Коронный разряд на проводах линий электропередачи

Объемный заряд короны, образовавшийся в один из полупериодов переменного напряжения, за время до изменения полярности провода может переместиться на несколько десятков сантиметров. Вследствие этого объемные заряды обоих знаков совершают возвратно-поступательное движение вблизи провода, медленно удаляясь от него в область слабого поля, и там рекомбинируют. Только несущественная часть объемного заряда может дойти до проводов соседних фаз. Вследствие этого процессы коронирования каждой из фаз трехфазной линии не влияют друг па друга (эффект биполярности отсутствует), и каждая фаза может рассматриваться изолированно от других.

Пусть одна из фаз подключается к источнику в нуль напряжения (рис. 4). При увеличении напряжения на проводе возрастает также напряженность электрического поля у его поверхности. (Масштабы напряжения и напряженности Е выбраны на рис. 4 так, что кривые в начальной части совпадают).

При u = U_н и Е = Е_н у провода начинается коронный разряд. Напряжение продолжает увеличиваться, а напряженность поля у поверхности провода остается постоянной и равной Е_н вследствие накопления положительного объемного заряда. В момент, когда напряжение достигает амплитудного значения U_m, коронирование прекращается. И если считать, что положительный объемный заряд остается неподвижным, то напряженность поля у провода в дальнейшем снижается по синусоиде, сдвинутой на Du относительно приложенного напряжения.

Рис. 4. Корона при переменном напряжении: а) изменение во времени напряжения источника (U) и напряженности электрического поля на поверхности провода (Е); ток короны –i_к и его первая гармоника i_к1

Когда напряженность поля достигнет в следующий полупериод значения – Е_н , коронирование возобновляется. Происходит это, как уже отмечалось, при напряжении зажигания u_заж < U_н. Во второй и каждый из последующих полупериодов коронирование более продолжительно, чем в первый после включения полупериод. Во второй полупериод сначала нейтрализуется положительный заряд, образовавшийся в первый полупериод, а затем в пространстве у провода накапливается отрицательный заряд. Далее процесс продолжается с переменой знаков заряда. При разложении тока короны нa гармоники становится очевидным, что первая его гармоника опережает напряжение на угол, меньший 90°. Значит, ток короны имеет активную и емкостную составляющие, т.е. при короне имеют место потери энергии и увеличивается емкость провода (рис. 5).

Рис. 5. Разложение тока короны (i_к) на активную составляющую (i_aк),
емкостную составляющую (i_ск) и третью гармонику (i_3к)

При увеличении амплитуды приложенного напряжения корона будет зажигаться при меньшем значении u_заж, а при значительном повышении напряжения – в нуль напряжения или даже в тот же полупериод, когда образовался объемный заряд. Последнее означает: объемный заряд так велик, что при уменьшении мгновенного значения напряжения он создает у провода напряженность поля, необходимую для возобновления процесса коронирования.

Из графика рис. 5 следует, что u_заж = U_н – Du, но Du U_н – U_mах, поэтому уравнение характеристики зажигания короны

u_заж = 2U_н – U_mах . (4)

Реальные характеристики зажигания отличаются от идеализированной. В реальных условиях при одной и той же амплитуде приложенного напряжения в положительный полупериод напряжение зажигания выше, чем в отрицательный. Это может быть связано с тем, что часть электронов не образует отрицательных ионов и покидает окрестности провода, поэтому отрицательный объемный заряд оказывается меньше, чем соответствующий положительный объемный заряд, и в меньшей степени усиливает поле у провода в положительный полупериод.

Другое отличие: реальные характеристики зажигания пересекают ось абсцисс при U_m > 2U_н. Дело в том, что ионы уходят от провода, и влияние объемного заряда на напряженность поля у его поверхности снижается. Это эквивалентно уменьшению Du и должно приводить в возрастанию u_заж. Однако в начальной части характеристик напряжение зажигания несколько ниже, чем по (4), поскольку воздух в зоне коронирования нагревается и значение U_нпонижается.

Для того чтобы исключить потери энергии на корону, а также уменьшить и радиопомехи, начальное напряжение короны должно быть не ниже наибольшего рабочего напряжения линии относительно земли. Обеспечить это соотношение надлежащим выбором диаметра проводов можно только для условий сухой погоды или используя расширенные провода (рис. 6). При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно.

Рис. 6. Конструкции сталеалюминевых расширенных проводов:

а – с бумажным заполнением 1; б – с секторными алюминиевыми трубками 2;
с алюминиевыми трубками 3 и бронирующим провивом из алюминиевых проволок 4; 5 – стальные проволочки сердечника; 6 – алюминиевые проволоки

Поскольку сухая погода на территории России составляет 70…90 % годового времени (6000 … 8000 ч из 8760 ч), то диаметр проводов выбирают из условий исключения короны в хорошую погоду.

Примем для упрощения выкладок Е_н = 30,3md. Тогда:

, (5)

где Н – высота подвеса проводов;

S – среднегеометрическое расстояние между проводами.

Условие исключения короны:

. (6)

Принимая т = 0,8, d =1 и (характерное для линий 110…220 кВ), получаем

d ³ 0,011 U_ном. (7)

Из (7) следует, что для линий электропередачи напряжением 110 и 220 кВ наименьшие диаметры проводов, при которых исключается корона в хорошую погоду, оставляют соответственно 1,2 и 2,4 см (при нормальных атмосферных условиях).

При номинальных напряжениях 330 кВ и выше необходимы провода еще большего диаметра, во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности. В таких случаях целесообразно иметь провода, площадь поперечного сечения которых по проводящему материалу и диаметру независимы. Это так называемые расширенные провода. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено еще в 1910 г. акад. В. Ф. Миткевичем и заключается в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряженность поля на их поверхности. Решающим является то, что заряд каждого провода q_l составляет только часть общего заряда расщепленной фазы

q₁ = q_ф/n = C_р.ф.U_ф/n, (8)

где n – число проводов в фазе;

С_р._ф – емкость единицы длины расщепленной фазы;

U_ф – фазное напряжение.

Если провода располагаются на равных расстояниях по окружности радиусом г_р, называемым радиусом расщепления (рис. 7), то в трехфазной системе емкость расщепленной фазы определяется как

(9)

где S – среднегеометрическое расстояние между фазами;

– эквивалентный радиус одиночного провода, имеющего ту же емкость, что и расщепленная фаза.

Средняя рабочая напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы с учетом (8) и (9) определяется как

, (10)

а максимальная как

Е_max = К_уЕ_ср , (11)

где – коэффициент, учитывающий усиление напряженности поля вследствие влияния зарядов на соседних проводах расщепленной фазы.

Наиболее существенное влияние на максимальную напряженность электрического поля оказывает радиус расщепления (рис. 7).

Рис. 7. Характеристики расщепленной фазы

При увеличении r_р, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны, увеличивается емкость фазы и соответственно ее заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления, при котором Е_max наименьшая (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость максимальной напряженности электрического поля на проводах расщепленной фазы от расстояния между проводами ВЛ 500 кВ
(n = 3, провод АСО 500)