corona effect on transmission line
简介
在高电压的作用下输电线路导线表面电场强度升高，致使导线周围的空气发生游离放电并显现紫蓝色的辉光和发出轻微的嘶嘶声的现象。电晕放电造成输电线路电能损耗，引起对无线电及载波通信的干扰，甚至引起环境噪声影响。电晕放电所产生的臭氧和氧化氮与周围介质发生化学反应还会加速线路绝缘老化或金属导线和金具的腐蚀现象。对于超高压线路，为了减少电晕损耗和对无线电通信的干扰，保证线路安全经济运行，需要采取措施。输电电压再提高，电晕造成的电能损耗和对环境影响的问题更加突出，在特高压输电线路的设计和运行中，电晕成为关键的技术问题。
电晕放电的形成 当输电线路电压升高，导线表面的电场强度达到一定数值时，将引起紧靠导线周围的空气分子碰撞游离，空间电荷数量增加，造成导线附近小范围内的预放电条件。导线表面粗糙凹凸不平或沾有污秽物的地方，由于局部电场强度特别高，是局部预放电的起源处。这种局部预放电功率很小，也是不稳定的，属于电晕放电的前期。电压继续升高，各局部放电电流逐渐汇集起来，但其数值仍然很小。直到电压升到某一数值，导致电晕放电电流突然增加，开始在导线上看到电晕辉光，接着可以听到电晕放电声。开始产生可见电晕现象的电压，称为电晕起始电压。起始电晕还是局限于导线表面不光洁的地方。随着导线电压的再升高，放电现象才逐渐扩展到导线的全部表面，称为全面电晕。
临界电场强度 开始出现全面电晕时的导线表面的电场强度。由于导线直径和表面状态的差异，外界气候条件变化以及与海拔高度相关的空气密度不同等客观因素的影响，在实际线路上，临界电场强度是各不相同的。各国学者提出过许多计算临界电场强度的公式，其结构相似，只是在采用的系数上有一些区别。最著名的是皮克(F.W.Peek)公式，它是在实验室的条件下，对两根经过特殊加工的光滑等径圆形平行导线进行大量测试的基础上，经过综合分析建立起来的，皮克公式为
式中E0为临界电场强度，kV/cm (最大值);m为考虑实际线路上导线表面状态与实验室中光滑导线的差别的修正系数，一般绞线可取0.82～0.85;r0为导线半径，cm; δ为空气相对密度。
导线表面电场强度超过临界电场强度后，如果电压仍继续升高，则电晕放电现象更为严重，这在一般运行情况下是不允许的，应采取措施加以限制。
电晕损耗 由于线路导线周围空气中的电荷在电场中移动和发光而引起的功率消耗。对于110 kV及以下电压的线路，导线截面一般受经济电流密度或发热条件控制，所选出来的导线总是能够避免电晕的产生。电压在154～220 kV及以上的线路，或者是通过高海拔空气稀薄地区的线路，研究电晕放电及其引起的电能损耗和对无线电及载波通信的干扰就具有实际意义。
关于输电线路电晕损耗值的计算，皮克也曾经用各种不同直径和结构的导线，在各种不同的空气密度、不同频率以及导线表面清洁干燥的状况下进行广泛的实验，提出实验公式为
式中P为每相电晕损耗，kW/km; f为电力系统的频率，Hz; δ为空气相对密度;r0为导线半径，cm; S是相间距离，cm; U为线路相电压，kV; U0为临界电晕电压，kV。公式(2)纯粹是实验公式，不以任何理论作依据。实际上输电线路电晕损耗的大小不但与线路电压、导线规格、导线表面状态、导线排列方式和杆塔尺寸有关系， 而且线路通过地区的气候因素对电晕损耗影响极大。好天气和最不利的气候条件下的电晕损耗相差可达数倍至数十倍之多。雨、雪、霜、雾、露等不同气候条件中，雨对电晕损耗的影响最大。在导线上覆有雾凇的情况下，常常测到很大的电晕损耗值。由于涉及复杂而又多变的诸多因素， 准确计算输电线路的电晕损耗是不可能的。许多国家在建设超高压和特高压输电线路时， 一般都是先在试验线段上进行大量有系统的电晕损耗测量，以取得在不同导线、不同线路参数和不同气候条件下每千米线路的电晕损耗值， 然后结合拟建线路沿线各段一年中各种天气 (一般分为晴天、雪天、雨天和雾凇天四类)出现的分布概率，按公式 (3) 进行年平均电晕损耗的估算， 即
式中Pi为每相电晕年平均损耗，kW/km;n为每相分裂导线的根数;r0为导线半径，cm; Pli为晴天、雪天、雨天、雾凇天四种天气条件下的电晕损耗值(来自试验线段的测量统计)，kW/km;Ti为上述四种天气在一年中的持续时间， h。
