تخلیه کرونا، که به آن اثر کرونا نیز گفته میشود، پدیدهای است که زمانی رخ میدهد که هادی حامل ولتاژ بالا مایع محیطی (اغلب هوا) را یونیزه میکند. این اثر در سیستمهای ولتاژ بالا رخ خواهد داد مگر اینکه مراقبت کافی برای محدود کردن قدرت میدان الکتریکی محیط صورت گیرد.
چون تخلیه کرونا شامل از دست دادن انرژی است، مهندسان تلاش میکنند تا تخلیه کرونا را کاهش دهند تا از دست دادن برق، تولید گاز اوزون و تداخل رادیویی را به حداقل برسانند.
تخلیه کرونا میتواند صدای سیس یا ترک خوردن را در هنگام یونیزه شدن هوا حول هادیها ایجاد کند. این موضوع در خطوط انتقال برق ولتاژ بالا معمول است. اثر کرونا میتواند نوری بنفش، تولید گاز اوزون حول هادی، تداخل رادیویی و از دست دادن انرژی برق را نیز ایجاد کند.
اثر کرونا به طور طبیعی رخ میدهد چون هوا یک عایق کامل نیست و تحت شرایط عادی شامل الکترونهای آزاد و یونهای زیادی است. وقتی یک میدان الکتریکی در هوا بین دو هادی ایجاد میشود، یونها و الکترونهای آزاد در هوا نیرویی را تجربه میکنند. به دلیل این اثر، یونها و الکترونهای آزاد شتاب میگیرند و در جهت مخالف حرکت میکنند.
ذرات باردار در طول حرکت با یکدیگر و با مولکولهای غیرباردار کند حرکت برخورد میکنند. بنابراین تعداد ذرات باردار به سرعت افزایش مییابد. اگر میدان الکتریکی قوی باشد، فشار دیالکتریک هوا رخ خواهد داد و یک قوس بین هادیها تشکیل خواهد شد.
انتقال برق با انتقال انبوه انرژی الکتریکی، از ایستگاههای تولیدی که چند کیلومتر دور از مراکز مصرف یا شهرها قرار دارند، سروکار دارد. به همین دلیل، هادیهای انتقال در مسافتهای دور برای انتقال موثر برق ضروری هستند - که در نتیجه به از دست دادن انرژی زیاد در سیستم منجر میشود.
کاهش این از دست دادنهای انرژی چالش بزرگی برای مهندسان برق بوده است. تخلیه کرونا میتواند به طور قابل توجهی کارایی خطوط EHV (ولتاژ فوق بالا) در سیستمهای برق را کاهش دهد.
دو عامل برای رخ دادن تخلیه کرونا مهم است:
اختلافات پتانسیل الکتریکی متناوب باید در خط اعمال شود.
فاصله بین هادیها باید نسبت به قطر خط بزرگ باشد.
وقتی جریان متناوب در دو هادی یک خط انتقال که فاصله بین آنها نسبت به قطر آنها بزرگ است، جریان یابد، هوا محیطی که حول هادیها قرار دارد (که شامل یونها است) به فشار دیالکتریک مواجه میشود.
در مقادیر کم ولتاژ تغذیه، هیچ چیزی رخ نمیدهد چون فشار کم است تا هوا خارج را یونیزه کند. اما وقتی اختلاف پتانسیل فراتر از یک مقدار آستانه (که به عنوان ولتاژ مخرب بحرانی شناخته میشود) افزایش یابد، قدرت میدان به اندازه کافی قوی میشود تا هوا محیطی که حول هادیها قرار دارد به یونها تجزیه شود و آن را رسانا کند. این ولتاژ مخرب بحرانی در حدود ۳۰ کیلوولت رخ میدهد.
هوا یونیزه شده باعث تخلیه الکتریکی حول هادیها (به دلیل جریان این یونها) میشود. این امر منجر به نوری کمرنگ، همراه با صدای سیس و آزادسازی اوزون میشود.
این پدیده تخلیه الکتریکی که در خطوط انتقال ولتاژ بالا رخ میدهد به عنوان اثر کرونا شناخته میشود. اگر ولتاژ در خطوط ادامه یابد، نور و صدای سیس بیشتر و بیشتر شدت مییابد - که منجر به از دست دادن انرژی بالا در سیستم میشود.
