Коронация в электроустановках что такое

Корона на проводах и защита от нее

Коронный разряд − один из видов самостоятельного разряда в воздухе. Этот разряд возникает в условиях резко неоднородного электрического поля в ограниченном объеме воздуха, прилегающем к проводу, где напряженность электрического поля E_n достаточна для ударной ионизации. Во всем остальном объеме воздуха Е значительно ниже, чем в активной зоне, поэтому ударная ионизация здесь невозможна. Глубина активной зоны у проводов порядка 1 см.

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле [6]:

,

где − плотность воздуха, m − коэффициент гладкости провода.

На линиях электропередач применяются провода, свитые из большого числа проволок. Для проводов различных марок коэффициент гладкости равен m= 0,82−0,94.

Корона бывает местной и общей. Местная корона возникает на неровностях провода ЛЭП, она допустима. А вот общая корона, которая возникает по всему периметру провода, недопустима по следующим причинам:

1. Она приводит к большим потерям.

2. Вызывает радиопомехи и акустический шум.

3. Приводит к коррозии провода.

Корона на проводе возникает, если радиус провода меньше минимально допустимого. Напряженность на проводе зависит от радиуса провода

где С_о, U −емкость и напряжение провода по отношению к земле;

ε_о − диэлектрическая проницаемость вакуума.

Для ЛЭП–110 кВ минимальным сечением является АС–70, при меньшем сечении начинается корона. А для ЛЭП–220 кВ минимальным сечением является АС–260.

Для напряжения 330 кВ и выше по условию возникновения короны необходимы провода очень большого диаметра, значительно превышающий диаметр провода, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности. Для этих напряжений можно применять расширенные провода. Они имеют очень большой диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности (ниже напряженности коронирования), а для сокращения площади поперечного сечения их делают полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено еще в 1910 году академиком В.Ф. Миткевичем [6] и состоит в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра, расположенных на равных расстоянии по окружности (рис.3.1).

Рис.3.1. Расщепление провода (а) и подвеска провода ЛЭП−500 кВ (б)

Cуществует оптимальное число фаз расщепления: на 330 кВ – 2 составляющих; на 500 кВ – 3 (рис.3.1б); на 750 кВ – 4; на 1150 кВ – 8.

Но наибольшее влияние на максимальную напряженность электрического поля провода оказывает диаметр расщепления (рис.3.2).

Рис. 3.2. Зависимость максимальной напряженности электрического поля провода от диаметра расщепления

На 500 кВ D_опт »30 см, а на 1150 кВ D_опт »80 см. Уменьшение диаметра менее D_опт приводит к резкому возрастанию Е и коронированию. А небольшое увеличение свыше D_опт существенно не увеличивает максимальной напряженности, но уменьшает индуктивность провода. Поэтому на 500 кВ обычно принимают D »40 см, а на 1150 кВ D »100 см.

При выборе проводов для линий электропередачи 500−1150 кВ переменного тока большой протяженности должны учитываться и другие негативные проявления короны, которые могут оказывать существенное влияние на окружающую среду.

Это: во-первых, характерное шипение и гул, создающие возрастающие с ростом числа составляющих акустические шумы, неприятно воспринимаемые населением, живущим вблизи линии, в особенности при слабом дожде, мокром снеге и конденсированной влаге, когда образуется общая корона на многочисленных каплях, осевших на проводах. Этот гул не должен превосходить нормированного уровня на краю регламентируемой полосы от крайних проводов.

