Потери мощности из-за короны являются значительным фактором, влияющим на эффективность высоковольтных линий электропередач. Коронный разряд (коронный эффект, корона) возникает, когда напряженность электрического поля вокруг проводов превышает критический уровень, вызывая ионизацию окружающего воздуха и появление видимого разряда. Этот разряд сопровождается выделением энергии, которая уходит в окружающую среду, что приводит к потерям мощности.
Корона в системе передачи электроэнергии - это явление ионизации воздуха, окружающего проводник. Вокруг любого проводника линии передачи возникает градиент электрического поля, и, следовательно, градиенты потенциалов. Градиент увеличивается с ростом потенциала. При высоком потенциальном напряжении начинается ионизация.
Ионизированный воздух и свободные электроны перемещаются беспорядочно и сталкиваются с молекулами воздуха, что приводит к увеличению ионизации.
В результате движения молекул ионизированного воздуха возникает “шипящий звук”. Когда уровень ионизации очень высок, наблюдается фиолетовый цвет, и это явление называется визуальной короной. Ее можно увидеть в темное время суток на линиях высокого и низкого напряжения.
С увеличением градиента потенциала расширяется ионизированный слой. Иногда может возникнуть искра или вспышка между двумя проводниками или между проводником и землей.
Мощность, необходимая для ионизации, поступает от линии электропередачи и приводит к потерям в электрической системе. Это главный недостаток коронного разряда.
Коронный эффект имеет две основные составляющие потерь мощности: зависящую от частоты и независимую от нее.
Частотно-зависимая составляющая обусловлена переменным характером тока в линиях переменного тока, что приводит к более высоким потерям по сравнению с высоковольтными линиями постоянного тока (HVDC).
Потери мощности увеличиваются с ростом частоты, так что при нулевой частоте (в электрических системах постоянного тока) потери минимальны. Это объясняет, почему переход на HVDC становится предпочтительным для линий сверхвысокого напряжения, поскольку это позволяет существенно сократить потери мощности из-за короны.
Одним из основных факторов, влияющих на корону, является напряжение. Потери мощности из-за короны пропорциональны квадрату напряжения. Следовательно, на линиях сверхвысокого напряжения потери значительно выше, чем на линиях высокого напряжения.
Корона также усиливается при наличии пыли на поверхности проводов, поскольку пыль снижает критическое напряжение, при котором начинается корона. Аналогично, дождь и влажность воздуха способствуют ионизации, увеличивая потери мощности. При сильных дождях потери достигают насыщения и перестают увеличиваться.
В хорошую погоду, когда на проводах нет осадков, потери практически отсутствуют. Однако капли дождя, снег, иней и другие осадки, оседая на проводах, создают на них острые выступы, что приводит к уменьшению диаметра провода. Это, в свою очередь, снижает уровень критического напряжения на 30–50 %. В результате провода начинают коронировать.
Критическое напряжение при расчёте потерь мощности на корону — это напряжение, при котором напряжённость электрического поля у поверхности провода становится равной напряжённости возникновения короны. Когда напряжение достигает критического значения, напряжённость электрического поля больше не возрастает, и начинает возникать корона.
Среднегодовые потери на линиях электропередач (ЛЭП) составляют около 12 кВт/км для ЛЭП 500 кВ, 37 кВт/км для ЛЭП 750 кВ и достигнут 80 кВт/км для ЛЭП 1150 кВ при среднегодовом времени работы линии под напряжением 7000–8000 часов.
Для расчета потерь мощности из-за короны используются формулы Пика и Питерсона (Chattopadhyay S., Das A. "Overhead Electric Power Lines: Theory and Practice"). Формула Пика применяется, когда отношение напряжения к критическому напряжению меньше 1,8, в противном случае используется формула Питерсона.
Формула Пика:
Формула Питерсона:
Эти формулы показывают, что потери мощности возрастают с квадратом напряжения, что объясняет высокие потери на линиях электропередачи.
Формула Питерсона также учитывает диаметр проводов и расстояние между ними, что позволяет более точно оценить потери в зависимости от конструктивных параметров линии.
Методы снижения потерь мощности из-за короны включают увеличение расстояния между проводами, использование проводов большего диаметра, снижение рабочего напряжения и переход на HVDC.
Применение многожильных проводов и установка коронных колец также помогают уменьшить потери. Коронные кольца, изготовленные из проводящих материалов, снижают напряженность электрического поля на поверхности проводов, тем самым уменьшая ионизацию воздуха и потери мощности.
На линиях сверхвысокого напряжения для снижения потерь мощности на корону (500 кВ и выше) используют расщеплённые провода — группу из нескольких тонких проводов (диаметром 2–3 см), расположенных на расстоянии 40–50 см друг от друга и закреплённых изоляционными распорками. Такой пучок проводов по значению критического напряжения эквивалентен одному проводу большого диаметра.
На линии 500 кВ устанавливают три провода в пучке, на 750 кВ — четыре, а для линии 1150 кВ потребуется уже шесть-восемь проводов, при этом общий диаметр пучка достигает 1–1,5 метра. Однако даже расщепление проводов лишь частично снижает потери на корону, но не устраняет их полностью.
Исследования в области короны на воздушных линиях электропередачи показывают, что потери мощности из-за короны могут быть значительно снижены при правильном проектировании и использовании современных технологий.
Разработаны различные методы испытаний и вычислительные техники для определения потерь мощности, что позволяет более эффективно управлять высоковольтными системами и снижать нежелательные потери и повреждения.
Андрей Повный