Коронный разряд и его характеристики

Коронный разряд, или корона – это самостоятельный разряд, возникающий в резко неоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи.

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле:

, (1)

которая справедлива при отрицательной полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влияние полярности невелико.

При малых радиусах проводов (г₀ < 1 см) можно использовать формулу
Ф. Пика

. (2)

В формулах (1) и (2) Е_нвыражается в киловольтах на сантиметр (кВ/см);
r₀ – в сантиметрах (см); т – коэффициент гладкости провода. На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности (рис. 1), поэтому при одинаковых с гладкими проводниками напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряженности коэффициент гладкости т учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов различных марок коэффициент гладкости т = 0,82…0,94.

Рис. 1. Электрическое поле у поверхности многожильного провода

При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе (рис. 2).

Рис. 2. Распределение объемного заряда при униполярной короне на проводе

Напряженность поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Е_н. Увеличение напряжения па проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объемного заряда и снижению напряженности до Е_н.

Вследствие увеличения объемного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение короныr:

, (3)

где Н – высота одиночного провода над землей.

Так как объемный заряд при любой полярности провода перемещается от провода к земле, напряженность поля у поверхности провода стремится увеличиться. Однако из-за усиления при этом ионизации воздуха объемный заряд вблизи провода пополняется и напряженность поля в итоге сохраняется равной Е_н. Таким образом, вследствие непрерывного удаления объемного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго.

Движение ионов под действием сил электрического поля образует ток в промежутке между коронирующим проводом и землей. Для передвижения ионов необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха меньше.

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; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы.

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле. Однако 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 (длительность фронта – порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения 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.

При коронировании двух разноименно заряженных проводов (рис. 3) ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. В области пониженной напряженности поля – посередине между проводами – происходит частичная рекомбинация ионов. Значительная же их часть проникает в зону короны противоположной полярности, усиливая там поле. В результате этого интенсивность ионизации возрастает, ток короны, а следовательно, и потери энергии увеличиваются. Такой режим коронирования называется биполярной короной в отличие от униполярной короны показанной на рис. 2.

Рис.3. Распределение объемных зарядов при биполярной короне на проводах

При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряженность поля у провода достигает значения Е_н, и горит, пока напряжение не достигает максимума. После этого напряженность поля у провода становится ниже Е_н и корона потухает. Поскольку ионы имеют малую подвижность и напряженность поля у провода в каждый последующий полупериод усиливается объемным зарядом, оставшимся от предшествующего полупериода, мгновенное значение напряжения, при котором корона зажигается в каждый полупериод (напряжение зажигания), меньше начального напряжения. Зависимость напряжения зажигания от амплитуды напряжения на проводе называется характеристикой зажигания короны. Чем выше напряжение на проводе, тем больше напряжение зажигания отличается от начального. При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивно, чем при постоянном напряжении, и при равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда (начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи) значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность электрического поля у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается. Коэффициент гладкости провода должен учитывать изменение состояния провода при атмосферных осадках. Для оценки начальной напряженности по (1) можно принять коэффициент гладкости провода при инее, гололеде и изморози m = 0,6. В условиях дождя или снега коэффициент гладкости зависит от интенсивности осадков и принимается в пределах
m = 0,57…0,73.