Корона на проводах линии электропередачи
Поскольку вопросы коронирования имеют самое непосредственное отношение к линиям СВН, рассмотрим их несколько подробнее.
Корона — это один из видов самостоятельного электрического разряда в газах в резко неоднородном электрическом поле. Не вдаваясь в детальное рассмотрение процесса коронирования, что изучается в соответствующих курсах, отметим некоторые моменты, влияющие на конструкцию фазы линий СВН.
Рассмотрим одиночный электрический провод, расположенный на некотором расстоянии от земли и находящийся под напряжением U по отношению к ней. Примем, что этот провод имеет форму гладкого полированного цилиндра радиусом rпр. На поверхности провода возникает равномерное, но неоднородное электрическое поле, напряженность которого уменьшается по мере удаления от поверхности провода. Напряженность этого поля на поверхности провода может быть определена по известной формуле
(1)
где ε0 = 8,85 · 10 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума; ε≈1,0 Ф/м — диэлектрическая постоянная воздуха; С — емкость провода на единицу его длины; q — заряд провода.
При протекании электрического тока по этому проводу возникает также и магнитная составляющая поля. Эти две составляющие (электрическая и магнитная) взаимодействуют на всем протяжении линии, определяя ее электромагнитные свойства. Распределение напряженностей этих составляющих поля около провода приведено на рис. 1.
Влияние земли из-за большого расстояния провод—земля, которое много больше радиуса провода, сказываться не будет. В трехфазной системе влияние соседних фаз на поле одиночного провода будет незначительным из-за больших междуфазных расстояний, и им обычно пренебрегают.
Рис. 1. Распределение напряженностей электрического Е и магнитного Н полей и плотности потока электромагнитной энергии W для крайней фазы линии 1150 кВ при количестве проводов п = 16
Напряженность электрического поля пропорционально возрастает с увеличением емкости провода и уменьшается с увеличением его радиуса. При переменном напряжении напряженность электрического поля во времени также будет изменяться по синусоидальному закону.
Под воздействием этого поля, особенно в зоне вблизи амплитудного значения его напряженности, свободные электроны, имеющиеся в воздухе, будут приобретать дополнительную энергию и ускоряться. Энергия и ускорение будут тем больше, чем больше напряженность электрического поля. Эти электроны при соударениях с атомами газов воздуха будут выбивать из них вторичные электроны, которые также будут ускоряться под воздействием электрического поля провода. При некоторой напряженности поля этот процесс приобретает лавинообразный характер, в результате чего в тонком слое около провода создается ионизированная зона, насыщенная электронами. Эта зона, называемая чехлом короны, внешне проявляется в виде свечения вдоль всего провода, хорошо заметного в сумерках или в темное время суток (рис. 2). Если коронирование охватывает провод по всей его длине, это явление называется общей короной.
Рис. 2. Корона на экранах изоляторов ВЛ
В чехле короны за счет процессов ударной ионизации происходит непрерывное образование заряженных частиц обоих знаков. Частицы, имеющие полярность, противоположную полярности провода, притягиваются к проводу и рекомбинируют на нем. Частицы той же полярности, что и провод, под воздействием электрического поля выходят из чехла короны и образуют ионный объемный заряд, который достаточно медленно перемещается к соседней фазе. Поскольку скорость перемещения ионов из-за большой массы существенно меньше скорости электронов, частицы, образующие объемный заряд, успевают отойти от провода только на расстояние в несколько десятков сантиметров. Лишь единичные заряды успевают дойти до соседней фазы и там рекомбинировать. После перемены полярности провода в следующий полупериод этот заряд притягивается к проводу, там рекомбинирует, и возникает заряд иной полярности.
