Коронный разряд на проводах при напряжении переменного тока

Резкое убывание электрического поля по мере удаления от коронирующего провода не позволяет ионам быстро покидать зону ионизации, что приводит к образованию объемного заряда вблизи про;

вода. Для линий переменного тока необходимо, прежде всего, выяснить, взаимодействуют ли друг с другом объемные заряды отдельных фаз. Так как полярность провода непрерывно изменяется, объемный заряд каждой фазы удаляется от провода только в течение полупериода, ибо при перемене полярности он начинает притягиваться к проводу. Максимальное удаление объемного заряда от провода можно оценить по формуле [4]

где к = 1,8 см²/В с — подвижность ионов, Т = 0,02 с — длительность периода, Е_К = 36 кВ/см — начальное напряженность коронного разряда и /о = 1,25 см — радиус провода.

С учетом этих данных наибольшее удаление составляет 40 см, что значительно меньше расстояния между проводами. Таким образом, при напряжении промышленной частоты объемные заряды каждой фазы могут рассматриваться независимо друг от друга, такая корона называется униполярной. Следует, однако, отметить, что измерения и теоретические расчеты показали, что наряду с пульсирующим вокруг каждого провода зарядом имеется небольшая доля заряда, постепенно перемещающаяся к противоположному электроду. Но величина этого заряда невелика и в первом приближении ее можно не учитывать. Рассмотрим изменение объемного заряда в окрестности одного из проводов и напряженности поля на поверхности этого провода при синусоидальном напряжении источника. Допустим, что линия подключилась к источнику в момент нуля напряжения. Показанная на рис. 1.39 синусоида в различных масштабах соответствует напряжению источника U, напряженности поля на поверхности провода Е«р и заряду провода Q»_p = UC, где С — емкость линии на единицу длины при отсутствии короны, которую для краткости принято называть геометрической емкостью.

Корона на проводе загорается в момент времени t когда напряжение станет равным U_K, а напряженность поля на поверхности провода Е_к. При этом образуются стримеры, каналы которых заполнены плазмой и обладают определенной проводимостью. Область, в которой возникают эти стримеры, называется коронным чехлом. Ионизация и сопутствующие ей процессы рекомбинации и перехода возбужденных молекул в нормальное состояние способствует выделению большого количества квантов света, благодаря чему чехол короны светится, создавая своеобразное сияние вокруг провода, откуда и произошло название «корона».

Рис. 1.39. Изменение приложенного напряжения, напряженности поля и суммарного заряда в зависимости от времени.

Часть зарядов с провода по каналам стримеров стекает в окружающее пространство, где создается избыточный положительный заряд (рис. 1.40, а). По мере роста напряжения от U_K до амплитуды {/" каналы стримеров постепенно удлиняются, и по ним непрерывно протекает ток, увеличивающий величину объемного заряда. Наличие этого тока обеспечивает сохранение относительно высокой проводимости каналов, благодаря чему напряженность поля в них, по всей вероятности, значительно меньше Е_к, тогда как на поверхности провода она сохраняется неизменной и равной Е_к. В результате электрическое поле в окрестности провода резко искажается, что коренным образом отличает корону переменного напряжения от случая короны при постоянном напряжении, где искажения электрического ноля невелики.

Рис. 1.40. Объемные заряды в окрестности провода.

В связи с постоянством напряженности на проводе сохраняется неизменным и заряд на проводе Q_np = 2nsor₀E_K, а следовательно, и создаваемое этим зарядом напряжение LF = Q_np / С. Разница напряжений tS.il — U — И (заштрихованные ординаты на рис. 1.41) поддерживается объемным зарядом <2о," который в процессе роста напряжения постепенно увеличивается.

Рис. 1.41. Емкостный и коронный токи.

В момент максимума напряжения объемный заряд достигает предельной величины, а потом суммарный заряд начинает уменьшаться. Естественно, что в источник в первую очередь начинает стекать заряд с провода, но при этом напряженность поля на проводе немедленно становится меньше критической, и ионизация в чехле короны прекращается. В результате каналы стримеров постепенно теряют свою проводимость, и объемный заряд оказывается отрезанным от провода (рис. 1.40, 6). В момент времени? з заряд на проводе Q_np становится равным нулю, но напряжение еще сохранилось положительным за счет влияния объемного заряда. В момент /₄ на проводе появляется отрицательный заряд (рис. 1.40, в), создающий напряжение, по величине равное Д (Ум (рис. 1.39), так что результирующее напряжение становится равным нулю. В момент времени t_s напряженность поля на поверхности провода достигает критической и, следовательно, должна загореться корона отрицательной полярности. При этом мгновенное значение напряжения ?/₀ может быть значительно меньше U_K. Из графика на рис. 1.39 видно, что.

