Korona-ontlading: Hoe de koronaeffect te verminderen
Corona Ontlading, ook bekend als het Corona Effect, is een elektrisch ontladingsverschijnsel dat optreedt wanneer een geleider met hoge spanning de omringende vloeistof ioniseert, vaak lucht. Het corona effect zal optreden in hoogspanningsystemen tenzij voldoende zorg wordt besteed aan het beperken van de sterkte van het omringende elektrische veld.
Aangezien corona ontlading een energieverlies met zich meebrengt, proberen ingenieurs corona ontlading te verminderen om het verlies van elektrische energie, de productie van ozon en radio-interferentie te minimaliseren.
Corona ontlading kan een hoorbaar sissend of knappend geluid veroorzaken doordat het de lucht rond de geleiders ioniseert. Dit komt vaak voor bij hoogspannings elektriciteitsverdeling lijnen. Het corona effect kan ook een violet gloeien veroorzaken, de productie van ozon rond de geleider, radio-interferentie en elektrisch energieverlies.
Wat is het Corona Effect?
Het corona effect treedt natuurlijk op omdat lucht geen perfecte isolator is—onder normale omstandigheden bevat het veel vrije elektronen en ionen. Wanneer er een elektrisch veld in de lucht tussen twee geleiders wordt opgewekt, ervaren de vrije ionen en elektronen in de lucht een kracht. Door dit effect worden de ionen en vrije elektronen versneld en in tegengestelde richting bewogen.
De geladen deeltjes botsen tijdens hun beweging met elkaar en ook met langzaam bewegende ongeladen moleculen. Hierdoor neemt het aantal geladen deeltjes snel toe. Als het elektrisch veld sterk genoeg is, zal er een dielectrische doorbraak van de lucht plaatsvinden en vormt zich een boog tussen de geleiders.
Elektriciteitsverdeling gaat over de bulkoverdracht van elektrische energie, van genererende stations die vele kilometers verwijderd zijn van de hoofdconsumptiecentra of steden. Daarom zijn langeafstandsverdelingsgeleiders van groot belang voor efficiënte energieoverdracht – wat onvermijdelijk tot grote verliezen in het systeem leidt.
Het minimaliseren van deze energieverliezen is een grote uitdaging geweest voor elektriciteitsingenieurs. Corona ontlading kan de efficiëntie van EHV (Extra Hoog Spanning) lijnen in elektriciteitsnetwerken aanzienlijk verlagen.
Twee factoren zijn belangrijk voor corona ontlading:
Er moeten wisselende elektrische potentiaalverschillen over de lijn worden aangebracht.
De afstand tussen de geleiders moet groot genoeg zijn in vergelijking met de diameter van de lijn.
Wanneer er een wisselstroom wordt laten stromen over twee geleiders van een verdelingslijn waarvan de afstand groot is in vergelijking met hun diameters, wordt de lucht rond de geleiders (samengesteld uit ionen) blootgesteld aan dielectrische spanning.
Bij lage waarden van de voedingsspanning gebeurt er niets, omdat de spanning te klein is om de lucht buiten te ioniseren. Maar wanneer het potentiaalverschil een bepaalde drempelwaarde (bekend als de kritische verstoringsspanning) overschrijdt, wordt de veldsterkte sterk genoeg om de lucht rond de geleiders te dissociëren in ionen—wat het geleidend maakt. Deze kritische verstoringsspanning tredt op bij ongeveer 30 kV.
De geïoniseerde lucht resulteert in elektrische ontlading rond de geleiders (door de stroom van deze ionen). Dit geeft een vaag luminescerend gloeien, vergezeld van een sisgeluid en de vrijlating van ozon.
Dit verschijnsel van elektrische ontlading in hoogspanningsverdelingslijnen staat bekend als het corona effect. Als de spanning over de lijnen blijft toenemen, wordt het gloeien en sisgeluid steeds intenser—wat een hoge energieverlies in het systeem veroorzaakt.