Во-вторых, возникающие на положительном полупериоде напряжения многочисленные стримерные разряды длиной несколько сантиметров в местах концентрации напряженности электрического поля на проводе, порождают короткие импульсы тока (с фронтом 10−100 нс и хвостом волны порядка 100 нс), которые, в свою очередь, возбуждают синусоидальные высокочастотные токи в проводе. В силу этого воздушные линии электропередачи являются источником помех радиоприему. Чем выше напряженность Е_о на поверхности провода, тем больше на нем источников стримерных разрядов и тем выше уровень радиопомех. Частотный спектр радиопомех в важном для радиоприема диапазоне (100 кГц−10 МГц) обнаруживает монотонное снижение уровня радиопомех с увеличением частоты. На одной и той же частоте уровень радиопомех быстро снижается по мере удаления от крайних проводов линии. Величина Е_o на поверхности проводов воздушных линий 500 и 750 кВ должна быть выбрана так, чтобы за пределами нормированной зоны от крайних проводов был бы возможен устойчивый радиоприем в преобладающую часть года. Для уменьшения радиопомех требуется тщательно сконструированная и проверенная линейная арматура, исключающая общую корону на ее узлах.

Источник

Эффект короны ЛЭП — высоковольтных линий электропередач

Главная страница » Эффект короны ЛЭП — высоковольтных линий электропередач

Передача электроэнергии от генерирующих станций, расположенных на удалении от основных центров потребления (заводов, сёл, городов), практически связана с массовым переносом электричества. По этой причине используются кабели передачи мощности на большие расстояния. Однако кабельная технология транспортировки чревата значительными потерями. Достижение минимальных потерь эффективности — серьезная задача энергетиков, требующая четкого представления о типах и характере потерь энергии. Доминирующая роль в редуцировании эффективности линий передачи сверхвысоких напряжений приходится на эффект короны. Что это такое? Попытаемся разобраться.

Что такое эффект короны энергосистемы?

Когда переменный ток подается по двум проводникам линии электропередачи, расстояние между проводниками имеет значение. Чем больше это расстояние по сравнению с диаметрами проводников, тем меньше окружающая проводники атмосфера подвергается диэлектрическому напряжению.

При низких значениях конечного напряжения питания ионизация наружного воздуха минимальна или отсутствует совсем.

Однако если разность потенциалов проводников увеличивается и выходит за пределы некоторого порогового значения (обычно в районе 30 кВ), образуется фактор критически разрушающего напряжения.

В этом случае напряженность электрического поля увеличивается, окружающий воздух испытывает напряжение, достаточно высокое, чтобы начался процесс диссоциации на ионы. А такой процесс, в свою очередь, приводит к возникновению проводимости атмосферы.

Ионизированное окружение по причине активного потока ионов сопровождается электрическим разрядом между двумя линиями, который изначально выглядит в виде слабого люминесцентного свечения, сопровождаемого характерным шипящим звуком — результат высвобождения озона.

Практический пример формирования эффекта короны на высоковольтной линии электропередачи по причине значительной напряжённости окружающего воздуха. Также факторами подобного явления могут выступать иные причины

Это явление электрического разряда, возникающего на линии передачи с высоким значением напряжения, носит название — эффект короны энергосистемы.

Продолжение увеличения напряжения на линиях, как правило, сопровождается проявлением более интенсивного свечения и усиления шипящего звучания. При этом энергосистема испытывает значительные потери мощности.

Факторы влияния на эффект короны энергосистемы

Конечно же, линейное напряжение проводника является основным определяющим фактором эффекта короны в линиях электропередачи. При условии передачи низких значений мощности (меньше критического разрушающего напряжения) напряжённость окружающего воздуха слишком мала для диссоциации. Следовательно, электрический разряд – эффект короны, отсутствует.

При увеличении напряжения в линии передачи, эффект короны происходит из-за высокой ионизации атмосферного воздуха, окружающего электрические кабели. Поэтому явной видится также зависимость образования эффекта короны от условий размещения кабеля и физического состояния атмосферы. Рассмотрим эти критерии более подробно:

Атмосферные условия для эффекта короны ЛЭП

Теоретически доказано, что градиент напряжения для диэлектрического пробоя атмосферного воздуха прямо пропорционален плотности окружающей атмосферы. Следовательно, в условиях ненастной погоды, по причине непрерывного воздушного потока, количество ионов, окружающих электрические проводники, существенно возрастает.