Перемещение объемного заряда в электрическом поле создает ток короны, который на несколько порядков превышает ток утечки по изоляторам линии. Поскольку перемещение заряда в электрическом поле требует затрат энергии, то коронирование проводов сопровождается потерями энергии, которые определяются значением тока короны. Эти потери в определенных условиях (при плохой погоде) могут достигать больших значений и быть соизмеримыми с потерями энергии на нагрев проводов.
Помимо чехла короны на поверхности провода при достаточно высокой напряженности поля образуются небольшие частичные разряды — стримеры, по которым в пространство, окружающее провод, также внедряется объемный заряд. Эти разряды происходят в виде следующих одна за другой кратковременных вспышек и вызывают протекание импульсных токов разряда. Амплитуда тока разряда и его длительность определяются полярностью напряжения. При положительной полярности амплитуда тока разряда составляет несколько сот миллиампер при длительности около 10 с. При отрицательной полярности напряжения эти импульсы имеют длительность около — 8-10 с амплитуду в десятки миллиампер. Эти разряды вызывают радиопомехи в диапазоне частот от 0,1 до 30 МГц и выше, т.е. они захватывают весь диапазон радиочастот и полосу телевизионных частот.
Таким образом, коронирование проводов линии приводит к дополнительным потерям активной мощности и энергии, что снижает КПД линии и вызывает значительные радиопомехи в зоне, прилегающей к линии. Кроме того, частичные разряды сопровождаются характерным звуковым эффектом, который может быть достаточно сильным и вызывать состояние дискомфорта у людей, находящихся вблизи линии. Этот звук называют акустическими помехами.
Ток короны имеет несинусоидальную форму, т.е. в токе линии появляются токи высших гармоник, что может привести к целому ряду нежелательных эффектов (дополнительные потери мощности, резонансные явления и пр.).
Из сказанного выше следует, что коронирование проводов должно быть по возможности исключено.
В процессе изготовления проводов и их монтажа на поверхности провода всегда образуются различные заусеницы, шероховатости, на которых возникает местное увеличение напряженности электрического поля, в результате чего снижается начальная напряженность возникновения короны. Поэтому для новых смонтированных проводов потери на корону выше. По мере старения проводов (через 3—5 лет) их поверхность несколько выравнивается в результате окисления и загрязнения и потери снижаются.
Кроме того, коэффициент гладкости является функцией погоды. Для каждого вида погоды (дождь, снег, изморозь и пр.) определены свои значения этого коэффициента, которые могут быть много ниже указанных значений. Иголочки инея или изморози, осевшие на провод, имеют очень малый радиус кривизны, что снижает начальную напряженность короны. Различают шесть-семь видов погоды, для каждого из которых определено свое значение этого коэффициента. Например, для изморози, инея, гололеда он принимается равным 0,6; для дождя, снега значение этого коэффициента зависит от их интенсивности, и его можно принять в пределах 0,57—0,73.
Допустимая напряженность поля на поверхности витого провода должна быть меньше начальной напряженности короны с учетом коэффициента гладкости и коэффициента запаса, равного 0,9: 
(2)
Это условие является определяющим при выборе конструкции фазы или при проверке заданной конструкции по условиям коронирования.
Для снижения напряженности поля до допустимого значения необходимо увеличить поверхность провода, т.е. уменьшить плотность заряда. Это может быть достигнуто или за счет увеличения радиуса одиночного провода, или путем распределения заряда фазы по нескольким проводам, т.е. применением так называемых расщепленных проводов.
На практике используются оба пути. Для линий 110—220 кВ, как известно, ограничивается минимально допустимое сечение (радиус провода) по условиям короны, для линий СВН применяются расщепленные провода. Ошиновка подстанций СВН, как правило, выполняется расщепленными проводами, но иногда для этой цели используются медные или алюминиевые трубы необходимого радиуса.
Как показали многочисленные эксперименты и расчеты, условие (2) в случае использования одиночных проводов на линиях СВН может быть выполнено только при их радиусе, значительно превышающем радиус проводов стандартной номенклатуры сечений, выпускаемых промышленностью. Выпуск проводов обычной конструкции с требуемым по условиям короны радиусом неоправдан как с технической, так и с экономической точки зрения. Для решения данной задачи были разработаны иные конструкции проводов — полые и расширенные провода.
