Коронный разряд: Как уменьшить коронный эффект

Коронный разряд, также называемый коронным эффектом, является электрическим разрядным явлением, которое происходит, когда проводник, несущий высокое напряжение, ионизирует окружающую жидкость, часто воздух. Коронный эффект будет происходить в системах высокого напряжения, если не будут приняты достаточные меры для ограничения силы окружающего электрического поля.

Поскольку коронный разряд связан с потерей энергии, инженеры стремятся уменьшить коронный разряд, чтобы минимизировать потери электроэнергии, образование озона и радиопомехи.

Коронный разряд может вызывать слышимый шипящий или трескучий звук, ионизируя воздух вокруг проводников. Это распространено в линиях передачи электроэнергии высокого напряжения. Коронный эффект также может вызвать фиолетовое свечение, образование озона вокруг проводника, радиопомехи и потери электроэнергии.

Что такое коронный эффект?

Коронный эффект происходит естественным образом, поскольку воздух не является идеальным изолятором — он содержит множество свободных электронов и ионов при нормальных условиях. Когда в воздухе между двумя проводниками устанавливается электрическое поле, свободные ионы и электроны в воздухе испытывают силу. В результате этого эффекта ионы и свободные электроны ускоряются и движутся в противоположном направлении.

Заряженные частицы во время движения сталкиваются друг с другом, а также с медленно движущимися незаряженными молекулами. Таким образом, число заряженных частиц быстро увеличивается. Если электрическое поле достаточно сильно, произойдет диэлектрический пробой воздуха, и между проводниками образуется дуга.

Передача электроэнергии связана с массовой передачей электрической энергии от генерирующих станций, расположенных за многие километры от основных центров потребления или городов. Поэтому для эффективной передачи энергии необходимы длинные линии передачи, что неизбежно приводит к значительным потерям в системе.

Минимизация этих потерь энергии была большой проблемой для инженеров-энергетиков. Коронный разряд может значительно снизить эффективность линий ЭВН (экстра высокого напряжения) в энергосистемах.

Для возникновения коронного разряда важны два фактора:

1. Альтернирующие электрические потенциальные разности должны подаваться на линию.

2. Расстояние между проводниками должно быть достаточно большим по сравнению с диаметром линии.

Когда переменный ток проходит через два проводника линии передачи, расстояние между которыми велико по сравнению с их диаметрами, воздух, окружающий проводники (состоящий из ионов), подвергается диэлектрическому напряжению.

При низких значениях питающего напряжения ничего не происходит, так как напряжение слишком мало, чтобы ионизовать воздух снаружи. Но когда потенциальная разность увеличивается выше некоторого порогового значения (известного как критическое разрушительное напряжение), сила поля становится достаточно сильной, чтобы воздух, окружающий проводники, диссоциировал на ионы — делая его проводящим. Это критическое разрушительное напряжение составляет примерно 30 кВ.

Ионизированный воздух приводит к электрическому разряду вокруг проводников (из-за потока этих ионов). Это вызывает слабое люминесцентное свечение, сопровождаемое шипящим звуком и выделением озона.

Это явление электрического разряда, происходящего в линиях передачи высокого напряжения, известно как коронный эффект. Если напряжение на линиях продолжает увеличиваться, свечение и шипящий звук становятся все более интенсивными, вызывая значительные потери мощности в системе.

Факторы, влияющие на потери коронного разряда

Основным определяющим фактором коронного разряда в линиях передачи является напряжение на проводнике. При низких значениях напряжения (меньше критического разрушительного напряжения) напряжение на воздухе недостаточно высоко, чтобы вызвать диэлектрический пробой — и, следовательно, не происходит электрического разряда.

С увеличением напряжения коронный эффект в линии передачи происходит из-за ионизации атмосферного воздуха, окружающего проводники — он в основном зависит от состояния кабеля, а также от физического состояния атмосферы. Основные факторы, влияющие на коронный разряд, это:

• Атмосферные условия

• Состояние проводников

• Расстояние между проводниками

Рассмотрим эти факторы подробнее:

Атмосферные условия

Напряженность поля для диэлектрического пробоя воздуха прямо пропорциональна плотности воздуха. Следовательно, в бурные дни количество ионов, окружающих проводник, увеличивается из-за постоянного потока воздуха, что делает электрический разряд более вероятным, чем в ясную погоду.

Система напряжения должна быть спроектирована с учетом этих экстремальных условий.

Состояние проводников

Влияние коронного эффекта сильно зависит от проводников и их физического состояния. Это явление обратно пропорционально диаметру проводников, что означает, что увеличение диаметра значительно снижает коронный эффект.

Кроме того, наличие грязи или шероховатости на проводнике снижает критическое напряжение пробоя, делая проводники более восприимчивыми к потерям от коронного разряда. Этот фактор особенно значителен в городах и промышленных районах с высоким уровнем загрязнения, где стратегии по уменьшению его негативного воздействия на систему являются необходимыми.

Расстояние между проводниками

Расстояние между проводниками является ключевым элементом для коронного разряда. Для возникновения коронного разряда расстояние между линиями должно быть намного больше, чем их диаметр.

Однако, если расстояние чрезмерно большое, диэлектрическое напряжение на воздухе уменьшается, что снижает коронный эффект. Если расстояние слишком велико, коронный разряд может вообще не возникнуть в этом участке линии передачи.

Стратегии по уменьшению коронного разряда

Учитывая, что коронный разряд неизбежно приводит к потерям мощности в виде света, звука, тепла и химических реакций, важно применять стратегии для минимизации его возникновения в сетях высокого напряжения.

Коронный разряд можно уменьшить, используя следующие методы:

• Увеличение размера проводника: Больший диаметр проводника приводит к уменьшению коронного эффекта.

• Увеличение расстояния между проводниками: Увеличение расстояния между проводниками снижает коронный эффект.

• Использование пучковых проводников: Пучковые проводники увеличивают эффективный диаметр проводника, что снижает коронный эффект.

• Использование коронных колец: Электрические поля сильнее в точках острой кривизны проводника, поэтому коронный разряд чаще всего начинается в острых точках, на краях и углах. Коронные кольца, которые электрически соединены с проводником высокого напряжения, окружают точки, где наиболее вероятно возникновение коронного эффекта. Они эффективно "сглаживают" поверхность проводника, распределяя заряд на большую площадь, что снижает коронный разряд. Коронные кольца используются на выводах оборудования очень высокого напряжения (например, на втулках высоковольтных трансформаторов).

Коронный разряд и ток

Более внимательное рассмотрение взаимосвязи между коронным разрядом и током предоставляет дополнительные сведения о влиянии этого явления на системы высокого напряжения.

Роль тока в коронном разряде