Корона на проводах при постоянном напряжении

При постоянном напряжении различают два различных вида коронного разряда - униполярный и биполярный.

Униполярная корона возникает в том случае, когда коронирующие провода в промежутке имеют одинаковую полярность (например, промежуток провод - плоскость на рис. 1.12а).При униполярной короне вся внешняя зона заполнена зарядами того же знака, что и коронирующий провод (или провода).

Биполярная корона возникает в том случае, когда коронирующие провода имеют противоположную полярность (например, промежуток провод - провод на рис. 1.12б).Во внешней зоне биполярной короны ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. Если бы на границе нулевого потенциала I-I происходила полная рекомбинация ионов, биполярная корона состояла бы из двух не зависящих друг от друга униполярных коронных разрядов. В действительности на границе раздела происходит лишь частичная ре­комбинация ионов, и значительная их часть проникает во внешнюю зону провода противоположной полярности, уменьшая суммарный объемный заряд этой зоны, а следовательно, и Du_об . Для того чтобы восстановить нормальное значение Du_об, обеспечивающее сохранение начальной напряженности поля на поверхности провода, ионизация в чехле короны должна возрасти и из чехла короны должен выделяться больший заряд, часть которого тратится на нейтрализацию заряда противоположного знака. Благодаря этому ток короны, следовательно, и потери энергии в биполярной короне значительно больше, чем в униполярной. Увеличение потерь в биполярном режиме по сравнению с униполярным связано также с распадом (явлением, обратным прилипанию) отрицательных ионов в зоне ионизации провода, имеющего положительную полярность. Отрицательные ионы приходят к положительному проводу от отрицательного коронирующего провода и в результате распада создают в зоне ионизации дополнительные свободные электроны. Появление таких электронов в зоне ионизации приводит к увеличению тока короны, а следовательно, и потерь на корону. Кроме того, появление в зоне ионизации дополнительных свободных электронов равнозначно увеличению коэффициента вторичной ионизации g.Увеличение же g,согласно уравнению самостоятельности разряда в неоднородном поле, обеспечивает поддержание самостоятельного разряда при меньших напряженностях. Напряженность на поверхности провода в условиях развитой короны называется критической (Е_к).

Для определения потерь энергии на корону при постоянном напряжении необходимо проанализировать движение объемного заряда во внешней зоне. Эта весьма сложная задача наиболее успешно решена в работах академика В.И.Попкова, который получил интегродифференциальное уравнение, численное решение которого позволяет получить вольт-амперную характеристику короны, т. е. зависимость среднего тока I_ср от приложенного напряжения. Грубо приближенно эта характеристика может быть выражена уравнением

I_cp = GU(U-U_к),(1.7)

причем коэффициент G определяется геометрическими размерами линии, коэффициентами подвижности и рекомбинации ионов.

При напряжениях, близких к начальному, которые определяются по выражению (1.5) или (1.6), экспериментальные данные хорошо согласуются с выражением (1.7), а при меньших напряжениях существенно от нее отличаются. Это связано с тем, что по выражению (1.5) определяют напряжение появления так называемой общей короны, которая в основном охватывает весь провод. При меньших напряжениях корона возникает только на отдельных наиболее крупных неровностях поверхности провода. Такая корона называется местной и начинается при напряжении U_oм <U_o. По мере увеличения напряжения количество очагов ионизации возрастает, и местная корона постепенно переходит в общую. Выражение (1.7) справедливо только для общей короны.

Потери энергии при общей короне равны

P = I_cpU = GU²(U-U_к) (1.8)

и очень быстро растут при увеличении напряжения.

§3.3. Корона на проводах при переменном напряжении

Анализ движения объемного заряда в пространстве между проводами при переменном напряжении показывает, что основная масса нерекомбинировавшего заряда совершает возвратно-поступательное движение в окрестности каждого провода, не удаляясь от него на расстояние, большее нескольких десятков сантиметров. Только очень небольшая доля объемного заряда проникает к соседним проводам. Это обстоятельство позволяет рассматривать процессы, происходящие вблизи проводов различных фаз, независимо друг от друга. Вследствие возвратно-поступательного характера движения зарядов отрицательные ионы, возникшие в отрицательный полупериод изменения напряжения, возвращаются в зону ионизации в положительный полупериод и, распадаясь, приводят к снижению напряженности поля у провода до критической.

Далее рассматривается изменение объемного заряда в окрестности одного из проводов и напряженности электрического поля на поверхности этого провода при синусоидальном напряжении источника. Допустим, что линия подключена к источнику в момент нуля напряжения. Показанная на рис. 1.13 синусоида в различных масштабах дает фазовое напряжение источника и напряжен­ность поля на поверхности провода, которые связаны друг с другом зависимостью, справедливой при отсутствии короны:

E_пр = , (1.9)

где С — рабочая емкость линии.

Корона на проводе зажигается в момент времени t₁,когда напряженность поля на поверхности провода станет равной mЕ_o. Напряжение при этом равно u_ф=U_к. После зажигания короны в пространстве вокруг провода накапливается объемный заряд того же знака, что и заряд на проводе. Объемный заряд уменьшает напряженность поля на поверхности провода, причем, как и для короны при постоянном напряжении, в процессе горения короны напряженность поля на поверхности провода остается неизменной и равной Е_к.

