コロナ放電：コロナ効果を減らす方法

フィールド: 基本電気

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コロナ放電とは

コロナ放電、またはコロナ効果とも呼ばれる現象は、高電圧を帯びた導体が周囲の流体（通常は空気）をイオン化するときに発生する電気放電現象です。コロナ効果は、周囲の電界強度を制限する十分な配慮がない限り、高電圧システムで発生します。

コロナ放電にはエネルギー損失が伴うため、エンジニアは電力損失、オゾンガスの生成、およびラジオ干渉を最小限に抑えるために、コロナ放電を減らすことを目指しています。

コロナ放電は、導体周囲の空気をイオン化することでヒシング音やクラッキング音を発生させることがあります。これは高電圧電力送電線で一般的です。コロナ効果はまた、紫の光、導体周囲のオゾンガスの生成、ラジオ干渉、および電力損失を引き起こすこともあります。

架空送電線でのコロナ放電

500 kV架空送電線でのコロナ放電

コロナ効果とは何か？

コロナ効果は、空気が完全な絶縁体ではなく、通常条件下で多くの自由電子とイオンを含んでいるため自然に発生します。2つの導体間の空中に電界が形成されると、空気中の自由イオンと電子は力を受けることになります。この効果により、イオンと自由電子は加速され、反対方向に移動します。

これらの帯電粒子は運動中に互いに衝突し、またゆっくりと動く非帯電分子とも衝突します。そのため、帯電粒子の数は急速に増加します。電界が十分に強い場合、空気の誘電破壊が発生し、導体間にアークが形成されます。

電力送電は、多くのキロメートル離れた発電所から主要な消費地や都市への大量の電力の転送を扱っています。そのため、長距離送電用の導体は効果的な電力転送に不可欠であり、これが結果的に大きな損失をもたらします。

これらのエネルギー損失を最小限に抑えることは、電力技術者にとって重要な課題でした。コロナ放電は、EHV（超高電圧）線路の効率を大幅に低下させることができます。

コロナ放電が発生するためには2つの要因が重要です：

コロナ効果

直径よりも十分に大きい間隔を持つ2つの導体間に交流電流を流すと、導体周囲の空気（イオンで構成）は誘電応力を受けます。

供給電圧が低い場合、ストレスは外部の空気をイオン化するには小さすぎるので何も起こりません。しかし、電位差が一定の閾値（臨界破壊電圧として知られる）を超えると、電界強度は導体周囲の空気をイオンに分解するのに十分な強さになります。この臨界破壊電圧は約30 kVで発生します。

イオン化された空気は、これらのイオンの流れにより導体周囲で電気放電を引き起こします。これにより、かすかな発光とともにヒシング音が発生し、オゾンが放出されます。

高電圧送電線で発生するこの電気放電現象はコロナ効果と呼ばれています。ライン間の電圧がさらに増加すると、発光とヒシング音はより強くなり、システムへの電力損失が高まります。

送電線のコロナ放電における主な決定要因は導体の線電圧です。電圧が低値（臨界破壊電圧未満）の場合、空気にかかるストレスは誘電破壊を引き起こすほど高くなく、電気放電は発生しません。

電圧が上昇すると、送電線でのコロナ効果は導体周囲の大気のイオン化によって発生します。これは主にケーブルの状態および大気の物理的状態によって影響されます。コロナ放電に影響を与える主な要因は以下の通りです：

これらの要因について詳しく見ていきましょう：

空気の誘電破壊のための電圧勾配は、空気密度に比例します。したがって、嵐の日には、継続的な空気の流れにより導体周囲のイオンの数が増加し、晴天時よりも電気放電が起こりやすくなります。

電圧システムはこれらの極端な条件に対応できるように設計する必要があります。

コロナの影響は導体とその物理的状態に大きく依存します。この現象は導体の直径に対して逆比例しており、直径の増加によりコロナ効果が大幅に減少します。

また、導体に汚れや粗さがあると、臨界破壊電圧が低下し、導体がコロナ損失に対してより脆弱になります。この要素は特に汚染の多い都市部や工業地域で重要であり、その負の影響をシステムに及ぼす緩和策が必要です。

導体間の間隔はコロナ放電において重要な要素です。コロナ放電が発生するためには、ライン間の間隔はその直径よりもはるかに大きくなければなりません。

ただし、間隔が過剰に大きい場合、空気に対する誘電応力が減少し、コロナ効果が減少します。間隔が大きすぎる場合、その領域ではコロナが全く発生しない可能性があります。

コロナ放電は必ず光、音、熱、化学反応の形で電力損失をもたらすため、高電圧ネットワークでのその発生を最小限に抑える戦略を採用することが重要です。

コロナ放電を減らす方法は以下の通りです：

導体サイズの増加：導体直径を増加させることでコロナ効果が減少します。
導体間の距離の増加：導体間の間隔を増加させることでコロナ効果が減少します。
束ねられた導体の使用：束ねられた導体は導体の有効直径を増加させ、コロナ効果を減少させます。
コロナリングの使用：電界は導体の曲率が鋭い点で強くなるため、コロナ放電は最初に鋭い点、エッジ、コーナーで発生します。コロナリングは高電圧導体に電気的に接続され、コロナ効果が最も発生しやすい点を取り巻きます。これらは効果的に導体を丸くし、導体表面の鋭さを減少させ、チャージを広い範囲に分散させ、コロナ放電を減少させます。コロナリングは非常に高電圧の設備（例：変圧器のブッシング）の端子で使用されます。