导电层3的情况下，同样可以在所述电介质层2外设置保护层4，不必然需要在导体线芯1与电介质层2之间设置半导电层3。
所述保护层4为耐候性电介质层，含聚氯乙烯(添加炭黑)、乙丙橡胶、硫化硅橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯。厚度0.1-1mm，0.2-0.6mm较佳。
所述保护层4电介质耐受温度范围优于-50-100℃，最低耐受温度不大于-50℃，最高耐受温度大于等于100℃。抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
所述保护层4可以为非导电性保护层，非导电性保护层为耐候性涂层，厚度0.01-1mm，以0.05-0.5mm为佳。所述耐候性涂料包括氟烯烃-乙烯基醚共聚物涂料、聚偏二氟乙烯涂料、硅橡胶涂料。
所述非导电性保护层为耐候性涂层，厚度0.01-1mm，以0.05-0.5mm为佳。所述耐候性涂料包括氟烯烃-乙烯基醚共聚物涂料、聚偏二氟乙烯涂料、硅橡胶涂料。
所述电介质覆膜极导线，采用挤包、注塑、绕包、编包、纵包、缠绕、浸涂、涂覆等工艺在导体线芯外面包覆半导电层3、电介质层2或保护层4。但不限于上述包覆工艺。
所述电介质覆膜极导线也可以用涂层代替电介质层，只是涂层容易破损，不如电介质层牢固结实，运行可靠性差。因此，在本申请中，优选使用电介质层。
实施例1
直径为2mm的圆形铝线，采用挤包工艺包覆厚0.5mm的高密度PE电介质层，形成直径为3mm的PE覆膜导线。
实施例2
直径为4mm的圆形铝线，采用纵包工艺包覆厚0.5mm的聚四氟乙烯电介质层，形成直径为5mm的电介质覆膜导线。
实施例3
直径为3mm的圆形铝线，采用挤包工艺包覆厚1.0mm的XLPE电介质层，形成直径为5mm的XLPE覆膜导线。
实施例4
对于LGJ-300/15钢芯铝绞线，采用挤包工艺，在裸导线上包覆半导电层和电介质层。半导电层厚度0.3mm。电介质层厚度1mm，材质为交联聚乙烯XLPE。
图5所示为验证本申请抑制直流输电线路电晕放电和积污方法效果的实验装置。通过绝缘支架5将电介质覆膜直流输电极导线14(作为高压电极8)固定在接地极系统3的上方，其中，所述极导线14包括导体线芯1和包覆导体线芯1的电介质层2。在电介质覆膜直流输电极导线14两端与绝缘支架7相连的位置处各安装一个屏蔽球6。所述接地极系统5包括一接地铝板，中间部分为内部测试板10，围绕内部测试板10设置有外部屏蔽板11。在内部测试板10上沿着与电介质覆膜直流输电极导线14投影垂直的方向上分两列布置多个离子流接收模块9和场强测试仪12。在本申请的优选实施方式中，布置7块离子流接收模块，步骤9个场强测试仪。
高压直流电源15给电介质覆膜直流输电极导线14供电，形成极导线对接地铝板放电，模拟高压导线相对于大地的放电。极导线离接地铝板的距离可调。接地铝板上布置7块离子流接模块、9个合成场强测试仪。测试实验时直流电源给极导线供电发生普通电晕放电(极导线为裸线)，或者介质阻挡电晕放电(极导线为本发明的覆膜导线)，测试接地铝板上的离子流和合成场强，以此判明电晕放电特性及其强度。
在图5所示实验装置上，直径为2mm的圆形铝线与线芯直径相同的实施例1覆膜介质导线的电晕放电特性曲线对比如图6所示，可见裸导线覆膜形成介质阻挡放电后，电晕电流明显降低，只有裸导线的0.4％～1.2％，电晕放电抑制效果非常显著，电晕损耗显著降低。在极导线施加100kV下，同样线芯直径裸导线和实施例1导线下方合成场强分布如图7所示，可见裸导线包覆电介质层后，地面合成场强明显降低，地面合成场强最大值降低了58.6％。
直径为4mm的圆形铝线与线芯直径相同实施例2覆膜导线的电晕放电特性曲线对比如图8所示，同样显示电晕放电显著减弱，电晕损耗显著降低。70kV刚起晕时，覆膜导线电晕电流是裸导线的19.3％，电压增加以后，覆膜导线电晕电流是裸导线的0.4％～3.1％。在极导线施加100kV下，同样线芯直径裸导线和实施例2导线下方合成场强分布如图9所示，可见裸导线包覆电介质层后，地面合成场强明显降低，地面合成场强最大值降低了43.1％。
