Koronařský výboj: Jak snížit korona efekt
Koronový výboj, také známý jako koronový efekt, je elektrostatický výboj, který nastává, když vodič s vysokým napětím ionizuje okolní tekutinu, často vzduch. Koronový efekt se objeví v vysokonapěťových systémech, pokud nebudou přijaty dostatečné opatření k omezení síly okolního elektrického pole.
Protože koronový výboj znamená ztrátu energie, inženýři usilují o jeho snížení, aby minimalizovali ztráty elektrické energie, produkci ozónu a radiové rušení.
Koronový výboj může způsobit slyšitelné škubnutí nebo trhání, když ionizuje vzduch kolem vodičů. To je běžné u vysokonapěťových elektrických přenosových linek. Koronový efekt může také produkovat fialové světlo, produkci ozónu kolem vodiče, radiové rušení a ztrátu elektrické energie.
Co je koronový efekt?
Koronový efekt se vyskytuje přirozeně, protože vzduch není dokonalý izolant – obsahuje mnoho volných elektronů a iontů za normálních podmínek. Když se vytvoří elektrické pole ve vzduchu mezi dvěma vodiči, volné ionty a elektrony ve vzduchu budou zkušet sílu. Díky tomuto efektu se ionty a volné elektrony zrychlí a pohybují v opačném směru.
Během svého pohybu se nabitá částice srážejí s jinými nabitými částicemi i s pomaleji pohybujícími se nezabitými molekulami. Tím se rychle zvyšuje počet nabitých částic. Pokud je elektrické pole dostatečně silné, dojde k dielektrickému prolomu vzduchu a vznikne oblouk mezi vodiči.
Přenos elektrické energie se zabývá hromadným přenosem elektrické energie z elektráren, které jsou umístěny mnoho kilometrů od hlavních spotřebitelských středisek nebo měst. Proto jsou pro efektivní přenos energie nezbytné dlouhé přenosové vodiče, což vede k velkým ztrátám v systému.
Minimalizace těchto energetických ztrát byla velkým výzvou pro inženýry pracující s elektrickou energií. Koronový výboj může výrazně snížit účinnost EHV (Extra High Voltage) linek v elektrických systémech.
Pro vznik koronového výboje jsou důležité dva faktory:
Musí být dodána střídavá rozdílná elektrická napětí na lince.
Rozestup vodičů musí být dostatečně velký v porovnání s průměrem linky.
Když se střídavý proud pustí přes dva vodiče přenosové linky, jejichž rozestup je v porovnání s jejich průměry velký, vzduch obklopující vodiče (složený z iontů) je vystaven dielektrickému namáhání.
Při nízkých hodnotách zdrojového napětí, nic se nestane, protože namáhání je příliš malé, aby mohlo ionizovat vzduch venku. Jakmile však potenciální rozdíl překročí určitou mez (známou jako kritické destrukční napětí), síla pole se stane dostatečně silnou, aby vzduch obklopující vodiče se rozdělil na ionty – čímž se stane vodivý. Toto kritické destrukční napětí se vyskytuje přibližně při 30 kV.
Ionizovaný vzduch vede k elektrickému výboji okolo vodičů (díky toku těchto iontů). Toto způsobuje slabé luminescentní světlo, spolu s škubnutím a osvobozením ozónu.
Tento fenomén elektrického výboje vyskytujícího se v vysokonapěťových přenosových linech se nazývá koronový efekt. Pokud se napětí na lince nadále zvyšuje, světlo a škubnutí se stávají stále intenzivnějšími – což způsobuje vysoké ztráty energie v systému.
Faktory ovlivňující koronové ztráty
Hlavním rozhodujícím faktorem pro vznik koronového výboje v přenosových linech je napětí vodiče. Při nízkých hodnotách napětí (nižších než kritické destrukční napětí) je namáhání na vzduch nedostatečné, aby došlo k dielektrickému prolomu – a tudíž nedochází k žádnému elektrickému výboji.
S rostoucím napětím dojde k koronovému efektu v přenosové lince kvůli ionizaci atmosférického vzduchu obklopujícího vodiče – tento je hlavně ovlivněn stavem kabelu a fyzickým stavem atmosféry. Hlavní faktory ovlivňující koronový výboj jsou:
Atmosférické podmínky
Stav vodičů
Rozestup mezi vodiči
Podívejme se na tyto faktory podrobněji:
Atmosférické podmínky
Napěťový gradient pro dielektrický prolom vzduchu je přímo úměrný hustotě vzduchu. V důsledku toho během bouřlivých dnů se zvýší počet iontů obklopujících vodič díky kontinuálnímu proudění vzduchu, což zvyšuje pravděpodobnost elektrického výboje oproti jasným dneškům.
Elektrický systém musí být navržen tak, aby akomodoval těmto extrémním podmínkám.
Stav vodičů
Dopad koronového efektu je velmi závislý na vodičích a jejich fyzickém stavu. Tento je nepřímo úměrný průměru vodičů, což znamená, že zvýšení průměru významně snižuje koronový efekt.
Navíc, přítomnost špíny nebo nerovností na vodiči snižuje kritické destrukční napětí, což vodiče činí více zranitelnými na koronové ztráty. Tento faktor je zejména významný v městech a průmyslových oblastech s vysokou znečištěností, kde jsou nezbytné strategie k mitigaci negativních dopadů na systém.
Rozestup mezi vodiči
Rozestup mezi vodiči je klíčovým prvkem pro vznik koronového výboje. Aby došlo k koronovému výboji, musí být rozestup mezi linkami mnohem větší než jejich průměr.
Pokud je však rozestup příliš velký, dielektrické namáhání na vzduch klesne, což snižuje koronový efekt. Pokud je rozestup příliš velký, koronový výboj v této oblasti přenosové linky nemusí vůbec nastat.
Strategie ke snížení koronového výboje
Vzhledem k tomu, že koronový výboj nevyhnutelně vede k ztrátě energie ve formě světla, zvuku, tepla a chemických reakcí, je zásadní použít strategie ke snížení jeho výskytu v vysokonapěťových sítích.
Koronový výboj lze snížit:
Zvětšením průměru vodiče: Větší průměr vodiče vede k snížení koronového efektu.
Zvětšením vzdálenosti mezi vodiči: Zvětšení vzdálenosti mezi vodiči snižuje koronový efekt.
Použitím sbalených vodičů: Sbalené vodiče zvyšují efektivní průměr vodiče – což snižuje koronový efekt.
Použitím koronových kruhů: Elektrická pole jsou silnější v místech ostrých zakřivení vodičů, a proto koronový výboj nejprve nastává v ostrých místech, hranech a rohových částech. Koronové kruhy, které jsou elektricky spojeny s vysokonapěťovým vodičem, obklopují místa, kde je koronový efekt nejpravděpodobnější. Tyto kruhy efektivně "zaobalují" vodiče, snižují ostré hrany povrchu vodiče a distribuují náboj na širší ploše, což snižuje koronový výboj. Koronové kruhy se používají na terminálech velmi vysokonapěťového zařízení (např. na izolačných vývodcích vysokonapěťových transformátorů).