Благодаря специально внедрённым изоляторам в систему линии электропередач удаётся обеспечить требуемое расстояние между отдельными проводниками. Однако в условиях ненастной погоды такая модернизация может стать бесполезной

Образуется большая вероятность появления электрических разрядов – эффектов короны, на высоковольтных линиях электропередач в условиях ненастной погоды (дождь, сильный ветер, град и т.п.).

Риски образования эффекта короны увеличиваются по сравнению с условиями, когда отмечается спокойная и ясная погода. Поэтому энергосистему необходимо разрабатывать с учетом экстремальных погодных ситуаций.

Состояние электрических кабелей и эффект короны

Явление эффекта короны достаточно сильно зависит от качества проводящих материалов – их физического состояния. Здесь отмечается обратная пропорциональная связь относительно диаметров проводящих материалов.

Другими словами — увеличение диаметра электрических проводов существенно уменьшает риск возникновения эффекта короны.

Кроме того, наличие загрязнений или шероховатостей поверхности проводника также снижает критическое напряжение пробоя, благодаря чему уменьшаются риски появления эффекта короны.

Следовательно, в условиях городов и промышленных зон с высоким уровнем загрязнения воздуха этот фактор имеет своего рода положительное значение в плане противодействия негативным последствиям хаотичных электрических разрядов.

Интервал между проводниками ЛЭП

Условием образования эффекта короны является определённое расстояние между проводниками электрической линии. Это значение расстояния следует поддерживать значительно выше по сравнению с диаметром проводов, транспортирующих энергию.

Исследование проводника на риски проявления электрических разрядов в условиях непогоды, в частности проверяется граница прочности при условиях дождливой (сырой) окружающей атмосферы

Между тем если увеличивается длина линии электропередачи выше определенного предела, диэлектрическое напряжение атмосферы уменьшается. Следовательно, риск возникновения электрических разрядов также снижается.

На практике отмечено: на линиях электропередачи, имеющих значительную длину, эффект короны проявляется крайне редко или не проявляется вообще.

Правила практического снижения риска эффекта короны

Итак, для обеспечения контроля над хаотичным электрическим разрядом рекомендуется придерживаться следующих правил:

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник

Коронный разряд

Коронный разряд – это процесс ионизации воздуха вдоль провода под действием сильных электромагнитных полей.

Теория ионизации воздуха

Ионизацию воздуха заметили давно, но не сумели правильно истолковать. С появлением в середине XVIII века первых электростатических генераторов разряд стал обычным явлением. Даже успели попробовать на себе жестокое действие лейденской банки. Истинные опыты с электричеством начались после изобретения Вольтой гальванического источника энергии.

Первую в мире дугу получил в 1802 году русский учёный с запоминающейся фамилией Петров. Он предсказал возможность использования сего для целей освещения. Сильную досаду вызывает факт, что весь учёный мир обратил внимание на явление. И оказывалось ясно, куда в действительности течёт электрический ток. Ведь отрицательный угольный электрод заострялся под действием дуги, а на аноде образовывалась небольшая ямка. Учёный мир увидел в этом правоту Бенджамина Франклина: заряды наращивают отрицательный угольный стержень, будучи положительны. И лишь к началу XX века, когда опыты с катодными лучами дали первые результаты, стало понятно, что 100 лет назад совершена большая ошибка.

При горении дуги пять шестых светового потока даёт анод. Его температура в стандартных физических опытах составляет 4000 градусов Цельсия. Это на 1000 больше, нежели у катода, дающего 10% светового потока. Прочее берётся от дуги непосредственно, за счёт мерцания ионизированного газа. При столь высоких температурах начинают плавиться даже керамика и вольфрам. Сварку изобрели гораздо позже, с 80-х годов (XIX века) электрод угольный, позже Н.Г. Славянов предложить использовать металлический.