Таким образом, после зажигания короны кривые напряжения и напряженности поля расходятся. Напряжение продолжает изме­няться по синусоиде, а напряженность поля остается неизменной. В связи с этим остается неизменным и заряд на проводе q_np=2pee_orЕ_к, а следовательно, и создаваемое этим зарядом напряже­ние и_пр = q_пр/C.Разница напряжений Du_об = u_ф- u_пр (на рис. 1.13 заштрихована) поддерживается объемным зарядом, который в процессе роста напряжения постепенно увеличивается и достигает DU_max.

Так как объемный заряд распределен в пространстве, суммарный заряд q_S=q_пр + q_об оказывается существенно больше заряда q= и_фС, который был бы на проводе при том же напряжении, если бы корона отсутствовала. Таким образом, возникновение короны сопровождается увеличением суммарного заряда и возрастанием емкости линии от обычной величины С (она часто называется «геометрической» емкостью) до эквивалентной емкости С_э = q_S /и_ф,которая с ростом напряжения возрастает в связи с постепенным удалением объемного заряда от коронирующего провода.

После того, как напряжение источника достигло максимума, общий заряд q_S должен начать уменьшаться. Так как заряд в объеме является малоподвижным, в первую очередь будет уменьшаться заряд на проводе. Это немедленно приведет к уменьшению напряженности поля и погасанию короны. Что касается объемного заряда, то первое время после максимума напряжения он будет продолжать удаляться от провода, затем начнет двигаться в обратном направлении, но это перемещение будет происходить настолько медленно, что в первом приближении и объемный заряд и создаваемое им напряжение могут считаться неизменными.

В следующий полупериод корона загорится тогда, когда абсолютная величина напряженности поля на поверхности провода снова станет равной Е_к.Так как в этот момент в промежутке еще сохранился оставшийся от предыдущего полупериода объемный заряд противоположного знака, мгновенное значение напряжения (U₃)будет значительно меньше начального.

Из графика, приведенного на рис. 1.13, следует, что U_к = U₃ + DU_max, но так как DU_max = U_max - U_K, то

U₃ =2U_K - U_max . (1.10)

Следовательно, если амплитуда напряжения источника U_max более, чем в два раза превышает напряжение зажигания короны, отрицательная корона может возникнуть еще в положительный полупериод (U₃ > 0).

После зажигания короны в отрицательный полупериод вокруг провода образуется отрицательный объемный заряд, который постепенно компенсирует положительный заряд, оставшийся от предыдущего полупериода. К моменту t₃ положительный объемный заряд оказывается полностью скомпенсированным, а после достижения напряжением амплитудного значения избыточный отрицательный заряд становится численно равным максимальному заряду в предыдущий полупериод.

Далее процесс повторяется, и во все полупериоды, кроме первого, источник отдает линии двойной заряд 2q_об,половина которого тратится на компенсацию заряда противоположной полярности.

Кривая изменения тока между проводами коронирующей линии приведена на рис. 1.13 б. Во время горения короны ток значительно превышает емкостный ток i_c=С ,определяемый геометрической емкостью линии и напряжением источника. Ток короны i_к показан в виде гладкой кривой, однако в действительности, так же, как и при постоянном напряжении, на эту гладкую кривую накладываются многочисленные кратковременные импульсы, особенно мощные в положительный полупериод, которые являются источником радиопомех.

Для теоретического определения потерь на корону при переменном напряжении необходимо исследовать движение ионов в пространстве между проводами и изменение суммарного заряда.

Эксперименты позволили установить, что потери на корону и радиопомехи в первую очередь зависят от максимальной напряженности поля на поверхности провода, которая при заданном напряжении определяется главным образом радиусом провода. Поэтому основным методом ограничения потерь на корону и радиопомех является увеличение радиуса провода. При очень высоких номинальных напряжениях пришлось бы применять провода чрезмерно большого сечения, в ряде случаев превышающего сечение провода, выбранное из условия передачи по линии заданной мощности.

Экономическое решение можно получить посредством примене­ния так называемых расширенных проводов. Это провода достаточно большого диаметра, обеспечивающего необходимое снижение напряженности электрического поля на их поверхность. Для сохранения заданного сечения токоведущей части расширенные провода делаются полыми или заполняются непроводящей массой, например бумагой.

Корона не возникает, если минимальный диаметр провода соответствует условию

d_min ³ 1,5 U_ном×10^-2, (1.11)

где d_min = [см]; U_ном = [кВ].

Другое решение, широко используемое в РФ, состоит в применении расщепленных проводов. Для уменьшения потерь на корону вместо одного провода в фазе можно применить пучок проводников, находящихся друг от друга на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Такой пучок параллельно соединенных проводников называется расщепленным проводом. На высоковольтных ЛЭП провод в фазе расщепляется на 2 – 8 проводов с изолирующими растяжками 40 – 60 см. В этом случае расчет проводится по условному эквивалентному диаметру D_экв.