电晕干扰 输电线路电晕放电过程中，产生连续重复性的电流和电压脉冲，这些脉冲产生的电磁振荡，导致在电晕导线上出现经常性的电磁辐射，成为干扰源。输电线路电晕干扰可分为两种：一种是从线路辐射的无线电干扰，对收音机和无线电发射台站的天线产生干扰;另一种是沿输电线路传播的干扰信号，影响电力线上高频载波通道的正常工作。输电线路电晕引起的无线电干扰，其频率正好位于调幅广播频带范围以内，所以对广播中调幅波段的收听干扰最为明显。在电晕干扰下，评价收听广播的质量一般用信噪比表示，它是以分贝(dB)表示的信号电平与干扰电平的差值。收听到的无线电广播信号比综合干扰信号平均高出20 dB，如换算到电压，则广播信号电压比干扰信号电压大约高14倍，则可认为收听效果满意。收听到的电力线高频载波通道信号电平至少须比干扰电平高出26 dB。至于对电视广播的干扰主要是由于不良绝缘子和导线或金具上的毛刺放电以及输电线路对电视波的反射所引起的，消除这些缺陷， 电视干扰即可避免。
与电晕损耗类似， 电晕对无线电干扰的强弱也与导线表面状态以及气候条件关系密切。此外，电晕对无线电的干扰电平随着与线路距离的增大， 横向衰减很迅速。一般认为距离线路100 m外， 无线电干扰电平已降低到很弱程度;距离达到200 m，就可能衰减到背景干扰电平以下。
电晕噪声 除电晕干扰外， 电晕放电还伴随产生使人烦恼的可听噪声。与人们生活环境中日常发生的其他噪声相比，对于500 kV及以下电压的高压和超高压输电线路，电晕引起的噪声通常是很小的，不必采取特殊措施予以限制。随着线路电压提高，如750 kV及以上的超高压及特高压输电线路， 电晕噪声问题逐渐突出并引起人们注意， 甚至在一些国家电晕噪声成为建设特高压输电线路的限制因素。输电线路的可听噪声主要发生在坏天气情况下， 由于水滴碰撞或聚集在导线上而促使大量电晕放电，每次放电都发生炸裂声。线路电晕可听噪声有两个特征分量：①宽频带无规则杂乱无章的劈劈啪啪的嘘嘶声噪声;②频率为100 Hz或120 Hz及整倍数的纯音分量交流嗡嗡噪声。可听噪声的强弱决定于导线电晕的强弱， 因而与每相分裂导线的根数和直径的大小以及其表面状态有关， 也随天气变化而有明显差异。雨天在交流线路上，当电场强度为20 kV/cm时， 噪声水平比好天气时增大25 dB(A)。在更高的电场强度下，天气好坏的影响程度则减小。可听噪声也随着与线路横向距离的增大而衰减，但其衰减的速度比对无线电干扰的衰减要慢得多。
降低电晕影响的措施 输电线路电晕放电造成电能损耗、对无线电干扰和引起噪声等多方面不利的影响，随着输电电压不断提高，越来越成为电力系统发展的突出问题。220 kV线路和更低电压的高压输电线路，在一般平原地区， 导线表面电场强度不高，电晕损耗和对无线电干扰一般不需要特别考虑。线路通过高海拔地区， 由于空气稀薄， 临界电晕电压下降，则需要按电晕条件，验算导线的规格是否选择合适，必要时加大导线的规格。330～500 kV超高压输电线路，为减少电晕损耗、降低对无线电的干扰电平，一般都采用相分裂导线，对绝缘子串和金具采取均压和屏蔽等防止电晕措施。在新线路设计时，导线表面电场强度与临界电场强度之比如不超过0.9，则好天气条件下，线路上观察不到全面电晕。国外超高压输电线路所采用的这个比值一般都取0.7～0.8之间，所以电晕损耗都能够控制在较小的数值。500 kV输电线路每千米年平均电晕损耗不过几个千瓦，只占线路电阻损耗的百分之几，无线电干扰电平在好天气时也是很低的。在现有线路升压改造等特殊情况下，为了利用原有的线路，电晕损耗条件可适当放宽， 电场强度允许采用较高的数值。
电晕放电与导线表面状态关系较大， 新建线路运行初期电晕放电比较明显，经过一段时间运行后，导线表面的毛刺、伤痕以及制造过程中沾上的油脂、架线时附着的杂物等逐渐消除，表面光滑程度改善，电晕损耗和无线电干扰电平也相应降低。为了保护导线在架设时不受外伤，少沾外来杂物，超高压输电线路普遍采用张力架线的施工工艺，导线展放和牵引过程均在空中进行，不与地面接触。绝缘子和金具则在造型及制造工艺上采取特殊措施，并通过严格试验，选择防电晕性能良好的产品。对于各种无线电通信设施的干扰，除在线路设计时考虑必要的措施外，还应按照有关规定，使线路与这些设施之间保持一定距离，以保证无线电设施正常工作。为克服电晕对电力线载波高频通信的干扰，一般采用加大载波通信设备的功率等措施，也能达到良好的效果。