Рис. 3. Расширенные провода с каркасной спиралью:
а — АСР-400, d = 34,2 мм; б — АСР-500, d = 34,2 мм; в — АСР-1000, d = 60 мм
Полые провода собирают из отдельных сегментов таким образом, что образуется полый цилиндр требуемого радиуса. Площадь сечения стенок этого цилиндра определяется током линии. Эти провода используются для ошиновки подстанций. Для сооружения линий эти провода не применяются из-за недостаточной механической прочности и сложности монтажа.
В расширенных проводах (рис. 3) на стальной трос навивается с большим шагом каркасная спираль из стальной проволоки большого диаметра и уже на эту спираль в несколько повивов навивается алюминиевая проволока. В результате внешний радиус провода значительно увеличивается. Для некоторых марок расширенных проводов с целью еще большего увеличения радиуса провода используют две внутренние спирали, навитые на стальной трос в разных направлениях. Такие провода в нашей стране были изготовлены и испытаны на опытных пролетах. Однако в дальнейшем они также не получили применения из-за сложностей изготовления и монтажа. Кроме того, линии с одиночными расширенными проводами имеют меньшую натуральную мощность и, следовательно, меньшую пропускную способность по сравнению с линиями, в которых применяются расщепленные провода.
В настоящее время повсеместно для линий СВН используются расщепленные провода. В линиях с расщепленными проводами радиус эквивалентного одиночного провода намного превышает радиус расширенного провода, что влечет за собой более радикальное изменение параметров линии.
Коронный разряд — возникновение, особенности и применение
Коронный разряд — это самостоятельный газовый разряд, возникающий в резко электромагнитных электрических полях в электродах с большой кривизной поверхностью.
Этот разряд может возникнуть на заостренных предметах под высоким напряжением, таких как верхушки деревьев или провода линий электропередачи, при наличии высокого напряжения размыкания поля возле острия электрода.
Коронный разряд имеет широкое применение в различных областях, включая электростатические фильтры, электрофотографию, генерацию озона, очистку воздуха и другие технические процессы.
Явление короны
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).
Процессы при коронировании
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.
Коронный разряд на ЛЭП
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.
Коронирование в воздухе сопровождается фиолетовым свечением области короны, а также характерным шумом и потрескиванием.
В области короны происходят химические реакции, например, образование озона и окислов азота. Последние, образуя с водой азотистую кислоту, оказывают разрушающее действие на органическую изоляцию и металлы. Озон, распадаясь, дает кислород, последний также легко соединяется с металлами и органическими веществами.
Интенсивная ионизация при коронировании делает воздух вокруг коронирующего электрода проводящим. Все это вместе взятое обусловливает потери энергии при коронировании, которая расходуется на нагревание, химическое действие, свет, звук, конвекцию и т. д.
В электрических установках корона является вредной вследствие дополнительных потерь энергии и перечисленных вторичных процессов.
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.
Самостоятельный разряд в его начальной стадии недостаточно интенсивен, поэтому корона получается невидимой. При невидимой короне уже имеются потери, обнаруживаемые приборами.
Критическое коронное напряжение и можно определить как напряжение, при котором зажигается самостоятельный разряд, возникает заметный ток через промежуток и начинаются потери. Помимо этих величин практически представляет интерес определение напряженности поля и напряжения видимой короны, мощности потерь на коронирование и радиуса коронирующего слоя.
Способы борьбы с эффектом коронирования
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.
Антикоронные кольца также уменьшают потери энергии, вызванные коронным разрядом, а также шум и электромагнитные помехи, которые могут влиять на соседние линии связи. Антикоронные кольца также повышают изоляционную способность высоковольтного оборудования, защищая его от пробоя или повреждения.
