Коронный разряд - это самостоятельный газовый разряд, возникающий в резко электромагнитных электрических полях в электродах с большой кривизной поверхностью.
Этот разряд может возникнуть на заостренных предметах под высоким напряжением, таких как верхушки деревьев или провода линий электропередачи, при наличии высокого напряжения размыкания поля возле острия электрода.
Коронный разряд имеет широкое применение в различных областях, включая электростатические фильтры, электрофотографию, генерацию озона, очистку воздуха и другие технические процессы.
Явление короны
В условиях резко неоднородных электромагнитных полей, на электродах с высокой кривизной наружных поверхностей, в некоторых ситуациях может начаться коронный разряд самостоятельный электрический разряд в газе. В качестве острия, подходящей для данного явления формы, может выступать: острие, провод, угол, зубец и т. д.
Главное условие для начала разряда — вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов.
Для воздуха в нормальных условиях (при атмосферном давлении), предельное значение электрической напряженности составляет 30кВ/см, при такой напряженности на острие электрода уже появляется слабое свечение, напоминающее по форме корону. Вот почему разряд называется коронным разрядом.
Для такого разряда характерно протекание процессов ионизации только возле коронирующего электрода, при этом второй электрод может выглядеть вполне обычно, то есть без образования короны.
Коронные разряды можно наблюдать иногда и в природных условиях, например на верхушках деревьев, когда этому способствует картина распределения природного электрического поля (перед грозой или в метель).
Процессы при коронировании
Процесс формирования коронного разряда протекает следующим образом. Молекула воздуха случайно ионизируется, при этом вылетает электрон.
Электрон испытывает ускорение в электрическом поле возле острия, и достигает достаточной энергии, чтобы как только встретит на своем пути следующую молекулу — ионизировать и ее, и снова вылетает электрон. Число заряженных частиц, движущихся в электрическом поле возле острия, лавинообразно увеличивается.
Если острым коронирующим электродом является отрицательный электрод (катод), в этом случае корона будет называться отрицательной, и лавина электронов ионизации будет двигаться от коронирующего острия — в сторону положительного электрода. Образованию свободных электронов способствует термоэлектронная эмиссия на катоде.
Когда движущаяся от острия лавина электронов достигает той области, где напряженности электрического поля оказывается уже не достаточно для дальнейшей лавинной ионизации, электроны рекомбинируют с нейтральными молекулами воздуха, образуя отрицательные ионы, которые далее становятся носителями тока в наружной от короны области. Отрицательная корона имеет характерное ровное свечение.
В случае, когда источником короны является положительный электрод (анод), движение лавин электронов направлено к острию, а движение ионов — наружу от острия. Вторичные фотопроцессы возле положительно заряженного острия способствуют воспроизведению запускающих лавину электронов.
Вдали от острия, где напряженность электрического поля не достаточна для обеспечения лавинной ионизации, носителями тока остаются положительные ионы, движущиеся в сторону отрицательного электрода. Для положительной короны характерны стримеры, распускающиеся в разные стороны от острия, а при более высоком напряжении стримеры приобретают вид искровых каналов.
Коронный разряд на ЛЭП
На проводах высоковольтных линий электропередач тоже возможна корона, причем здесь это явление приводит к потерям электроэнергии, которая в основном расходуется на движение заряженных частиц и частично на излучение.
Корона на проводах линий возникает в том случае, когда напряженность поля на них превосходит критическую величину.
Коронирование в воздухе сопровождается фиолетовым свечением области короны, а также характерным шумом и потрескиванием.
В области короны происходят химические реакции, например, образование озона и окислов азота. Последние, образуя с водой азотистую кислоту, оказывают разрушающее действие на органическую изоляцию и металлы. Озон, распадаясь, дает кислород, последний также легко соединяется с металлами и органическими веществами.
Интенсивная ионизация при коронировании делает воздух вокруг коронирующего электрода проводящим. Все это вместе взятое обусловливает потери энергии при коронировании, которая расходуется на нагревание, химическое действие, свет, звук, конвекцию и т. д.
В электрических установках корона является вредной вследствие дополнительных потерь энергии и перечисленных вторичных процессов.
Корона вызывает появление высших гармоник в кривой тока, которые могут резко усилить мешающее влияние линий электропередач на линии связи, и активной составляющей тока в линии, обусловленной движением и нейтрализацией объемных зарядов.
Если пренебречь падением напряжения в коронирующем слое, то можно принять, что радиус проводов, а следовательно, и емкость линии периодически увеличиваются, причем колебание этих величин происходит с частотой, в 2 раза большей, чем частота сети (период этих изменений заканчивается в течение полупериода рабочей частоты).
Так как на потерю энергии при короне в линии существенное влияние оказывают атмосферные явления, то при расчете потерь необходимо учитывать следующие основные виды погоды: хорошая погода, дождь, изморозь, снег.
Самостоятельный разряд в его начальной стадии недостаточно интенсивен, поэтому корона получается невидимой. При невидимой короне уже имеются потери, обнаруживаемые приборами.
Критическое коронное напряжение и можно определить как напряжение, при котором зажигается самостоятельный разряд, возникает заметный ток через промежуток и начинаются потери. Помимо этих величин практически представляет интерес определение напряженности поля и напряжения видимой короны, мощности потерь на коронирование и радиуса коронирующего слоя.
Потери мощности на корону
Потери мощности от короны на проводах ВЛ могут достигать столь внушительных величин, что экономически целесообразно для их ограничения при проектировании увеличивать число и сечение проводов, а в эксплуатации понижать напряжение линии.
Различают два режима коронирования: местную и общую корону.