Factoren die Corona Verlies Beïnvloeden
De lijnspanning van de geleider is de belangrijkste bepalende factor voor corona ontlading in verdelingslijnen. Bij lage waarden van de spanning (kleiner dan de kritische verstoringsspanning) is de spanning op de lucht niet hoog genoeg om een dielectrische doorbraak te veroorzaken—en dus vindt er geen elektrische ontlading plaats.
Met toenemende spanning treedt het corona effect in een verdelingslijn op door de ionisatie van de atmosferische lucht rond de geleiders—het wordt voornamelijk beïnvloed door de toestand van de kabel en de fysieke staat van de atmosfeer. De belangrijkste factoren die corona ontlading beïnvloeden zijn:
Atmosferische Omstandigheden
Toestand van de Geleiders
Afstand Tussen de Geleiders
Laten we deze factoren nader bekijken:
Atmosferische Omstandigheden
De spanninggradiënt voor de dielectrische doorbraak van lucht is recht evenredig met de luchtdichtheid. Daardoor neemt het aantal ionen rond de geleider op stormachtige dagen toe door de continue luchtstroom, waardoor elektrische ontlading waarschijnlijker is dan op heldere dagen.
Het spanningsysteem moet ontworpen zijn om rekening te houden met deze extreme omstandigheden.
Toestand van de Geleiders
Het impact van corona is sterk afhankelijk van de geleiders en hun fysieke toestand. Het verschijnsel is omgekeerd evenredig met de diameter van de geleiders, wat betekent dat een toename in diameter het corona effect aanzienlijk vermindert.
Bovendien vermindert de aanwezigheid van vuil of ruwheid op de geleider de kritische doorbraakspanning, waardoor de geleiders gevoeliger zijn voor corona verliezen. Deze factor is bijzonder significant in steden en industriële gebieden met hoge vervuiling, waar mitigatiestrategieën essentieel zijn om de negatieve effecten op het systeem te compenseren.
Afstand Tussen de Geleiders
De afstand tussen de geleiders is een cruciaal element voor corona ontlading. Voor corona ontlading moet de afstand tussen de lijnen veel groter zijn dan de diameter.
Als de afstand echter te groot is, neemt de dielectrische spanning op de lucht af, waardoor het corona effect afneemt. Als de afstand te groot is, kan corona in dat gedeelte van de verdelingslijn helemaal niet optreden.
Strategieën om Corona Ontlading te Verminderen
Aangezien corona ontlading onvermijdelijk leidt tot energieverlies in de vorm van licht, geluid, warmte en chemische reacties, is het cruciaal om strategieën toe te passen om het optreden ervan in hoogspanningsnetwerken te minimaliseren.
Corona ontlading kan worden verminderd door:
De geleidergrootte vergroten: Een grotere geleiderdiameter resulteert in een afname van het corona effect.
De afstand tussen de geleiders vergroten: De afname van de corona effect.
Gebundelde geleiders gebruiken: Gebundelde geleiders vergroten de effectieve diameter van de geleider—waardoor het corona effect afneemt.
Corona ringen gebruiken: Elektrische velden zijn sterker op punten van scherpe geleidercurvature, waardoor corona ontlading eerst optreedt op scherpe punten, randen en hoeken. Corona ringen, die elektrisch verbonden zijn met de hoogspanningsgeleider, omcirkelen de punten waar het corona effect het meest waarschijnlijk optreedt. Ze ronden effectief de geleiders af, waardoor de scherpte van de geleidersoppervlak afneemt, en de lading over een groter gebied verdeeld wordt, waardoor corona ontlading afneemt. Corona ringen worden gebruikt op de terminals van zeer hoogspanningsapparatuur (zoals op de bushings van hoogspannings transformatoren).
Corona Ontlading en Stroom
Een nauwere blik op de relatie tussen corona ontlading en stroom biedt verdere inzichten in de impact van dit verschijnsel op hoogspanningssystemen.
De Rol van Stroom in Corona Ontlading
De stroom van elektrische lading speelt een cruciale rol in het optreden van corona ontlading. Wanneer een hoge spanning wordt aangebracht op een verdelingslijn, creëert de stroom die door de geleiders stroomt een elektrisch veld eromheen.