Они могут быть разных форм и размеров, в зависимости от типа и напряжения оборудования, а также от окружающих условий. Обычно они имеют круглую или овальную форму, но могут быть и многоугольными или звездообразными.
Применение коронного разряда
Практическое применение коронный разряд находит в электростатических очистителях газов, а также для обнаружения трещин в изделиях.
В электростатических фильтрах отрицательные ионы, образовавшиеся вблизи коронирующего отрицательного электрода, обычно проволоки, прилипают к частицам пыли или тумана. Заряженные частицы перемещаются по направлению ко второму электроду и осаждаются на нем.
В копировальной технике коронный разряд используется 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).
Коронный разряд также используется в некоторых методах обработки материалов, например, для повышения адгезии, очистки, активации или модификации поверхности полимеров, металлов, стекла и других материалов. Коронный разряд может изменять химический состав, морфологию, электрические и механические свойства поверхностного слоя материала.
Коронный разряд также используется в некоторых приборах измерения, например, в коронных вольтметрах, которые позволяют измерять высокое напряжение без физического контакта с проводником. Коронный разряд также может служить источником ионов для масс-спектрометрии, ионной мобильности и других аналитических методов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Изоляция высоковольтных элементов электрической системы — Коронный разряд на линии электропередачи
2. КОРОННЫЙ РАЗРЯД НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
2.1. Общая характеристика коронного разряда
В системах электродов с высокой степенью неоднородности электри ческого поля при повышении приложенного напряжения вблизи поверхности электродов возникает разряд характерной формы: область, охваченная разя дом, имеет слабое фиолетовое свечение с нестационарными желтыми тонкие каналами одиночных разрядов — стримеров.
Вблизи электродов /или одного из них при резкой несимметрии неоднородного электрического поля/ наблюдается ореол, поэтому данный разряд называется короной. Появляется она при начальных Uили критических напряжениях. Понятие критичности соответствует переходу системы электродов с электрическим полем в новое состояние, в данном случае состояние неполного самостоятельного разряда. К протяженному коронирующему электроду, например к проводу линии электропередачи, применяется образное выражение «чехол короны». Именно в чехле короны напряженность электрического поля достаточна для ионизации и возбуждения нейтральных частиц газа Эти процессы, а также рекомбинация ионов и электронов определяют световое восприятие короны, ее излучение в ультрафиолетовой зоне. Появление корон в воздухе сопровождается звучанием /шумом/, различаемым на стадии стримеров. В области чехла образуется озон О3, т.е. корона в воздухе есть источник активного окислителя, что воспринимается в малых концентрациях .как свежесть.
Отмеченные эффекты короны для их проявления требуют затрат энергии электрического поля. Однако основная часть потерь энергии на корону связана с иным механизмом, а именно: перемещением заряженных частиц вне чехла так называемой внешней области короны. Частицы, имеющие полярность коронирующего электрода, силами поля отталкиваются от электрода и переме щаются с некоторой скоростью в вязкой среде нейтральных частиц воздух; При смене полярности электрода частицы могут уже притягиваться к нему, а и перемещение с трением в среде переводит энергию электрического поля в теплоту. В целом потери на корону рассматриваются как основная характеристика такого разряда при различных напряжениях системы коронирующих электродов.
Потери энергии на корону понижают экономические показатели протяженных объектов, к которым относятся воздушные линии электропередачи Основная технико-экономическая задача, для решения которой необходимо знать физическую сущность короны, — ограничить потери на корону для лини электропередачи. Для анализа короны удобен цилиндрический конденсатор бесконечной длины /рис.2.1/.
