Koronaentladung: Wie man den Koronaeffekt reduziert
Corona-Entladung, auch als Corona-Effekt bezeichnet, ist ein elektrisches Entladungsphänomen, das auftritt, wenn ein Leiter mit hoher Spannung die umgebende Flüssigkeit, oft Luft, ionisiert. Der Corona-Effekt tritt in Hochspannungssystemen auf, es sei denn, genügend Sorgfalt wird darauf verwendet, die Stärke des umgebenden elektrischen Feldes zu begrenzen.
Da die Corona-Entladung einen Energieverlust verursacht, suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, die Corona-Entladung zu reduzieren, um den Verlust elektrischer Leistung, die Produktion von Ozongas und Rauschstörungen zu minimieren.
Die Corona-Entladung kann ein hörbares Zischen oder Knistern erzeugen, da sie die Luft um die Leiter ionisiert. Dies ist in Hochspannungs-Stromübertragungsleitungen üblich. Der Corona-Effekt kann auch einen violett glühenden Schein, die Produktion von Ozongas um den Leiter, Rauschstörungen und einen Verlust elektrischer Leistung verursachen.
Was ist der Corona-Effekt?
Der Corona-Effekt tritt natürlich auf, weil Luft kein perfekter Isolator ist – sie enthält unter normalen Bedingungen viele freie Elektronen und Ionen. Wenn in der Luft zwischen zwei Leitern ein elektrisches Feld etabliert wird, erfahren die freien Ionen und Elektronen in der Luft eine Kraft. Aufgrund dieses Effekts werden die Ionen und freien Elektronen beschleunigt und in entgegengesetzte Richtungen bewegt.
Die geladenen Teilchen stoßen während ihrer Bewegung gegenseitig und auch mit langsam bewegten ungeladenen Molekülen zusammen. Somit nimmt die Anzahl der geladenen Teilchen schnell zu. Ist das elektrische Feld stark genug, kommt es zum dielektrischen Durchschlag der Luft und es bildet sich ein Bogen zwischen den Leitern.
Die Stromübertragung befasst sich mit dem Massentransfer von elektrischer Energie, von Erzeugungsanlagen, die oft viele Kilometer von den Hauptverbrauchszentren oder Städten entfernt liegen. Aus diesem Grund sind Fernleitungen von größter Bedeutung für eine effektive Energieübertragung – was unweigerlich zu großen Verlusten im System führt.
Die Minimierung dieser Energieverluste war eine große Herausforderung für Energietechniker. Die Corona-Entladung kann die Effizienz von UHVS (Ultra-Hochspannungsleitungen) in Stromsystemen erheblich reduzieren.
Zwei Faktoren sind wichtig für die Entstehung der Corona-Entladung:
Wechselnde elektrische Potenzialunterschiede müssen über die Leitung angelegt werden.
Der Abstand der Leiter muss im Vergleich zum Leiterdurchmesser groß genug sein.
Wenn Wechselstrom durch zwei Leiter einer Stromleitung fließt, deren Abstand im Vergleich zu ihren Durchmessern groß ist, wird die umgebende Luft (bestehend aus Ionen) einem dielektrischen Stress ausgesetzt.
Bei niedrigen Werten der Versorgungsspannung passiert nichts, da der Stress zu gering ist, um die Luft außerhalb zu ionisieren. Sobald jedoch der Spannungsunterschied einen bestimmten Schwellenwert (bekannt als kritische Durchschlagsspannung) überschreitet, wird das Feld so stark, dass die umgebende Luft in Ionen zerfällt – wodurch sie leitfähig wird. Diese kritische Durchschlagsspannung liegt bei etwa 30 kV.
Die ionisierte Luft führt zu einer elektrischen Entladung um die Leiter (aufgrund des Flusses dieser Ionen). Dies führt zu einem schwachen leuchtenden Glühen, begleitet von einem Zischgeräusch und der Freisetzung von Ozon.
Dieses Phänomen der elektrischen Entladung in Hochspannungsleitungen wird als Corona-Effekt bezeichnet. Wenn die Spannung über den Leitern weiter zunimmt, wird das Glühen und das Zischgeräusch immer intensiver – was zu einem hohen Leistungsverlust im System führt.
Faktoren, die den Corona-Verlust beeinflussen
Die Leiterspannung ist der Hauptfaktor für die Corona-Entladung in Übertragungsleitungen. Bei niedrigen Spannungswerten (kleiner als die kritische Durchschlagsspannung) ist der Druck auf die Luft nicht hoch genug, um einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen – daher findet keine elektrische Entladung statt.