直径为3mm的圆形铝线和外径相同实施例1覆膜导线伏安特性曲线对比如图10所示，可见在外径相同情况下，覆膜导线的电晕放电强度仍然是显著降低。覆膜导线电流电晕电流只有裸导线的0.2％～0.4％。直径为5mm的圆形铝线和外径相同实施例3的覆膜导线伏安特性曲线对比如图11所示，覆膜导线的电晕放电强度仍然是显著降低，在裸导线起晕点附近，覆膜导线的电晕电流为裸导线的14.4％，在所施加电压比起晕电压高得越来越多时，覆膜导线的电晕电流只有裸导线的0.7％～2.2％。电晕损耗降低十分显著。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。这里要指出，在本发明技术方案的基础上，更换电介质层材质或用涂层代替电介质层起阻挡作用，或者更换半导电料及厚度参数、更换保护层材质或结构，仍在本发明的保护范围内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (24)
1.一种抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法，所述直流输电线路是指±100kV以上±500kV以下高压架空输电线路、±500kV及以上±800kV以下超高压架空输电线路和±800kV及以上特高压架空输电线路；其特征在于，所述抑制直流输电线路电晕放电和积污的方法包括以下内容：
在直流输电极导线表面包覆电介质层，当极导线发生电晕放电时，形成介质阻挡放电；
对于正极性放电，在包覆电介质层极导线周围的电离区内电子及其与分子碰撞形成负离子，在电场力作用下快速到达电介质层并附着在其外表面，失去电子的正离子在电场力作用下背离极导线，向电离区之外的扩散区移动形成正离子空间电荷；
对于负极性放电，在电离区失去电子的正离子在电场力作用下快速到达电介质层并附着在其外表面，电子及其与分子碰撞形成的负离子在电场力作用下背离极导线向扩散区移动形成负离子空间电荷；
通过电介质层的阻挡作用，持续放电过程中异极性电荷在电介质层外表面持续附着累积，异极性电荷产生的电场与极导线所输送电荷产生的原始电场方向相反，两者同时作用形成的合成电场等于两者之差，异极性电荷电场削弱了原始电场，电介质层表面电场强度降低，电晕放电强度减弱，当合成电场强度低于起晕场强时，电晕放电便会停止；
通过形成介质阻挡放电，降低极导线周围电场强度，抑制电晕放电，降低空间污秽颗粒的荷电量，导致驱动荷电空间污秽颗粒沉集积污的静电力减小，从而抑制积污。
2.一种抑制直流输电线路电晕放电和积污的电介质覆膜极导线，所述直流输电线路是指±100kV以上±500kV以下高压架空输电线路、±500kV及以上±800kV以下超高压架空输电线路和±800kV及以上特高压架空输电线路；其特征在于：
所述电介质覆膜极导线，其主体结构由导体线芯和包覆导体线芯的电介质层组成；
其中，所述电介质层用于抑制直流输电线路电晕放电和积污；
放电过程中异极性电荷在电介质层外表面持续附着累积，异极性电荷产生的电场与极导线所输送电荷产生的原始电场方向相反，两者同时作用形成的合成电场等于两者之差，异极性电荷电场削弱了原始电场，电介质层表面电场强度降低，电晕放电强度减弱，当合成电场强度低于起晕场强时，电晕放电便会停止；
通过形成介质阻挡放电，降低极导线周围电场强度，抑制电晕放电，降低空间污秽颗粒的荷电量，导致驱动荷电空间污秽颗粒沉集积污的静电力减小，从而抑制积污。
3.根据权利要求2所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质覆膜极导线的导体线芯为直流±110kV及以上架空输电线路所用裸导线，包括钢芯铝绞线、铝绞线、单股铜线、多股铜线、铜包钢线、铝包钢线、钢芯铝包钢绞线、铝镁硅系合金圆线、铝镁硅合金绞线、钢芯铝合金绞线、碳纤维复合芯导线。
4.根据权利要求2所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质层用于阻止异极性电荷到达极导线金属表面，其电阻率为1012-1020Ω·m。
5.根据权利要求2或4所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质层，其介电强度大于100kV/cm，抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
6.根据权利要求5所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质层，其材质最低耐受温度不高于-50℃，最高耐受温度不低于100℃；所述电介质层长期工作耐受温度大于输电线路满负荷载流温度。
7.根据权利要求2或6要求所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
电介质层厚度δ根据下式确定：δ1≤δ≤δ2；其中，δ1大于等于介质层两侧压差△V除以介质层长期工作场强ED-layer，即，δ1≥△V/ED-layer；δ2满足在满负荷输送电量的情况下，覆膜极导线长期运行温度比裸线的线芯外表面温度增加值不超过1℃。