До появления короны в промежутке между электродами от до Rи при приложенном напряжении свободных зарядов нет, и уравнение пол я соответствует дифференциальному уравнению Лапласа в цилиндрической системе координат:
_
Очевидно, что в данном случае
_ и решение имеет вид . Посколько . то
X
Использование постоянных А и В даёт выражение
Напряженность электрического поля Е=- gradв данном случае
| /2.3/ |
Рис. 2.1
Рассмотрим общепринятые эмпирические формулы для расчёта начального градиента короны на проводнике радиуса, см. при относительной плотности воздуха S:
для коаксиальных цилиндров
для параллельных проводов одинаковых радиусов
/2.5/
для системы провод параллельной плоскости
/2.6/
В приведенных формулах напряженность имеет амплитудное значение. Следует заметить, что по сути процесса не должно быть различия значений Ен по формулам, а имеющееся различие скорее связано с погрешностями описания эмпирических данных.
Идеальная система электродов цилиндрического конденсатора (r(),R) однозначно характеризуется начальным напряжением короны
После возникновения короны,когдППосле возникновения короны когда
u >UH , существенно усложняется описание электрического поля в промежутке
При некотором напряжении u > UH
внешняя граница зоны ионизации характеризуется радиусом ги>г. В пределах зоны ионизации существуют как электроны /-/, так и положительные ионы // /рис. 2.2/. Заряженные частицы одинаковой с коронирующим электродом полярности выталкиваются из чехла короны во внешнюю область: при отрицательной полярности электрода электроны, теряя способность активно ионизировав в поле с напряженностью Е < Ен при г >ги образуют отрицательные ионы; положительные ионы из чехла при положительной полярности Эл- Рис2.2 также выходят во внешнюю область. Поток движущихся ионов образует активный ток короны. Скорость радиального перемещения ионов зависит от размера ионов, размеров и плотности в единице объема нейтральных частиц, напряженности поля Е . Мощность потерь на корону
/2.1/
Приложенное напряжение U переменного тока определяет ток корони-рующего провода, который имеет активную и емкостную составляющие. Характерная осциллограмма короны показана на рис. 2.3. Появление тока при напряжении зажигания короны искажает синусоиду емкостного тока в цепи электродов, который определяется
геометрической ёмкостью системы. Полученное искажение может использоваться для оценки начального напряжения UH
Рис. 2.3.
Система электродов, в которой наблюдается корона, может быть симметричной типа игла -игла или несимметричной типа игла — плоскость. В первой системе при напряжении постоянного тока коронируют оба электрода и имеем биполярную корону, во второй системе без смены полярности электродов игла -плоскость корона униполярная.
Биполярная корона в открытом воздушном промежутке характеризуется неполной нейтрализацией разнополярных ионов в плоскости несимметрии, показанной пунктиром на рис. 2.4. Проникновение отрицательных ионов в окрестности электрода положительной полярности способно несколько повысить напряженность электрического поля у этого электрода, что эквивалентно понижению напряжения начала короны, и критическое напряжение UKpстановится меньше начального UH.
 |
Объемный заряд во внешней области короны /вне ее чехла/ создает на
электроде некоторое мгновенное значение напряжения U,, причем полярность
этого напряжения противоположна
полярности объемного заряда.
Уравнение баланса напряжения для электрода имеет вид
Где u- мгновенное значение напряжения источника; — мгновенное значение напряжения, определяемое суммарным зарядом на поверхности эл-да.