Опыт Павлова повторил Дэви, прочие дугой пока не занимались. С его подачи началось исследование разряда в среде газа. Обнаружены первые линейчатые спектры. Фарадей и Уитстон в 30-х годах изучали разряд в разреженных газах. Видя усердие англичан, иностранный инженер, принявший российское подданство, Якоби попробовал применить угольный стрежень для освещения улиц Санкт-Петербурга (1846 год). Но анод быстро выгорал, увеличивая искровой промежуток, и лампа гасла. Ситуацию решил Яблочков, это уже случилось через 30 лет, когда век угольных разрядников подходил к концу. Они находили применение в узких областях долгое время, к примеру, при освещении неба в период Второй мировой войны и отражения вражеских налётов.

Катушка Румкорфа (ориентировочно 1846 год) окончательно убедила людей, что высокое напряжение способно создать искру, а Никола Тесла показал, что при помощи экрана Фарадея даже простой смертный сумеет направлять молнии в нужном направлении. Языки пламени в ночном небе над башней Ворденклиф называют самым невероятным коронным разрядом в истории человечества, если не считать устроенного позднее великим изобретателем на крышах Нью-Йорка.

Схема возникновения коронного разряда

Точного определения коронного разряда в литературе не встречается. По простой причине нежелания авторов разбираться с темой и обилием дублирующейся информации, упускающей смысл из содержания. Определение коронного разряда, данное в начале, тоже нельзя назвать физически точным. Корректная трактовка большинством читателей не воспримется из-за наличия специфических особенностей. В физике принято прохождение тока через воздух делить на три участка, видных на графике:

Разряд, наблюдаемый визуально, называется искровым и возникает после начала второго роста кривой. Вначале присутствует тихий разряд, глазу не заметный. Его часто называют несамостоятельным, нужен внешний ионизирующий фактор, чтобы поддержать движение носителей. Понижение напряжения вызывает немедленную рекомбинацию всех носителей.

Искровой разряд отмечается при напряжениях, где возможна лавинообразная ионизация. Искры проскакивают с частотой от 400 Гц и выше, что сопровождается различимым шумом. Напряжение после каждого разряда падает, чем обусловлено наличие свободного интервала. Визуально искры сливаются в одну. Подвидами указанного типа ионизации считаются родственные разряды:

Коронный разряд ведёт к потере энергии на линии ЛЭП и происходит непрерывно, что различимо на слух как низкочастотный гул и треск. В дождливую погоду сопротивление провода падает, возможно появление языков ионизированного воздуха в виде маленьких молний, идущих вдоль провода или шаров. Коронный разряд используется в фильтрах очистки воздуха (ионизаторах, люстрах Чижевского), улавливая частицы дыма, пыли, заставляя их оседать.

Электрическая дуга

Сказанное выше не позволяет точно понять электрическую дугу. При определённом значении напряжения начинается ударная ионизация воздуха. Если разница потенциалов падает, ток не меняется либо растёт (см. газоразрядные лампы и люминесцентные лампы). Это так называемый участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Процесс, идущий между электродами, именуется дугой. Разряд разжигается высоким напряжением и сближением стержней, а затем идёт самостоятельно.

Известно, что сварщик стучит электродом по детали, чтобы начать ударную ионизацию. Потом электрод удаляется, а дуга остаётся, не гаснет. Напряжение тоже низкое. В этом заключается особенность дуги. Это объясняет, почему открытые линии ЛЭП не несут вольтаж выше 2 МВ. А дальше начинается коронный разряд, возникает дуга, чтобы потушить, приходится приложить немало усилий.

Тесла строил башню Ворденклиф, чтобы добиться передачи энергии посредством коронного разряда. Созданной дуге предписывалось лететь на приёмник, а оттуда излучаться дальше, вокруг всего Земного шара. По замыслу Теслы требовалось построить передатчики, ловившие языки молний. Безопасность обеспечивалась высокой частотой напряжения (радиодиапазон).