8.根据权利要求2所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质覆膜极导线还进一步包括半导电层，当导体线芯为多股时，所述半导电层设置在导体线芯和电介质层之间，半导电层粘合在导体线芯上用于填平多股子导线表面，半导体层外表面为等直径的光滑圆周面。
9.根据权利要求8所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述半导电层厚度0.1-1mm。
10.根据权利要求8或9所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质覆膜极导线，其半导电层材料由基体树脂、导电添加剂、防老化剂、操作助剂或润滑剂、交联剂和硫化剂组成。
11.根据权利要求10所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述基体树脂选用乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸乙酯、乙烯-丙烯酸丁酯中的一种或者其中任一种和其它树脂的混合体。
12.根据权利要求11所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述导电添加剂为导电性炭黑、石墨或极细金属微粒，加入量为基体树脂的10wt％-35wt％。
13.根据权利要求12所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述半导电层体积电阻率和拉伸强度需满足以下条件：
常温下体积电阻率≤100Ω·cm，90℃时体积电阻率≤1000Ω·cm；拉伸强度≥10MPa，断裂伸长率≥180％。
14.根据权利要求2或13所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述电介质覆膜极导线还进一步包括保护层，所述保护层设置在电介质层外侧。
15.根据权利要求14所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层为非导电性保护层，非导电保护层为抗光氧老化、热氧老化、湿热老化、臭氧老化及耐酸性气体腐蚀的电介质层。
16.根据权利要求15所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层的厚度为0.1-4mm。
17.根据权利要求16所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层的厚度为0.2-1mm。
18.根据权利要求15所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层最低耐受温度不高于-50℃，最高耐受温度大于等于100℃。
19.根据权利要求18所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层的抗拉强度大于8MPa，拉断伸长率大于150％。
20.根据权利要求19所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层包含聚氯乙烯、乙丙橡胶、硫化硅橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯。
21.根据权利要求14所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述保护层为非导电性、耐候性涂层，厚度0.01-1mm。
22.根据权利要求21所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述耐候性涂层厚度为0.05-0.6mm。
23.根据权利要求21或22所述的电介质覆膜极导线，其特征在于：
所述耐候性涂层包括氟烯烃-乙烯基醚共聚物涂料、聚偏二氟乙烯涂料、硅橡胶涂料。
24.根据权利要求23所述电介质覆膜极导线，采用挤包、注塑、绕包、编包、纵包、缠绕、浸涂、涂覆工艺在导体线芯外面包覆半导电层、电介质层或保护层。
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2020
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