Режим местной короны характеризуется появлением па проводе отдельных коронирующих точек, число которых невелико. Этот режим имеет место при хорошей погоде, повышенной влажности воздуха и сопровождается небольшими потерями на корону.
Ухудшение погодных условий снег, туман, дождь, изморозь) приводит к увеличению числа коронирующих точек. Причем, при дожде и изморози провод коронирует на всей своей длине, что приводит к резкому скачку потерь мощности на корону. Этот режим определяется как общая корона.
Если на линии наблюдается местная корона, то это значит, что критическое напряжение общей короны больше напряжения ВЛ. Ухудшение погоды приводит к тому, что критическое напряжение ухудшается, причем, при сильном дожде и изморози оно падает в два раза по сравнению с хорошей погодой и оказывается меньше напряжения ВЛ. В результате наступает режим общей короны.
Так как наибольшие потери возникают при общей короне, то конструкция линии не должна допускать этого режима в течение длительного времени. Таким образом, основным режимом на ВЛ является местная корона.
Расчет потерь мощности на корону
Известные в прошлом методики, полученные теоретическим путём, позволяют рассчитывать характеристики коронного разряда при общей короне, поэтому для определения потерь мощности местной короны строились опытные пролёты, на которых измерялись зависимости потерь от напряжения.
Так как эти зависимости имели значительный разброс, то их анализ осуществлялся по видам погоды (хорошая погода, повышенная влажность воздуха, туман, сухой и мокрый снег, дождь, изморозь). Однако и внутри данного вида погоды разброс был значительным, причём диапазон колебаний потерь при заданном напряжении изменялся от года к году.
Чтобы обобщить богатый экспериментальный материал, для уменьшения разброса данных предпринимались попытки редуцировать потери мощности на корону. Редуцирование заключалось в том, что потери мощности на корону делились на константы, характеризующие конструкцию линии (радиус провода, число проводов в фазе, ёмкость фазы и т.д.).
Подбор этих констант определялся общими соображениями, хотя было ясно, что редуцирование потерь не может существенно снизить разброс зависимостей потерь на корону от напряжения, поскольку он определяется вероятностной природой изменений метеоусловий внутри данного вида погоды, воздействующих на величину потерь.
Таким образом, для решения задачи о расчёте потерь мощности на корону необходимо выбрать способ редуцирования потерь и найти вероятностные характеристики их при том или ином виде погоды.
Первая задача может быть решена путём теоретического анализа зависимости потерь на корону от напряжения с проверкой параметров этой зависимости на опытных пролётах. Вторая задача требовала продолжительных измерений потерь при номинальном или близком к нему напряжении.
Способы борьбы с эффектом коронирования
Для борьбы с данным явлением, провода ЛЭП расщепляют на несколько штук, в зависимости от напряжения на линии, чтобы уменьшить локальные напряженности вблизи проводов, и предотвратить образование короны в принципе.
Благодаря расщеплению проводов уменьшается напряженность поля вследствие большей поверхности расщепленных проводов по сравнению с поверхностью одиночною провода того же сечения, причем заряд на расщепленных проводах увеличивается в меньшее число раз, чем поверхность проводов.
Меньшие радиусы проводов дают более медленный рост потерь на корону. Наименьшие потери на корону получаются, когда расстояние между проводами в фазе будет 10 — 20 см. Однако из-за опасности зарастания гололедом пучка проводов фазы, что вызовет резкое увеличение давления ветра на линию, расстояние принимают равным 40 — 50 см.
Кроме того на высоковольтных ЛЭП применяют антикоронные кольца, представляющие собой тороиды из проводящего материала, обычно металла, который прикреплен к терминалу или другой аппаратной части высоковольтного оборудования.
Роль коронирующего кольца заключается в распределении градиента электрического поля и понижении его максимальных значений ниже порога короны, таким образом коронный разряд предотвращается полностью, либо разрушительные эффекты разряда хотя бы переносятся от ценного оборудования — на кольцо.
Антикоронные кольца также уменьшают потери энергии, вызванные коронным разрядом, а также шум и электромагнитные помехи, которые могут влиять на соседние линии связи. Антикоронные кольца также повышают изоляционную способность высоковольтного оборудования, защищая его от пробоя или повреждения.
Они могут быть разных форм и размеров, в зависимости от типа и напряжения оборудования, а также от окружающих условий. Обычно они имеют круглую или овальную форму, но могут быть и многоугольными или звездообразными.
Применение коронного разряда
Практическое применение коронный разряд находит в электростатических очистителях газов, а также для обнаружения трещин в изделиях.
В электростатических фильтрах отрицательные ионы, образовавшиеся вблизи коронирующего отрицательного электрода, обычно проволоки, прилипают к частицам пыли или тумана. Заряженные частицы перемещаются по направлению ко второму электроду и осаждаются на нем.
В копировальной технике коронный разряд используется для заряда и разряда фотобарабанов, и для переноса красящего порошка на бумагу. Кроме того, при помощи коронного разряда можно определить давление внутри лампы накаливания (по размеру короны в одинаковых лампах).
Коронный разряд также используется в некоторых методах обработки материалов, например, для повышения адгезии, очистки, активации или модификации поверхности полимеров, металлов, стекла и других материалов. Коронный разряд может изменять химический состав, морфологию, электрические и механические свойства поверхностного слоя материала.
Коронный разряд также используется в некоторых приборах измерения, например, в коронных вольтметрах, которые позволяют измерять высокое напряжение без физического контакта с проводником. Коронный разряд также может служить источником ионов для масс-спектрометрии, ионной мобильности и других аналитических методов.
Смотрите также: Газовая изоляция в технике высоких напряжений
Андрей Повный