Суммируя, нужно заметить, что электрическая дуга по-иному называется самостоятельным разрядом, процесс может поддерживаться.

Механизмы ионизации

Коронный разряд образуется на геометрических изломах вследствие повышенной напряжённости поля в этой области. На указанном принципе работают нейтрализаторы и стекатели. Явления, наблюдаемые при газовом разряде, количественно описываются двумя коэффициентами Таунсенда:

Оба коэффициента растут вместе с разницей потенциалов. После несамостоятельного разряда отмечается лавинообразная ионизация с образованием меж электродами облака положительного заряда. Этот момент соотносится с возникновением короны. Дальнейшее повышение напряжения приводит к нарушению стационарности положительного облака, и ток начинает колебаться в районе конкретного значения.

Изложенное называется теорией Роговского и поясняет, где возникает корона, как образуется искрение. Все определяется полётом электронов и пространственным распределением заряда. Главный признак – не происходит короткого замыкания цепи при коронном разряде, как происходит при искрении (кратковременно) или дуге (постоянно).

Коэффициент альфа определяет удалённость свечения от электрода. Гамма скорее характеризует геометрическую форму поверхности и разницу потенциалов, приведшую к появлению разряда.

Особенности коронного разряда

Коронный разряд обычно возникает в месте с наименьшим радиусом кривизны. Если это линия, максимальная вероятность образования проявляется на механическом дефекте. Область наиболее частого возникновения заряда называется коронирующей, либо коронирующим электродом. Проводник – под положительным или отрицательным потенциалом. Соответственно, различают и короны аналогичного рода (см. выше).

Положительный и отрицательный разряд отличаются внешним видом. В первом случае свечение равномерное, во втором имеются эпицентры по поверхности провода. Механизм процесса меж электродами:

Важно! Критическое и искровое напряжение отличаются для положительной и отрицательной короны.

Итак, коронный разряд в лабораторной установке является предшественником искрового, а искровой – дугового. На практике при номинальном напряжении сети электрики не слишком беспокоятся о защите. Возможно повысить вольтаж на 10% без особого ущерба, если в указанной местности не бывает частой непогоды, преимущественно песчаных бурь.

Если расстояние между электродами слишком мало, коронный разряд не образуется: после несамостоятельного немедленно идёт искровой. Провода в ЛЭП стараются разнести на дистанцию, применяют керамические изоляторы. Коронный разряд часто заменяется кистевым, если присутствует ярко выраженное острие. Оба лишь формальное обозначение идентичного явления.

Источник

В условиях резко неоднородных электромагнитных полей, на электродах с высокой кривизной наружных поверхностей, в некоторых ситуациях может начаться коронный разряд — самостоятельный электрический разряд в газе. В качестве острия, подходящей для данного явления формы, может выступать: острие, провод, угол, зубец и т. д.

Главное условие для начала разряда — вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов.

Для воздуха в нормальных условиях (при атмосферном давлении), предельное значение электрической напряженности составляет 30кВ/см, при такой напряженности на острие электрода уже появляется слабое свечение, напоминающее по форме корону. Вот почему разряд называется коронным разрядом.

Для такого разряда характерно протекание процессов ионизации только возле коронирующего электрода, при этом второй электрод может выглядеть вполне обычно, то есть без образования короны.

Коронные разряды можно наблюдать иногда и в природных условиях, например на верхушках деревьев, когда этому способствует картина распределения природного электрического поля (перед грозой или в метель).

Процесс формирования коронного разряда протекает следующим образом. Молекула воздуха случайно ионизируется, при этом вылетает электрон.

Электрон испытывает ускорение в электрическом поле возле острия, и достигает достаточной энергии, чтобы как только встретит на своем пути следующую молекулу — ионизировать и ее, и снова вылетает электрон. Число заряженных частиц, движущихся в электрическом поле возле острия, лавинообразно увеличивается.

