1.1.11. Коронний розряд
Загальна характеристика коронного розряду. Коронний розряд – один із видів самостійного розряду, що виникає в широкому діапазоні
тисків – від сотень частин Па до атмосферного й вище. Особливість коронного розряду
полягає в тому, що він може не завершитися пробоєм проміжку. Коронний розряд виникає в електрода з
малим радіусом кривизни й горить у вигляді ореолу, що світиться – «корони»
(звідси й назва). Обов'язковою умовою
виникнення коронного розряду є значна неоднорідність електричного поля,
Кн ³ 3. Таке електричне поле виникає в проводах
ліній електропередач, поява коронного розряду в яких приводить до втрат
електричної енергії. Втрати на корону можуть бути істотними й часто виявляються
порівнювальними із втратами джоулева тепла в проводах. Іонізаційні процеси в
коронному розряді відбуваються тільки поблизу електрода з малим радіусом
кривизни, цю зону називають чохлом
корони. Залежно від полярності електрода розрізняють негативну й
позитивну корони. За рахунок процесів ударної іонізації в чохлі корони
безупинно створюються заряджені частки обох знаків. Частки того ж знака, що й
коронуючий електрод, під дією електричного поля виходять із чохла корони в
зовнішню область і поступово переміщаються до протилежного електрода.
Коронний розряд при постійній напрузі. При постійній напрузі розрізняють два види
коронного розряду - уніполярний і біполярний. Уніполярний коронний розряд
(уніполярна корона) виникає в тому випадку, коли коронуючі електроди в проміжку
мають однакову полярність. При уніполярній короні вся зовнішня зона заповнена
зарядами того ж знака, що й коронуючий провід. Розподіл зарядів в уніполярній
короні показаний на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Розподіл заряду в уніполярній
короні
Біполярний коронний розряд (біполярна корона) виникає в тому випадку, коли
коронуючі електроди мають протилежну полярність. Розподіл заряду в цьому
випадку показаний на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Розподіл заряду в біполярній
короні
У зовнішній зоні біполярної корони іони різних знаків рухаються назустріч
один одному. Якби на границі нульового потенціалу (лінія нульового потенціалу
показана штрихпунктиром на рис. 1.11) відбувалася повна рекомбінація іонів,
біполярна корона складалася б із двох не залежний один від одного уніполярних
коронних розрядів. У дійсності на границі розподілу відбувається лише
часткова рекомбінація іонів, і значна їхня частина проникає в зовнішню зону
проводу протилежної полярності. При цьому зменшується сумарний, об'ємний заряд
цієї зони. Для того щоб відновити значення напруги, що забезпечує збереження
початкової напруженості поля на поверхні проводу, іонізація в чохлі корони повинна
зрости й із чохла корони повинен виділитися додатковий заряд для нейтралізації
зарядів, що проникнули. Завдяки цьому струм корони, а отже, і втрати
енергії в біполярній короні значно більше, ніж в уніполярній.
Коронний розряд змушує обмежувати напруженість електричного поля на
поверхні високовольтних електродів багатьох конструкцій і проводів ліній
електропередачі. Обмеження досягаються шляхом збільшення розмірів електродів,
додання їм форми, що забезпечує велику однорідність поля, полірування електродів
і т.д. На лініях електропередачі з номінальною напругою 330 кВ і вище
зниження напруженості електричного поля на поверхні проводів досягається
розщепленням проводів, тобто використанням 4–6 проводів на одну фазу, які
в результаті збільшують ефективний радіус. Початкова напруженість електричного
поля Ек, що відповідає
появі корони, залежить від радіуса кривизни електрода, виду газу, його
відносної щільності й ряду інших факторів. Параметр Ек виявляється важливим при розрахунку втрат енергії на
корону. Початкова напруженість електричного поля, що відповідає появі загальної
корони на одиночному проводі з < 1см розраховується по формулі Піка:
, (1.31)
де Ек
– початкова напруженість запалювання корони, (кВ/см); m – коефіцієнт гладкості проводу (для
добре відполірованого круглого проводу m
= 1); d – відносна щільність повітря; – радіус проводу.
При > 1см розрахунок необхідно вести по формулі Залеского:
(1.32)
Формули (1.31 й 1.32) дають необхідну
точність для оцінки Ек на
проводах як для постійної, так і змінної напруги.
Коронний розряд при змінній напрузі. На змінній напрузі коронний розряд
запалюється при досягненні початкової напруги, рівного напрузі запалювання
корони Uн = Uк при часі t1 (рис. 1.12, а). Навколо проводу утвориться зона
іонізації, якуназивають чохлом корони (рис. 1.12, в). Із чохла корони позитивні заряди виносяться в навколишній
простір й утворять зовнішній об'ємний заряд (ОЗ). Процес коронування триває
доти, поки напруга не досягне Uмакс
при t2. Незважаючи на
підвищення U до Uмакс, напруженість на проводі залишається постійною й
рівною Ек через вплив об'ємного
заряду. Потім напруга починає знижуватися. Синхронно знижується й напруженість
на проводі Еп, що
приводить до загасання корони. Але після загасання корони (після t2) у просторі навколо
проводу залишається позитивний зовнішній об'ємний заряд, що ще віддаляється від
проводу (рис. 1.12, в). Відстань, на
яку віддаляється об'ємний заряд, залежить від напруги на проводі і становить ~ 40…100 см. Різниця потенціалів між
проводом і ОЗ збільшується в міру зменшення напруженості на проводі до часу t3. Ще до досягнення t3 потенціал на проводі
відносно ОЗ набуває негативного значення (умовно при t3). І при t4
(рис. 1.12, а, в), коли напруга досягає U0,
що значно менше Uк,
запалюється негативна корона. При цьому негативно заряджені частинки починають
рухатися від проводу в зовнішню область, а назустріч (до проводу) рухаються
позитивно заряджені частки із зовнішнього об'ємного заряду. Відбувається
релаксація заряджених часток до повної компенсації позитивного зовнішнього ОЗ (t5). Потім накопичується
негативний ОЗ у зовнішній області (t6).