Mit zunehmender Spannung tritt der Corona-Effekt in einer Übertragungsleitung auf, da die umgebende Atmosphäre ionisiert wird – er wird hauptsächlich durch den Zustand des Kabels sowie den physikalischen Zustand der Atmosphäre beeinflusst. Die Hauptfaktoren, die die Corona-Entladung beeinflussen, sind:
Atmosphärische Bedingungen
Zustand der Leiter
Abstand zwischen den Leitern
Lassen Sie uns diese Faktoren näher betrachten:
Atmosphärische Bedingungen
Das Spannungsgefälle für den dielektrischen Durchschlag der Luft ist direkt proportional zur Luftdichte. Folglich sind an stürmischen Tagen die Anzahl der Ionen um den Leiter aufgrund des ständigen Luftflusses erhöht, wodurch die elektrische Entladung wahrscheinlicher ist als an klaren Tagen.
Das Spannungssystem muss so gestaltet sein, dass es diese extremen Bedingungen berücksichtigt.
Zustand der Leiter
Der Einfluss der Corona-Entladung hängt stark von den Leitern und ihrem physischen Zustand ab. Das Phänomen ist umgekehrt proportional zum Durchmesser der Leiter, was bedeutet, dass eine Erhöhung des Durchmessers den Corona-Effekt erheblich reduziert.
Darüber hinaus reduziert die Anwesenheit von Schmutz oder Unebenheiten auf dem Leiter die kritische Durchschlagsspannung, was die Leiter anfälliger für Corona-Verluste macht. Dieser Faktor ist besonders in Städten und Industriegebieten mit hoher Verschmutzung von Bedeutung, wo Maßnahmen zur Minderung seiner negativen Auswirkungen auf das System erforderlich sind.
Abstand zwischen den Leitern
Der Abstand zwischen den Leitern ist ein entscheidendes Element für die Corona-Entladung. Für die Entstehung der Corona-Entladung sollte der Abstand zwischen den Leitungen viel größer als ihr Durchmesser sein.
Ist der Abstand jedoch zu groß, nimmt der dielektrische Druck auf die Luft ab, was den Corona-Effekt reduziert. Ist der Abstand zu groß, kann es in diesem Bereich der Übertragungsleitung überhaupt nicht zu einer Corona-Entladung kommen.
Strategien zur Reduzierung der Corona-Entladung
Da die Corona-Entladung unweigerlich zu Leistungsverlusten in Form von Licht, Schall, Wärme und chemischen Reaktionen führt, ist es entscheidend, Strategien anzuwenden, um ihre Auftretenshäufigkeit in Hochspannungsnetzen zu minimieren.
Die Corona-Entladung kann reduziert werden, indem:
Der Leiterdurchmesser vergrößert wird: Ein größerer Leiterdurchmesser führt zu einer Verringerung des Corona-Effekts.
Der Abstand zwischen den Leitern erhöht wird: Ein größerer Abstand zwischen den Leitern reduziert den Corona-Effekt.
Bundel-Leiter verwendet werden: Bundel-Leiter erhöhen den effektiven Durchmesser des Leiters – wodurch der Corona-Effekt reduziert wird.
Corona-Ringe verwendet werden: Elektrische Felder sind an Punkten scharfer Krümmungen des Leiters stärker, weshalb die Corona-Entladung zuerst an scharfen Kanten und Ecken auftritt. Corona-Ringe, die elektrisch mit dem Hochspannungsleiter verbunden sind, umgeben die Punkte, an denen der Corona-Effekt am wahrscheinlichsten auftritt. Sie "runden" die Leiter effektiv aus, verringern die Schärfe der Leiteroberfläche und verteilen die Ladung über eine größere Fläche, was die Corona-Entladung reduziert. Corona-Ringe werden an den Enden sehr hochspannungsbelasteter Ausrüstungen (wie an den Buchsen von Hochspannungstransformatoren) verwendet.
Corona-Entladung und Strom
Ein genaueres Hinsehen auf die Beziehung zwischen Corona-Entladung und Strom liefert weitere Erkenntnisse über den Einfluss dieses Phänomens auf Hochspannungssysteme.
Die Rolle des Stroms bei der Corona-Entladung
Der Fluss elektrischer Ladung spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Corona-Entladung. Wenn eine hohe Spannung auf eine Übertragungsleitung angewendet wird, erzeugt der durch die Leiter fließende Strom ein elektrisches Feld um sie herum.
Dieses elektrische Feld ionisiert die Luftmoleküle um die Leiter, was zu dem Corona-Effekt führt.
Die Größe des durch die Übertragungsleitung fließenden Stroms ist proportional zur Schwere der Corona-Entladung. Höhere Stromstärken erzeugen ein stärkeres elektrisches Feld, was zu mehr Ionisation und einer höheren Wahrscheinlichkeit der Corona-Entladung führt.
Strom und Corona-Verluste
Die Wechselwirkung zwischen Strom und Corona-Entladung trägt erheblich zu Leistungsverlusten in Übertragungssystemen bei. Mit zunehmendem Strom wird die Corona-Entladung intensiver, was zu einem höheren Verlust an Licht, Wärme, Schall und Ozonproduktion führt.
