Глава 3. Коронный разряд на линиях электропередач. Корона на проводах при постоянном напряжении. Корона на проводах при переменном напряжении. Потери на корону. Методы уменьшения потерь на корону

§3.1. Коронный разряд на линиях электропередач

Корона является одним из видов самостоятельного разряда и возникает в резконеоднородных полях, к которым, в частности, относится и электрическое поле в окрестности проводов линий электропередачи.

Напряженность электрического поля в воздухе на поверхности гладкого полированного цилиндра, при которой возникает коронный разряд, т. е. начальная напряженность, определяется по формуле, кВ/см:

, (1.5)

которая справедлива при отрицательной полярности, но может быть использована и при положительной полярности, так как эффект полярности невелик.

Провода линий электропередачи свиты из большого числа отдельных проволок и поэтому имеют негладкую поверхность (рис. 1.11), вследствие чего напряженность поля в различных точках поверхности неодинакова. Для витых проводов обычно опре­деляют среднюю напряженность поля на поверхности провода E_пр = Q/2_or, где Q - заряд на проводе; r - радиус описанной окружности. Так как коронный разряд прежде всего возникает на выступающих частях провода (в точках а), где напряженность пре­вышает среднюю, то начальная напряженность поля для витого провода меньше, чем для гладкого провода того же радиуса: mЕ_o < Е_o. Коэффициент m < 1 называется коэффициентом гладкости провода. Различные заусеницы и шероховатости, которые всегда имеются на поверхности проводов, еще больше снижают начальную напряженность поля, а следовательно, и коэффициент m, который для проводов линий электропередачи обычно лежит в пре­делах 0,82 - 0,90.

И онизационные процессы в коронном разряде происходят лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, в рассматриваемом случае вблизи провода, в узкой зоне, которая обычно называется чехлом короны. Чехол коронного разряда на проводах далеко не всегда бывает однородным, особенно при достаточно больших на­пряжениях. При отрицательной короне ионизация происходит вблизи большого числа точек на поверхности провода, поэтому чехол короны состоит из многочисленных проводящих нитей. При положительной полярности, помимо сплошного чехла, на проводе образуются стримеры, длина которых может быть достаточно большой, но гораздо меньше расстояния между электродами.

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации – «чехол» короны - имеет большие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме.

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. При увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают, и корона из лавинной переходит в стримерную.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного изучения с широким спектром частот, которое создает помехи радио- и телевизионному приему. При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.

За счет процессов ударной ионизации в чехле короны непрерывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, под действием электрического поля выходят из чехла короны во внешнюю область и постепенно перемещаются к противоположному электроду.

Если к промежутку приложено постоянное напряжение, то в стационарном режиме вся внешняя область короны, т. е. область, в которой ионизация отсутствует, оказывается заполненной объемным зарядом того же знака, что и коронирующий провод. При этом заряд, уходящий в единицу времени на противоположный электрод, в точности равен заряду, выделяющемуся за это же время во внешнюю область из чехла короны, так что суммарный объемный заряд остается неизменным.

Значение и характер пространственного распределения объемного заряда внешней области короны (объемный заряд зоны ионизации не учитывается) должны быть такими, чтобы напряженность поля на поверхности коронирующего провода оставалась бы равной начальной, т. е. приблизительно равной mЕ_o, независимо от значения приложенного напряжения. Действительно, при наличии объемного заряда напряжение между электродами определяется суммой

u = (q_пр/С) + u_об, (1.6)

где q_пр - заряд на проводе; С - емкость между проводом и противоположным электродом; u_об - напряжение, создаваемое объемным зарядом. Наличие напряжения u_об уменьшает заряд на проводе, а следовательно, и напряженность электрического поля на его поверхности e_пр = q_пр /2_or. Если напряженность поля на поверхности провода сделается меньше mЕ_o, ионизация в чехле прекратится, взамен уходящему на противоположный электрод заряду из чехла короны не будет выделяться новый заряд, суммарный заряд в объеме и u_об уменьшатся. В результате увеличится заряд на проводе и напряженность поля на его поверхности возрастет до mЕ_o, после чего заряд в объеме приобретет свое прежнее значение. Если напряженность поля на поверхности провода превысит mЕ_o, интенсивность ионизации в чехле короны возрастет, из чехла короны будет выделяться больший заряд, чем заряд, уходящий к противоположному электроду, суммарный заряд во внешней зоне возрастет, благодаря чему напряженность поля на поверхности провода снизится до mЕ_o.

Это свойство коронного разряда является весьма важным, так как оно регулирует величину объемного заряда во внешней зоне. Движение этого объемного заряда под действием электрического поля создает ток короны, который на много порядков превышает нормальный ток утечки в линиях электропередачи. Связанные с прохождением этого тока потери энергии могут иметь очень большую величину, соизмеримую с потерями в активных сопротивлениях проводов под действием рабочего тока.

Итак, потери на корону связаны с относительно медленным (со скоростью ионов) движением объемного заряда внешней зоны. Процессы, происходящие в чехле короны, существенного влияния на потери энергии не оказывают, однако они важны с другой точки зрения.

Для чехла короны характерны быстрые процессы, происходящие со скоростью электронов или стримеров. Поэтому ток короны, помимо медленно меняющейся составляющей, определяемой перемещением объемного заряда, содержит большое количество кратко­временных пиков, соответствующих развитию стримеров или групп лавин. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, который соответствует радиотехническому диапазону. Излучаемые коронирующей линией радиоволны создают помехи радиоприему (особенно сильные вблизи линии), которые могут достигнуть недопустимого уровня.

Таким образом, появление коронного разряда на проводах линий электропередачи сопровождается потерями энергии и радиопомехами. Необходимость ограничения до приемлемых значений уровня потерь энергии и радиопомех приводит к тому, что рациональная конструкция проводов и арматуры линий электропередачи в значительной мере определяется коронным разрядом, особенно при наивысших номинальных напряжениях.