Scarica di corona, anche nota come effetto corona, è un fenomeno di scarica elettrica che si verifica quando un conduttore portante ad alta tensione ionizza il fluido circostante, spesso l'aria. L'effetto corona si verifica nei sistema ad alta tensione a meno che non si prenda sufficiente cura per limitare l'intensità del campo elettrico circostante.
Poiché la scarica di corona comporta una perdita di energia, gli ingegneri cercano di ridurla al minimo per minimizzare la perdita di potenza elettrica, la produzione di gas ozono e le interferenze radio.
La scarica di corona può causare un sibilo o crepitio udibile mentre ionizza l'aria intorno ai conduttori. Questo è comune nelle linee di trasmissione elettrica ad alta tensione. L'effetto corona può anche produrre un bagliore violetto, la produzione di gas ozono intorno al conduttore, interferenze radio e perdita di potenza elettrica.
L'effetto corona si verifica naturalmente perché l'aria non è un perfetto isolante—contenendo molti elettroni liberi e ioni in condizioni normali. Quando viene stabilito un campo elettrico nell'aria tra due conduttori, gli ioni e gli elettroni liberi nell'aria subiscono una forza. A causa di questo effetto, gli ioni e gli elettroni liberi vengono accelerati e spostati in direzioni opposte.
Le particelle cariche durante il loro movimento collidono tra di loro e anche con molecole non cariche a bassa velocità. Di conseguenza, il numero di particelle cariche aumenta rapidamente. Se il campo elettrico è abbastanza forte, si verificherà una rottura dielettrica dell'aria e si formerà un arco tra i conduttori.
La trasmissione di energia elettrica riguarda il trasferimento di massa di energia elettrica, dalle centrali di generazione situate a molti chilometri dai principali centri di consumo o dalle città. Per questo motivo, i conduttori di trasmissione a lunga distanza sono di estrema necessità per un trasferimento efficace di potenza—che inevitabilmente porta a enormi perdite nel sistema.
Minimizzare queste perdite di energia è stata una sfida importante per gli ingegneri elettrici. La scarica di corona può ridurre significativamente l'efficienza delle linee EHV (Extra High Voltage) nei sistemi di potenza.
Due fattori sono importanti per la scarica di corona:
Deve essere fornita una differenza di potenziale elettrico alternato attraverso la linea.
Lo spazio tra i conduttori deve essere abbastanza grande rispetto al diametro della linea.
Quando una corrente alternata viene fatta fluire attraverso due conduttori di una linea di trasmissione il cui spazio è grande rispetto ai loro diametri, l'aria circostante i conduttori (composta da ioni) è soggetta a stress dielettrico.
A valori bassi della tensione di alimentazione, non accade nulla poiché lo stress è troppo piccolo per ionizzare l'aria esterna. Ma quando la differenza di potenziale aumenta oltre un certo valore soglia (noto come tensione critica di interruzione), l'intensità del campo diventa abbastanza forte per dissociare l'aria circostante i conduttori in ioni—rendendola conduttiva. Questa tensione critica di interruzione si verifica approssimativamente a 30 kV.
L'aria ionizzata provoca una scarica elettrica intorno ai conduttori (a causa del flusso di questi ioni). Ciò dà origine a un debole bagliore luminoso, accompagnato da un sibilo e dalla liberazione di ozono.
Questo fenomeno di scarica elettrica che si verifica nelle linee di trasmissione ad alta tensione è noto come effetto corona. Se la tensione tra le linee continua ad aumentare, il bagliore e il sibilo diventano sempre più intensi—inducendo una perdita di potenza elevata nel sistema.
La tensione della linea del conduttore è il principale fattore determinante per la scarica di corona nelle linee di trasmissione. A valori bassi di tensione (inferiori alla tensione critica di interruzione), lo stress sull'aria non è abbastanza alto da causare un guasto dielettrico—e quindi non si verifica alcuna scarica elettrica.
Con l'aumento della tensione, l'effetto corona in una linea di trasmissione si verifica a causa dell'ionizzazione dell'aria atmosferica circostante i conduttori—è principalmente influenzato dalle condizioni del cavo nonché dallo stato fisico dell'atmosfera. I principali fattori che influenzano la scarica di corona sono:
Condizioni atmosferiche
Condizione dei conduttori
Spaziatura tra i conduttori
Esaminiamo questi fattori in maggior dettaglio:
Il gradiente di tensione per la rottura dielettrica dell'aria è direttamente proporzionale alla densità dell'aria. Di conseguenza, nei giorni tempestosi, il numero di ioni intorno al conduttore aumenta a causa del flusso d'aria continuo, rendendo la scarica elettrica più probabile rispetto ai giorni di bel tempo.
Il sistema di tensione deve essere progettato per fare fronte a queste condizioni estreme.
L'impatto della corona dipende molto dai conduttori e dalle loro condizioni fisiche. Il fenomeno è inversamente proporzionale al diametro dei conduttori, il che implica che un aumento del diametro riduce considerevolmente l'effetto corona.
Inoltre, la presenza di sporco o irregolarità sui conduttori riduce la tensione critica di interruzione, rendendo i conduttori più suscettibili alle perdite di corona. Questo fattore è particolarmente significativo nelle città e nelle aree industriali con alta inquinamento, dove sono essenziali strategie di mitigazione per contrastare i suoi effetti negativi sul sistema.
La spaziatura tra i conduttori è un elemento cruciale per la scarica di corona. Affinché si verifichi la scarica di corona, la spaziatura tra le linee dovrebbe essere molto maggiore del suo diametro.
Tuttavia, se la spaziatura è eccessivamente grande, lo stress dielettrico sull'aria diminuisce, riducendo l'effetto corona. Se la spaziatura è troppo grande, la corona potrebbe non verificarsi affatto in quella regione della linea di trasmissione.
Poiché la scarica di corona porta inevitabilmente a perdite di potenza sotto forma di luce, suono, calore e reazioni chimiche, è fondamentale adottare strategie per minimizzarne l'occorrenza nelle reti ad alta tensione.
La scarica di corona può essere ridotta:
Aumentando la dimensione del conduttore: Un diametro maggiore del conduttore riduce l'effetto corona.
Aumentando la distanza tra i conduttori: Aumentare la spaziatura dei conduttori riduce l'effetto corona.
Utilizzando conduttori raggruppati: Conduttori raggruppati aumentano il diametro effettivo del conduttore—quindi riducendo l'effetto corona.
Utilizzando anelli di corona: I campi elettrici sono più forti nei punti di curvatura netta del conduttore, quindi la scarica di corona si verifica per prima nei punti acuti, bordi e angoli. Gli anelli di corona, che sono elettricamente collegati al conduttore ad alta tensione, circondano i punti dove l'effetto corona è più probabile. Essi "arrotondano" effettivamente i conduttori, riducendo la nettezza della superficie del conduttore e distribuendo la carica su un'area più ampia, quindi riducendo la scarica di corona. Gli anelli di corona vengono utilizzati ai terminali di apparecchiature ad alta tensione (come nei bocchettini di trasformatori ad alta tensione).
Un esame più approfondito del rapporto tra la scarica di corona e la corrente rivela ulteriori informazioni sull'impatto di questo fenomeno sui sistemi ad alta tensione.
Il flusso di carica elettrica gioca un ruolo vitale nella comparsa della scarica di corona. Quando viene applicata una tensione elevata a una linea di trasmissione, la corrente che scorre attraverso i conduttori crea un campo elettrico intorno a essi.
Questo campo elettrico ionizza le molecole d'aria intorno ai conduttori