Все це відбувається за час від t4
до t6 (рис. 1.12, а, в). У момент часу t6 (початок зменшення
напруги) негативна корона гасне. Надалі всі ці цикли повторюються, і
запалювання корони на обох полярностях відбувається при U0. Між проведенням і землею має місце ємність С, що
заряджається й розряджається із частотою змінного струму. При цьому між
проводом і землею протікає ємнісний струм ic.
(рис.1.12,б):
. (1.33)
Виникнення коронного розряду в момент t1
приводить до появи струму корони iк,
що накладається на ємнісний струм лінії й спотворює синусоїду струму (мал.
1.12, б). Тривалість піків струму
корони дорівнює тривалості її горіння, тобто до часу t2 (або t4
– t6, t7 – t8).
При змінній напрузі коронування проводів більш інтенсивне, чим при
постійній напрузі, і за інших рівних умов втрати енергії на корону істотно
більші.
На характеристики коронного розряду - початкова напруга, втрати енергії,
радіоперешкоди, шум - значний вплив роблять погодні умови. Атмосферні опади
різко знижують початкову напругу виникнення корони.
Основи розрахунку втрат на корону. Втрати енергії на корону експериментально
можна визначити за допомогою осцилографування вольт-кулонової характеристики.
При цьому втрати за один період визначаються як
, Вт, (1.34)
де Q – величина об'ємного заряду в короні.
З (1.34) слідує, що втрати пропорційні площі, описуваної вольт-кулоновою характеристикою.
Втрати енергії при коронуванні за одиницю часу підраховуються як
, Вт, (1.35)
де f – частота змінного струму.
При проектуванні ЛЕП користуються розрахунковими залежностями втрат енергії
при коронуванню, тому що використання методики розрахунку по
вольт-кулоновій характеристиці зв'язано зі значними труднощами.
Розповсюдженою формулою для розрахунку втрат на корону на змінній напрузі є
емпірична формула Піка:
, квт/км×фаза, (1.36)
де d – відносна щільність повітря; f
– частота, Гц; r0 – радіус одиночного проводу, см; S
– відстань між проводами, см;
UФ – діюче значення фазної напруги, кВ; Uк – напруга виникнення корони, кВ.
, кВ, (1.37)
де m1 – коефіцієнт гладкості
проводу; m2 – коефіцієнт
погоди. Для ідеально гладкого проводу m1
= 1, для реального крученого проводу
m1 =
0,85...0…0,92(залежить від конфігурації проводу).
Для оцінного підрахунку середньорічних втрат всі погодні умови розбивають
на 4 групи: 1) гарна погода; 2) дощ (включаючи мокрий сніг і мряку); 3) сухий
сніг; 4) паморозь (включаючи ожеледь й іній). Найбільші втрати в одиницю часу виникають
при паморозі. Усереднена тривалість різних груп погоди для середньої смуги
європейської частини Росії й Західного Сибіру наведені в табл. 1.3.
Таблиця 1.3
Усереднена тривалість різних груп погоди
Група погоди |
Тривалість
груп погоди за рік (час) |
Тривалість
груп погоди за рік (%) |
Гарна погода |
7120 |
81,3 |
Сухий сніг |
800 |
9,1 |
Дощ |
500 |
5,7 |
Паморозь |
340 |
3,9 |
На лініях електропередачі надвисокої напруги
використовують розщеплені проводи у фазах. У техніку високих напруг прийнята
наступна класифікація класів напруги:
· високі напруги
(ВН) - 1...220кВ;
· надвисокі напруги (НВН) - 330...750 кВ;
· ультрависокі
напруги (УВН) ≥ 1150 кВ.
На рис.
1.13 наведений вид розщепленого фазного проводу ЛЕП 500кВ із радіусом
розщеплення rр, що складається
з 3-х складових n = 3 радіусом r0.
Для визначення втрат при коронуванні для розщеплених проводів
використовують формулу Майра:
×10–5
, (1.38)
де n – число проводів у фазі; f
– частота, Гц; r0 –
радіус одиночного проводу, см; Ек
– напруженість виникнення корони, кВ/с; к
– коефіцієнт погоди; Еэ –
еквівалентна напруженість, кВ/см:
. (1.39)
Неточність розрахунку обумовлена спрощенням обліку погодних
умов, які діляться на дві групи: «гарна» погода (к = 44;
Ек = 17 кВ/см) і «погана»
погода (до = 31,5; Ек = 11 кВ/см). Для середньої
смуги європейської частини Росії й Західного Сибіру втрати на корону для
3-фазних ЛЕП надвисокої напруги можуть розраховуватися по формулі Л. Єгорової і
Н. Тиходеєва:
, кВт/км, (1.40)
де Uн – амплітудне значення
фазової напруги, кВ.
Для визначення втрат на корону протягом року розраховують втрати енергії для
кожної групи погоди, а потім сумують їх з урахуванням тривалості групи протягом
року:
, (1.41)
де yi – відносна тривалість групи погоди; Ркi –
середньорічна потужність втрат при i-й групі погоди.