تخلیه کرونا، که به آن اثر کرونا نیز گفته میشود، یک پدیده تخلیه الکتریکی است که زمانی رخ میدهد که یک هادی که ولتاژ بالایی را منتقل میکند، مایع محیطی (اغلب هوا) را یونیزه میکند. این اثر کرونا در سیستمهای با ولتاژ بالا رخ میدهد، مگر اینکه دقت کافی برای محدود کردن قدرت میدان الکتریکی محیطی وجود داشته باشد.
از آنجا که تخلیه کرونا شامل از دست دادن انرژی است، مهندسان تلاش میکنند تخلیه کرونا را کاهش دهند تا از دست دادن انرژی الکتریکی، تولید گاز ازن و تداخل رادیویی را به حداقل برسانند.
تخلیه کرونا میتواند صدای سیس یا پارهپاره شدن قابل شنیدنی را در حین یونیزه کردن هوا حول هادیها ایجاد کند. این موضوع در خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا معمول است. اثر کرونا میتواند همچنین نوری بنفش، تولید گاز ازن حول هادی، تداخل رادیویی و از دست دادن انرژی الکتریکی را نیز ایجاد کند.
اثر کرونا به طبیعتی رخ میدهد زیرا 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 خواهند کرد. به دلیل این اثر، یونها و الکترونهای آزاد شتاب مییابند و در جهت مخالف حرکت میکنند.
ذرات باردار در طول حرکت با یکدیگر و همچنین با مولکولهای نامتحرک بدون بار برخورد میکنند. بنابراین تعداد ذرات باردار به سرعت افزایش مییابد. اگر میدان الکتریکی قوی باشد، فشار دی الکتریک هوا رخ میدهد و یک قوس بین هادیها تشکیل میشود.
انتقال برق به معنای انتقال بزرگ انرژی الکتریکی از ایستگاههای تولیدی که در فاصلههای زیادی از مراکز مصرف یا شهرها قرار دارند است. به همین دلیل، هادیهای انتقال در فواصل دور ضروری برای انتقال موثر انرژی هستند - که البته منجر به از دست دادن انرژی در سیستم میشود.
کاهش این از دست دادن انرژی یک چالش بزرگ برای مهندسان برق بوده است. تخلیه کرونا میتواند کارایی خطوط EHV (ولتاژ بسیار بالا) در سیستمهای برق را به طرز قابل توجهی کاهش دهد.
دو عامل برای رخ دادن تخلیه کرونا مهم است:
اختلافات ولتاژ جریان متناوب باید در خط اعمال شود.
فاصله بین هادیها باید نسبت به قطر خط بزرگتر باشد.
وقتی یک جریان متناوب در دو هادی یک خط انتقال که فاصله بین آنها نسبت به قطر آنها بزرگ است، جریان مییابد، هوا (که از یونها تشکیل شده است) که در اطراف هادیها قرار دارد، به فشار دی الکتریک میرسد.
در مقادیر کم ولتاژ تغذیه، هیچ چیزی رخ نمیدهد زیرا فشار کمتر از حدی است که هوا را خارج از یونیزه کند. اما وقتی اختلاف پتانسیل فراتر از یک مقدار آستانه (که به عنوان ولتاژ مخرب بحرانی شناخته میشود) افزایش یابد، قدرت میدان به حدی میرسد که هوا در اطراف هادیها به یونها تجزیه شود و رسانا شود. این ولتاژ مخرب بحرانی در حدود ۳۰ کیلوولت رخ میدهد.
هوا یونیزه شده به دلیل جریان یونها، تخلیه الکتریکی در اطراف هادیها ایجاد میکند (به دلیل جریان این یونها). این امر منجر به نوری کمرنگ، همراه با صدای سیس و آزادسازی گاز ازن 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 شدیدتر میشود - که باعث از دست دادن انرژی بسیار زیادی 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 برای ایجاد فشار دی الکتریک نیست و بنابراین هیچ تخلیه الکتریکی رخ نمیدهد.
با افزایش ولتاژ، اثر کرونا در یک خط انتقال به دلیل یونیزه کردن هوا در اطراف هادیها رخ میدهد - که عمدتاً توسط شرایط کابل و حالت فیزیکی جو تأثیر میپذیرد. 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 فشار دی الکتریک هوا مستقیماً با چگالی هوا متناسب است. بنابراین، در روزهای طوفانی، تعداد یونها در اطراف هادی به دلیل جریان هوا مداوم افزایش مییابد، که این امر تخلیه الکتریکی را نسبت به روزهای آسمان صاف محتملتر میکند.
سیستم ولتاژ باید طراحی شود تا این شرایط نامساعد را در بر بگیرد.
تأثیر کرونا به شدت به هادیها و حالت فیزیکی آنها بستگی دارد. این پدیده به قطر هادیها برعکس متناسب است، یعنی افزایش قطر هادیها تأثیر کرونا را به طور قابل توجهی کاهش میدهد.
علاوه بر این، وجود آلودگی یا خشکی روی هادی ولتاژ مخرب بحرانی را کاهش میدهد، که این امر هادیها را به تلفات کرونا حساستر میکند. این عامل به ویژه در شهرها و مناطق صنعتی با آلودگی بالا مهم است، که استراتژیهای کاهشی برای مقابله با تأثیرات منفی آن بر سیستم ضروری هستند.
فاصله بین هادیها یک عنصر کلیدی برای تخلیه کرونا است. برای رخ دادن تخلیه کرونا، فاصله بین خطوط باید بسیار بزرگتر از قطر آنها باشد.
با این حال، اگر فاصله بسیار بزرگ باشد، فشار دی الکتریک روی هوا کاهش مییابد و اثر کرونا کاهش مییابد. اگر فاصله بسیار بزرگ باشد، کرونا ممکن است در آن بخش از خط انتقال رخ ندهد.
از آنجا که تخلیه کرونا به طور غیرقابل انکاری منجر به از دست دادن انرژی به صورت نور، صدا، گرما و واکنشهای شیمیایی میشود، استفاده از استراتژیهایی برای کاهش رخ دادن آن در شبکههای ولتاژ بالا ضروری است.
تخلیه کرونا میتواند با این روشها کاهش یابد:
افزایش اندازه هادی: افزایش قطر هادی تأثیر کرونا را کاهش میدهد.
افزایش فاصله بین هادیها: افزایش فاصله بین هادیها تأثیر کرونا را کاهش میدهد.
استفاده از هادیهای گروهی: هادیهای گروهی قطر مؤثر هادی را افزایش میدهند - بنابراین تأثیر کرونا را کاهش میدهند.
استفاده از حلقههای کرونا: میدانهای الکتریکی در نقاط تغییر شکل تیز هادیها قویتر هستند، بنابراین تخلیه کرونا ابتدا در نقاط تیز، لبهها و گوشهها رخ میدهد. حلقههای کرونا که به هادی ولتاژ بالا اتصال الکتریکی دارند، نقاطی که اثر کرونا محتملتر است را دور میکنند. آنها به طور موثر "گرد" هادیها را میکنند، تیزی سطح هادی را کاهش میدهند و بار را در یک مساحت گستردهتر توزیع میکنند، بنابراین تخلیه کرونا را کاهش میدهند. حلقههای کرونا در انتهای تجهیزات ولتاژ بسیار بالا (مانند بوشینگهای ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا) استفاده میشوند.