После зажигания короны /на рис. 2.3 обозначено объемный заряд внешней области возрастает вплоть до момента максимума напряжения источника. Непосредственно после прохождения максимума напряжение источника начинает понижаться и, идеализируя процесс, сразу отмечаем погасание короны, хотя эксперимент показывает погасание короны через 10 . 15 после достижения максимума напряжения. Причина погасания в том, что к этому моменту объемный заряд достиг максимального значения и
причем с момента зажигания короны до ее погасания в данном полупериоде
напряжение оставалось стабильным
После прохождения амплитуды напряжением источника последний начинает оттягивать на себя заряд с поверхности провода, напряженность поля на ней становится ниже начального значения и корона гаснет. Объемный заряд остается в окрестностях провода. Упрощая, не будем учитывать дальнейшие изменения положения объемного заряда и его значения, тогда действие такого стабильного заряда эквивалентно приложению к электроду напряжения До смены полярности напряжения источника
/2.10/
Следовательно, возможно зажигание короны обратного знака еще в рассматриваемом полупериоде при некотором напряжении источника
Очевидно, при условии напряжение и корона обратного знака зажигается в момент нуля напряжения источника /u=0/. Соответственно при корона обратной полярности зажигается в обратном полупериоде; при им < 2икр корона обратной полярности зажигается еще до прохождения через нуль напряжения, рассматриваемого полупериода.
Ток короны при приложении напряжения постоянного тока к электродам связан с однонаправленным перемещением ионов внешней области от электрода к электроду. Переменное напряжение после зажигания короны в рассматриваемом полупериоде создает движение объемного заряда от провода /электрода/, затем при смене полярности в следующем полупериоде объемный заряд предыдущего полупериода возвращается к проводу и нейтрализуется вновь возникающим объемным зарядом противоположной для него полярности. Вновь возникающий объемный заряд удаляется от провода и т.д. При напряжении переменного тока объемный заряд пульсирует в окрестностях провода.
Объемный заряд удаляется во времени tот электрода со скоростью Vперемещения иона в поле с напряженностью Е , причем в цилиндрическом конденсаторе (рис.2.2.)
где к- подвижность ионов на фронте волны объемного заряда.
При времени существования иона 5. 20 мс в зависимости от полярности
иона подвижность можно принять:
Поскольку для конструкции по рис. 2.1 существует равенство, то Упрощенно представим время удаления зарядов равным полупериоду 0.5Т напряжения, тогда к и при 0,5 В частности, для = 1,08 см;
Кн = 2,2 см2/(В*с);/= 50 Гц; 5= 1 найдём Ен = 40,19 кВ/см и
Корона на проводах воздушной линии электропередачи сопровождается расходованием части электрической энергии на процессы ионизации /примерно 30%/ и на перемещение ионов во внешней области/ примерно 70% всех потерь/. В смысле потерь корона подлежит ограничению и одновременно повышает зарядную мощность линии, что эквивалентно росту ее емкости. Действительно суммарный заряд q коронирующего провода определяется зарядом объемным q и зарядом на поверхности провода q :
/2.13/
После зажигания короны заряд q характеризуется как относительно неизменный, т.е. не связанны с увеличением мгновенного значения u напряжения источника и, соответственно напряжение u=u на проводе /электроде / также стабильно. Разница u между мгновенным напряжением источника u и напряжением ипр компенсируется объемным зарядом. Для возмещения одной и той же разницы иоб необходим различный по величине объемный заряд в зависимости от его удаления от провода /с ростом удаления требуемый заряд увеличивается/. Поскольку для объемного заряда действительно отмечается удаление от провода, то суммарный заряд qKпровода с короной больше заряда провода при том же напряжении и и в случае сосредоточения всего заряда на поверхности провода с геометрической емкостью С . Поэтому фактическая емкость коронирующего провода превышает его геометрическую емкость. В токе короны наряду с активной существует реактивная составляющая 1рк.
Корона искажает кривую емкостного тока провода /см. рис. 2.3/, что равносильно появлению различных гармоник тока. По оценкам проф. В.И.Левитова первая гармоника компенсированного тока имеет относительную величину 0.8. 0.85; третья — 0,2 и пятая — 0,1..0,075. Компенсированный ток является расчетной величиной и соответствует разнице фактического тока коронирующего провода и тока через геометрическую емкость того же провода при одинаковых напряжениях.