Если острым коронирующим электродом является отрицательный электрод (катод), в этом случае корона будет называться отрицательной, и лавина электронов ионизации будет двигаться от коронирующего острия — в сторону положительного электрода. Образованию свободных электронов способствует термоэлектронная эмиссия на катоде.

Когда движущаяся от острия лавина электронов достигает той области, где напряженности электрического поля оказывается уже не достаточно для дальнейшей лавинной ионизации, электроны рекомбинируют с нейтральными молекулами воздуха, образуя отрицательные ионы, которые далее становятся носителями тока в наружной от короны области. Отрицательная корона имеет характерное ровное свечение.

В случае, когда источником короны является положительный электрод (анод), движение лавин электронов направлено к острию, а движение ионов — наружу от острия. Вторичные фотопроцессы возле положительно заряженного острия способствуют воспроизведению запускающих лавину электронов.

Вдали от острия, где напряженность электрического поля не достаточна для обеспечения лавинной ионизации, носителями тока остаются положительные ионы, движущиеся в сторону отрицательного электрода. Для положительной короны характерны стримеры, распускающиеся в разные стороны от острия, а при более высоком напряжении стримеры приобретают вид искровых каналов.

На проводах высоковольтных линий электропередач тоже возможна корона, причем здесь это явление приводит к потерям электроэнергии, которая в основном расходуется на движение заряженных частиц и частично на излучение.

Корона на проводах линий возникает в том случае, когда напряженность поля на них превосходит критическую величину.

Корона вызывает появление высших гармоник в кривой тока, которые могут резко усилить мешающее влияние линий электропередач на линии связи, и активной составляющей тока в линии, обусловленной движением и нейтрализацией объемных зарядов.

Если пренебречь падением напряжения в коронирующем слое, то можно принять, что радиус проводов, а следовательно, и емкость линии периодически увеличиваются, причем колебание этих величин происходит с частотой, в 2 раза большей, чем частота сети (период этих изменений заканчивается в течение полупериода рабочей частоты).

Так как на потерю энергии при короне в линии существенное влияние оказывают атмосферные явления, то при расчете потерь необходимо учитывать следующие основные виды погоды: хорошая погода, дождь, изморозь, снег.

Для борьбы с данным явлением, провода ЛЭП расщепляют на несколько штук, в зависимости от напряжения на линии, чтобы уменьшить локальные напряженности вблизи проводов, и предотвратить образование короны в принципе.

Благодаря расщеплению проводов уменьшается напряженность поля вследствие большей поверхности расщепленных проводов по сравнению с поверхностью одиночною провода того же сечения, причем заряд на расщепленных проводах увеличивается в меньшее число раз, чем поверхность проводов.

Меньшие радиусы проводов дают более медленный рост потерь на корону. Наименьшие потери на корону получаются, когда расстояние между проводами в фазе будет 10 — 20 см. Однако из-за опасности зарастания гололедом пучка проводов фазы, что вызовет резкое увеличение давления ветра на линию, расстояние принимают равным 40 — 50 см.

Кроме того на высоковольтных ЛЭП применяют антикоронные кольца, представляющие собой тороиды из проводящего материала, обычно металла, который прикреплен к терминалу или другой аппаратной части высоковольтного оборудования.

Роль коронирующего кольца заключается в распределении градиента электрического поля и понижении его максимальных значений ниже порога короны, таким образом коронный разряд предотвращается полностью, либо разрушительные эффекты разряда хотя бы переносятся от ценного оборудования — на кольцо.

Практическое применение коронный разряд находит в электростатических очистителях газов, а также для обнаружения трещин в изделиях. В копировальной технике — для заряда и разряда фотобарабанов, и для переноса красящего порошка на бумагу. Кроме того, при помощи коронного разряда можно определить давление внутри лампы накаливания (по размеру короны в одинаковых лампах).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник