إطلاق كورونا: كيفية تقليل تأثير الكورونا
التفريغ الكروني، والذي يُشار إليه أيضًا باسم تأثير الكورونا، هو ظاهرة تفريغ كهربائي تحدث عندما يُشحن موصل بجهد عالٍ فيقوم بإيذان السائل المحيط، غالبًا الهواء. سيحدث تأثير الكورونا في أنظمة الجهد العالي ما لم يتم اتخاذ الرعاية الكافية لتحديد قوة المجال الكهربائي المحيط.
نظرًا لأن التفريغ الكروني يتضمن خسارة للطاقة، فإن المهندسين يسعون لتقليل التفريغ الكروني لتقليل خسارة الطاقة الكهربائية وإنتاج غاز الأوزون وتداخل الإذاعة.
يمكن أن يتسبب التفريغ الكروني في صوت هسهسة أو تشقق يمكن سماعه عند إيذان الهواء حول الموصلات. هذا أمر شائع في خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي. يمكن أن يؤدي تأثير الكورونا أيضًا إلى إصدار ضوء بنفسجي، وإنتاج غاز الأوزون حول الموصل، وتداخل الإذاعة وخسارة الطاقة الكهربائية.
ما هو تأثير الكورونا؟
يحدث تأثير الكورونا بشكل طبيعي لأن الهواء ليس عازلًا مثاليًا - حيث يحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة والأيونات تحت الظروف العادية. عندما يتم إنشاء مجال كهربائي في الهواء بين موصلين، ستتعرض الأيونات والإلكترونات الحرة في الهواء لقوة. بسبب هذا التأثير، تتسرع الأيونات والإلكترونات الحرة وتتحرك في الاتجاه المعاكس.
خلال حركتهم، تتصادم الجسيمات المشحونة مع بعضها البعض ومع الجزيئات غير المشحونة البطيئة الحركة. وبالتالي، يزداد عدد الجسيمات المشحونة بشكل سريع. إذا كان المجال الكهربائي قويًا بما فيه الكفاية، ستحدث انهيار عازل للهواء وسيتشكل قوس بين الموصلين.
نقل الطاقة الكهربائية يتعلق بنقل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، من محطات التوليد الموجودة على بعد كيلومترات عديدة من مراكز الاستهلاك الرئيسية أو المدن. لهذا السبب، تعتبر موصلات النقل على مسافات طويلة ضرورية لنقل الطاقة بكفاءة - مما يؤدي بالضرورة إلى خسائر كبيرة في النظام.
لقد كان تقليل هذه الخسائر من الطاقة تحديًا رئيسيًا للمهندسين المتخصصين في الطاقة. يمكن أن يقلل التفريغ الكروني بشكل كبير من كفاءة خطوط الجهد الفائق (EHV) في أنظمة الطاقة.
هناك عاملان مهمان لحدوث التفريغ الكروني:
يجب توفير فروقات جهد كهربائية متناوبة عبر الخط.
يجب أن يكون الفاصل بين الموصلات كبيرًا بما يكفي مقارنة قطر الخط.
عندما يتم جعل تيار متناوب يتدفق عبر موصلين لخط نقل تكون المسافة بينهما أكبر بكثير من أقطارهما، يتعرض الهواء المحيط بالموصلات (المكون من الأيونات) لضغط عازل.
عند قيم منخفضة للجهد المصدر، لا يحدث شيء لأن الضغط صغير جدًا لإيذان الهواء الخارجي. ولكن عندما تزيد الفرق الكهربائية عن قيمة عتبة معينة (معروفة باسم الجهد الكهربائي الحرجة)، تصبح قوة المجال كافية لإيذان الهواء المحيط بالموصلات وجعله موصلًا. يحدث هذا الجهد الحرجة تقريبًا عند 30 كيلوفولت.
الأيونات الهوائية تؤدي إلى تفريغ كهربائي حول الموصلات (بسبب تدفق هذه الأيونات). هذا يؤدي إلى ظهور ضوء ضبابي خافت، مع صوت هسهسة مصحوبًا بإطلاق غاز الأوزون.
يُعرف هذا الظاهرة التي تحدث في خطوط نقل الجهد العالي باسم تأثير الكورونا. إذا استمر الجهد عبر الخطوط في الزيادة، يصبح الضوء والصوت أكثر شدة - مما يؤدي إلى خسارة طاقة عالية في النظام.
العوامل المؤثرة في خسارة الكورونا
يعتبر جهد الخط للموصل هو العامل الرئيسي المحدد لحدوث التفريغ الكروني في خطوط النقل. عند قيم منخفضة للجهد (أقل من الجهد الحرجة)، فإن الضغط على الهواء ليس كافيًا لحدوث انهيار عازل - وبالتالي لا يحدث أي تفريغ كهربائي.
مع زيادة الجهد، يحدث تأثير الكورونا في خط النقل بسبب إيذان الهواء الجوي المحيط بالموصلات - وهو يتأثر بشكل أساسي بظروف الكابل وكذلك حالة الغلاف الجوي. العوامل الرئيسية المؤثرة في التفريغ الكروني هي:
الظروف الجوية
حالة الموصلات
المسافة بين الموصلات
لنستكشف هذه العوامل بمزيد من التفصيل:
الظروف الجوية
يتناسب التدرج الجهد الكهربائي لانهيار العازل الهوائي بشكل مباشر مع كثافة الهواء. نتيجة لذلك، في الأيام العاصفة، يزداد عدد الأيونات المحيطة بالموصل بسبب تدفق الهواء المستمر، مما يجعل التفريغ الكهربائي أكثر احتمالية من الأيام الصافية.
يجب تصميم نظام الجهد بحيث يراعي هذه الظروف القصوى.
حالة الموصلات
يعتمد تأثير الكورونا بشكل كبير على الموصلات وحالتها الفيزيائية. إن هذا الظاهرة تتناسب عكسياً مع قطر الموصلات، مما يعني أن زيادة القطر تقلل بشكل كبير من تأثير الكورونا.
بالإضافة إلى ذلك، وجود الأوساخ أو الوعورة على الموصل يقلل من الجهد الحرجة، مما يجعل الموصلات أكثر عرضة لخسائر الكورونا. هذا العامل مهم بشكل خاص في المدن والمناطق الصناعية ذات التلوث العالي، حيث تكون استراتيجيات التخفيف ضرورية للتغلب على آثارها السلبية على النظام.
المسافة بين الموصلات
تعتبر المسافة بين الموصلات عنصرًا حاسمًا لحدوث التفريغ الكروني. لكي يحدث التفريغ الكروني، يجب أن تكون المسافة بين الخطوط أكبر بكثير من قطرها.
ومع ذلك، إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، يقل الضغط العازل على الهواء، مما يقلل من تأثير الكورونا. إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، قد لا يحدث التفريغ الكروني على الإطلاق في تلك المنطقة من خط النقل.
استراتيجيات لتقليل التفريغ الكروني
نظرًا لأن التفريغ الكروني يؤدي دائمًا إلى خسارة طاقة على شكل ضوء وصوت وحرارة وأيض كيميائي، فمن المهم استخدام استراتيجيات لتقليل حدوثه في الشبكات ذات الجهد العالي.
يمكن تقليل التفريغ الكروني بواسطة:
زيادة حجم الموصل: يزيد قطر الموصل الأكبر من تقليل تأثير الكورونا.
زيادة المسافة بين الموصلات: يزيد المسافة بين الموصلات من تقليل تأثير الكورونا.
استخدام الموصلات المرتبطة: الموصلات المرتبطة تزيد من القطر الفعال للموصل - وبالتالي تقليل تأثير الكورونا.
استخدام حلقات الكورونا: تكون المجالات الكهربائية أقوى في نقاط الانحناء الحادة للموصلات، ولذلك يحدث التفريغ الكروني أولاً في النقاط الحادة والحواجز. حلقات الكورونا، والتي ترتبط كهربائيًا بالموصل ذو الجهد العالي، تحيط بالنقاط الأكثر عرضة لحدوث تأثير الكورونا. تقوم هذه الحلقات بتوزيع الشحنة على مساحة أوسع، مما يقلل من حدوث التفريغ الكروني. تستخدم حلقات الكورونا في المحطات ذات الجهد العالي جداً (مثل في المحولات ذات الجهد العالي).
التفريغ الكروني والتيار
نظرة أقرب على العلاقة بين التفريغ الكروني وال تيار تكشف المزيد من الأفكار حول تأثير هذه الظاهرة على الأنظمة ذات الجهد العالي.
دور التيار في التفريغ الكروني
يلعب تدفق الشحنة الكهربائية دورًا حاسمًا في حدوث التفريغ الكروني. عندما يتم تطبيق جهد عالٍ على خط نقل، يخلق التيار المتدفق عبر الموصلات مجالًا كهربائيًا حولها.
يؤدي هذا المجال الكهربائي إلى إيذان جزيئات الهواء المحيطة بالموصلات، مما يؤدي إلى تأثير الكورونا.
تناسب شدة التيار المتدفق عبر خط النقل بشكل طردي مع شدة التفريغ الكروني. تولد مستويات أعلى للتيار مجالًا كهربائيًا أقوى، مما يؤدي إلى المزيد من الإيذ
