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  

тогда

_  и решение имеет вид . Посколько . то

Использование постоянных А и В даёт выражение

Напряженность электрического поля  Е=- gradв данном случае

                       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

/2,8/

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

                                                                               /2.11/

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 <пренебрегаем 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