но так как то.

Следовательно, если амплитуда напряжения источника более чем в два раза превышает критическое напряжение короны, отрицательная корона может загореться еще в положительный полупериод напряжения (Uq < 0).

После зажигания короны (?$) вокруг провода начинает образовываться отрицательный объемный заряд, который постепенно компенсирует положительный заряд, оставшийся от предыдущего полупериода (рис. 1.40, г). Полная компенсация объемного заряда наступает в момент времени t_b (рис. 1.39), а к моменту /₇ (амплитуда напряжения) отрицательный заряд достигает своей максимальной величины (рис. 1.40, 0). Далее процесс повторяется и во все последующие полупериоды, кроме первого, во время горения короны источник отдает линии двойной заряд, половина которого тратится на компенсацию заряда противоположного знака, оставшегося от предыдущего полупериода.

На рис. 1.41 приведена кривая тока коронирующего провода линии. На синусоидальный емкостный ток /с, определяемый напряжением источника и геометрической емкостью линии , накладываются коронные пики тока, длительность которых равна длительности горения короны.

Пик тока короны в первый полупериод значительно меньше, чем ток в последующие полупериоды. Ток короны в действительности состоит из большого числа кратковременных импульсов, аналогичных импульсам тока в промежутке «игла — плоскость» при постоянном напряжении. Эти импульсы могут различаться на коротких отрезках провода, но при больших длинах линии они сливаются в суммарный коронный ток, который и показан на рис. 1.41.

Рассмотренный процесс короны (см. рис. 1.39 — 1.41) относится к случаю, когда коронирует весь провод. Такой вид короны называется общей короной и в эксплуатации не допускается. Начальная напряженность короны на практике оценивается по формуле профессора А. М. Залеского, дающей достаточную точность.

где г₀ — радиус провода, т — коэффициент негладкости провода (для витого стали алюминиевого провода т = 0,8), 8 — относительная плотность воздуха. Для нормальных атмосферных условий и радиуса провода г₀ = 1,25 см ?" = 30,6 кВ/см. Чтобы не допустить возникновения общей короны, необходимо уменьшать напряженность на поверхности провода? п_Р. В последнее время это осуществляется путем расщепления провода на несколько составляющих с шагом расщепления d (расстояние между составляющими). Поскольку в эксплуатации возможно сближение между составляющими (рис. 1.42), то при расщеплении принимают d = 40 см.

Рис. 1.42. Распределение напряженности по поверхности провода при различных шагах расщепления с!

Рис. 1.43. Распределение напряженности по поверхности провода при различных числах проводов в расщепленной фазе п.

На рис. 1.43 представлены зависимости напряженности поля на поверхности фазного провода от числа составляющих. Видно, что при увеличении числа составляющих от двух до четырех напряженность электрического ноля уменьшается. Так, например, если для одинарного провода ?_Пов = 30 кВ/см, то при прочих равных условиях напряженность на поверхности провода при расщеплении на четыре составляющих (рис. 1.43) становится равной Е_пр = 14,5 кВ/см. Поэтому в линиях класса напряжения 330 кВ фаза расщепляется на две составляющие, 500 кВ — на три, 750 кВ — на четыре, 1150 кВ — на четыре, шесть и иногда восемь.

Следует заметить, что присутствие соседних фаз вызывает повышение напряженности поля на поверхности провода (рис. 1.44). Здесь для класса напряжения 330 кВ кривая 7, рассчитанная при пренебрежении соседней фазы, и 2 — при ее учете. Видно, что соседние фазы повышают напряженность поля на поверхности провода примерно на 30 %.

Рис. 1.44. К определению влияния соседних фаз.

Если предположить, что линия не коронирует, то потери энергии отсутствуют (если пренебрегать активным сопротивлением проводов и активными утечками по изоляторам), так как энергия, затраченная источником на создание электрического поля в течение одной половины периода, в течение следующей половины периода полностью возвращается в источник. При наличии короны источнику возвращается только часть этой энергии, определяемая зарядами на проводе, а энергия, связанная с объемными зарядами и приблизительно.

au_mq_o6

равная —, сохраняется в виде остаточного электрического поля. В следующий полупериод объемные заряды должны быть компенсированы, и соответствующая энергия затрачивается источником безвозвратно. Таким образом, потери энергии при переменном напряжении связаны с непрерывной перезарядкой чехла короны, которая происходит несинхронно с изменением напряжения. Силой, удерживающей заряд в объеме и не дающей ему вернуться на провод при снижении напряжения, является сопротивление молекул воздуха, в котором двигаются ионы. Поэтому потери на корону идут на увеличение скорости молекул, с которыми сталкиваются ионы, т. е. на нагревание воздуха.