В схеме замещения провода по известным потерям Рк на корону рассчитаем утечку:
,
Определенному из осциллограммы фазовому углу сдвига первой гармоники компенсированного тока соответствует Поскольку
/2.14/
где- приращение емкости коронирующего провод
О гладких проводах и короне
Все больше внимания в последние годы на энергетическом рынке уделяется энергоэффективности и инновациям. В связи с этим всё больше сетевых компаний применяют новые разработки в области проводов для ВЛ. Например, провода с гладкой поверхностью – провода с Z-повивом внешних проволок (AAAC-Z), а также трапециевидных(ACCC). Мировая практика показывает, что замена проводов старых конструкций на новейшие и применение инновационных технологий в значительной степени снижают риски выхода ВЛ из строя по причине повреждений и воздействия экстремальных погодных условий, обеспечивают решение экологических проблем и способствуют в полной мере энергоэффективности и энергосбережению. В отличие от стандартных сталеалюминиевых проводов типа АС, эти провода имеют практически гладкую поверхность, что меняет значения коронного разряда на поверхностях этих проводов по сравнению в АС.
Коронный разряд, или корона – это самостоятельный разряд, возникающий в резко неоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи.
Поскольку суммарные годовые потери энергии на корону составляют заметное значение и могут достигать 40% от потерь на нагрев проводов, они оказывают влияние на технико-экономические характеристики линии электропередачи, и их необходимо учитывать. Основным фактором, определяющим потери на корону на ВЛ, является отношение напряженности электрического поля на поверхности проводов к начальной напряженности короны. Небольшое изменение этого отношения приводит к существенному изменению потерь на корону.
На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности, поэтому при одинаковых с гладкими проводниками напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше, и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряженности коэффициент гладкости т учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов марки АС принятый для расчётов коэффициент гладкости т = 0,82. Чем ближе поверхность провода к гладкой, тем ближе коэффициент гладкости к единице.
Рис. 1. Электрическое поле у поверхности многожильного провода
Наши рекомендации по значениям коэффициента гладкости т для расчетов:
1. Для проводов ACCC
- 0,9 — для проводов с внешним повивом из 9-10 проволок и диаметром 15-19мм;
- 0,95 — для проводов с внешним повивом из 10-12 проволок и диаметром 20-26мм;
- 0,98 — для проводов с внешним повивом из 13 и больше проволок и диаметром свыше 26мм.
Рис. 2. Провод с композитным сердечником
2. Для проводов AAAC-Z
- 0,9 — для проводов с внешним повивом из 8-10 проволок и диаметром 15-19мм;
- 0,95 — для проводов с внешним повивом из 10-12 проволок и диаметром 20-22мм;
- 0,98 — для проводов с внешним повивом из 13 и больше проволок и диаметром свыше 23мм.
Рис. 3. Провод с Z-повивом верхних проволок
Для унификации расчетов мощности потерь на корону при всех группах погоды введена базисная величина начальной напряженности поля на поверхности проводов, соответствующая появлению общей короны в условиях хорошей погоды.
Для ВЛ с одиночными проводами рабочая напряжённость:
Где = 1,1U — линейное напряжение, кВ;
Dср– среднегеометрическое расстояние между проводниками фаз, см;
r0 – радиус проводника, см;
т – коэффициент гладкости провода.
Экономически приемлемые потери мощности на корону имеют место при
и это соотношение является определяющим при выборе сечений проводов линий электропередачи по условию ограничения потерь на корону.
Данные, приведённые в ПУЭ 7 говорят о том, что на ВЛ 220кВ минимальные диаметры проводов ВЛ по условиям короны составляют 21,6 и 24 мм для проводов марки АС.
Для сравнения с АССС: возьмем близкие диаметры провода, выполним расчёт по вышеприведенным формулам. Условия: хорошие погодные условия, среднеэксплуатационное напряжение – 1,1U, среднегеометрическое расстояние – реальное расстояние для существующих конструкций опор П220-3.
Наименование
Диаметр
Начальная напряженность короны, Eн , кВ/см