ولتاژ خط هادی عامل اصلی تعیین کننده تخلیه کرونا در خطوط انتقال است. در مقادیر کم ولتاژ (کمتر از ولتاژ مخرب بحرانی)، فشار روی هوا به اندازه کافی قوی نیست تا شکست دیالکتریک رخ دهد و در نتیجه هیچ تخلیه الکتریکی رخ نمیدهد.
با افزایش ولتاژ، اثر کرونا در یک خط انتقال به دلیل یونیزه شدن هوا محیطی که حول هادیها قرار دارد رخ میدهد - که عمدتاً توسط شرایط کابل و حالت فیزیکی جو تحت تأثیر قرار میگیرد. عوامل اصلی مؤثر بر تخلیه کرونا عبارتند از:
شرایط جوی
حالت هادیها
فاصله بین هادیها
بیایید به این عوامل به طور دقیقتری نگاه کنیم:
گرادیان ولتاژ برای شکست دیالکتریک هوا مستقیماً با چگالی هوا متناسب است. بنابراین، در روزهای طوفانی، تعداد یونها حول هادی به دلیل جریان هوا مداوم افزایش مییابد و احتمال تخلیه الکتریکی بیشتر از روزهای آب و هوای خوب است.
سیستم ولتاژ باید طراحی شود تا این شرایط حدی را در نظر بگیرد.
تأثیر کرونا به شدت به هادیها و حالت فیزیکی آنها بستگی دارد. این پدیده به قطر هادیها نسبت معکوس دارد، یعنی افزایش قطر به طور قابل توجهی اثر کرونا را کاهش میدهد.
علاوه بر این، وجود گرد و خاک یا خشکی روی هادی ولتاژ شکست بحرانی را کاهش میدهد و هادیها را به تلفات کرونا بیشتر میسازد. این عامل به ویژه در شهرها و مناطق صنعتی با آلودگی بالا، که استراتژیهای مهار برای مقابله با تأثیرات منفی آن در سیستم ضروری است، مهم است.
فاصله بین هادیها عامل مهمی برای تخلیه کرونا است. برای رخ دادن تخلیه کرونا، فاصله بین خطوط باید بسیار بزرگتر از قطر آنها باشد.
اما اگر فاصله بسیار بزرگ باشد، فشار دیالکتریک روی هوا کاهش مییابد و اثر کرونا کاهش مییابد. اگر فاصله بسیار بزرگ باشد، تخلیه کرونا ممکن است در آن منطقه خط انتقال رخ ندهد.
از آنجا که تخلیه کرونا به طور حتم منجر به از دست دادن برق در قالب نور، صدا، گرما و واکنشهای شیمیایی میشود، استفاده از استراتژیها برای کاهش رخ دادن آن در شبکههای ولتاژ بالا بسیار مهم است.
تخلیه کرونا میتواند با:
افزایش اندازه هادی: افزایش قطر هادی منجر به کاهش اثر کرونا میشود.
افزایش فاصله بین هادیها: افزایش فاصله بین هادیها اثر کرونا را کاهش میدهد.
استفاده از هادیهای گروهبندی شده: هادیهای گروهبندی شده قطر مؤثر هادی را افزایش میدهند - بنابراین اثر کرونا را کاهش میدهند.
استفاده از حلقههای کرونا: میدانهای الکتریکی در نقاط تیز خمیدگی هادی قویتر هستند، بنابراین تخلیه کرونا ابتدا در نقاط تیز، لبهها و گوشهها رخ میدهد. حلقههای کرونا که به هادی ولتاژ بالا الکتریکی متصل هستند، نقاطی که احتمال رخ دادن اثر کرونا بیشتر است را میپوشانند. آنها به طور موثر "گرد" هادیها را میکنند، خشکی سطح هادی را کاهش میدهند و بار را در مساحت گستردهتری توزیع میکنند، بنابراین تخلیه کرونا را کاهش میدهند. حلقههای کرونا در انتهای تجهیزات ولتاژ بسیار بالا (مانند بوشینگهای ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا) استفاده میشوند.