Изменение заряда коронирующей линии можно представить еще более наглядно с помощью вольт-кулоновой характеристики, т. е. зависимости мгновенного значения заряда от мгновенного значения напряжения. Вольт-кулоиовые характеристики при различных амплитудах приложенного напряжения в стилизованном виде показаны на рис. 1.45, где цифрами отмечены характерные точки, соответствующие отдельным моментам времени на рис. 1.39. Прямолинейные участки вольт-кулоновой характеристики соответствуют интервалам времени, когда корона не горит, изменяется только заряд на проводе и, следовательно, наклон вольт-кулоновой характеристики определяется геометрической емкостью линии.

Рис. 1.45. Стилизованные формы вольт-кулоновой характеристики.

Вольт-кулоновые характеристики, определенные экспериментально, в целом соответствуют нарисованной выше картине, однако они имеют более плавный характер, без резких изломов в момент максимума напряжения. Связано это, прежде всего, с тем, что чехол короны не мгновенно теряет свою проводимость, поэтому ионы не сразу застревают в пространстве. Кроме того, последние эксперименты, проведенные в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, показывают, что определенная часть объемного заряда все же каждый полупериод уходит из чехла короны и постепенно перемещается к противоположному электроду.

В качестве примера на рис. 1.46 показано семейство вольткулоновых характеристик, полученных экспериментально в цилиндрическом конденсаторе.

Потери за один период.

пропорциональны площади вольт-кулоновой характеристики § udQ, а потери за единицу времени, т. е. мощность потерь, есть 62.

где/— частота приложенного напряжения.

Рис. 1.46. Семейство вольт-кулоновых характеристик.

Для оценки среднегодовых потерь на корону на трехфазных линиях переменного тока Л. В. Егорова и Н. Н. Тиходеев предложили использовать эмпирическую формулу, справедливую для средней полосы европейской части России и Сибири. Эта формула может быть аппроксимирована зависимостью.

где Р_к — среднегодовые потери трехфазной линии (кВт/км), ?/_ф — действующее значение фазного напряжения (кВ), U _н — действующее значение среднего (по трем фазам) начальное напряжение короны (кВ).

Формула справедлива в диапазоне изменения отношения U^/U_K ^от 0,5 до 1,0. На рис. 1.47 приведены зависимости.

вычисленные по этой формуле для классов наиряжения соответственно: / — 500, 2 — 750, 3 — 1150, 4 — 1500 и 5 — 1200 кВ.

Рис. 1.48. Среднегодовые потери на корону трехфазной линии переменного тока и биполярной линии постоянного тока.

Рис. 1.47. Среднегодовые потери на корону трехфазной линии переменного тока и биполярной линии постоянного тока.

При постоянном напряжении ионы заполняют все пространство между электродами. По этой причине в случае коронирования провода над плоскостью (униполярная линия постоянного тока) ионы накапливаются в области слабого поля вблизи земли, что приводит к ограничению тока короны и, соответственно, к ограничению потерь на корону. Поэтому потери на корону на униполярных линиях постоянного тока значительно меньше, чем на линиях переменного тока. Однако в более реальном варианте биполярной воздушной линии постоянного тока (линия с двумя противоположно заряженными проводами) встречный поток разноименных ионов, образовавшихся в зоне ионизации каждого из проводов, приводит к взаимной нейтрализации объемного заряда в области слабого поля. В связи с этим условия образования и перемещения объемного заряда оказываются близкими к таковым при переменном напряжении. В связи с этим и потери энергии на трехфазных линиях переменного тока (кривая 1, рис. 1.48) и биполярных линиях постоянного тока (кривая 2) с проводами 2хАСУ-400 близки.

В реальных условиях эксплуатации проводов воздушных линий положительная стримсрная корона возникает при напряжениях, значительно меньших (У_н— Причиной образования очагов стримерной (местной) короны является резкое искажение поля при попадании на провод мелких насекомых и частиц органического происхождения. Зимой стримерная корона часто возникает на кристаллах изморози, царапинах и в местах загрязнения поверхности провода. Источники стримерной короны неустойчивы. Для близко расположенных источников стримеров (расстояния более 10−15 см) часто коронирование происходит поочередно.