Лекции

tр=tх+ tс+ tф

(2.50)

где

tх – холостое время. Это время подъема напряжения до значения Uн, при котором выполняется условие самостоятельности разряда;

tс – статистическое время запаздывания. Время ожидания появления в промежутке эффективного начального электрона, то есть электрона, образующего начальную лавину.

tф – время формирования разряда. Время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка.

Часто (tс+ tф) называют временем запаздывания разряда:

tз= tс+ tф

(2.51)

При увеличении напряжения tз уменьшается так как повышается вероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станут

эффективными, и tс уменьшается. Сокращается также и tф поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов в промежутке. Поэтому чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда.

Вольт – секундная характеристика воздушного промежутка –

зависимость максимального напряжение разряда от времени действия импульса.

Вольт – секундные характеристики зависят от формы импульса. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных

конструкций установлен стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс (рис.

2.11).

tф – длительность фронта; tи – длительность импульса.

Для экспериментального определения вольт-секундной характеристики на исследуемый промежуток подаются импульсы стандартной формы. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек (Рис.2.12), для которой указывается средняя кривая и границы разброса времени разряда.

Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке (Рис.2.13).

Разряд в промежутках с однородным или слабонеоднородным полем формируется за весьма малое время при напряжении, равном начальному значению. Поэтому вольт-секундная характеристика параллельна оси абсцисс, и только при временах разряда порядка 1 мкс и меньше разрядное напряжение увеличивается.

Вольт-секундные характеристики промежутков с резконеоднородным полем имеют достаточно большую кривизну, поскольку в таких промежутках время формирования разряда очень сильно зависит от значения приложенного напряжения.

ЛЕКЦИЯ 6 РАЗДЕЛ 2 (продолжение)

2.9Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи

2.9.1Коронный разряд и его характеристики

2.9.2Коронный разряд на проводах линий электропередачи

2.9.3Вольт-кулоновые характеристики коронирующего провода

2.9.4Ограничение потерь на корону

2.9.5Потери энергии на местную корону

2.9.1Коронный разряд и его характеристики

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

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

		0,65
Ен = 24,5mδ				(2.52)
	1	+ (δr)0,38

при r<1 см используется формула Ф.Пика:

			Ен				0,3				(2.53)
				=	30,3mδ 1+
							δr
где:
Ен=[кВ/см],			r=[cм],		δ =	PT 0
						Tp0
m	-	коэффициент гладкости провода, учитывающий форму поверхности витого
		провода;
m=0,82÷0,94			-	хорошие атмосферные условия;
m=0,6			-	при инее, гололёде, изморози;
m=0,57÷0,73			-	при дожде, снеге.

Ионизационные процессы в коронном разряде происходят лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, в рассматриваемом случае вблизи провода, в узкой зоне, которая обычно называется чехлом короны.

За счет процессов ударной ионизации в чехле короны непрерывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, под действием электрического поля выходят из чехла короны во внешнюю область и постепенно перемещаются к противоположному электроду.

Значение и характер пространственного распределения объемного заряда внешней области короны (объемный заряд зоны ионизации не учитывается) должны быть такими, чтобы напряженность поля на поверхности коронирующего провода оставалась бы равной начальной, независимо от значения приложенного напряжения. Это так, поскольку

u=qпр/С+∆uоб , где

u – напряжение между электродами; qпр – заряд на проводе;

С – емкость между проводом и противоположным электродом; ∆uоб – напряжение создаваемое объемным зарядом.

Наличие напряжения ∆uоб уменьшает заряд на проводе, а следовательно, и напряженность электрического поля на его поверхности

eпр= qпр/2πεε0r. Если напряженность поля на поверхности провода сделается меньше начальной, ионизация в чехле прекратится, взамен уходящему на противоположный электрод заряду из чехла короны не будет выделяться

новый заряд, суммарный заряд в объеме и ∆uоб уменьшается. В результате увеличится заряд на проводе и напряженность поля на его поверхности возрастет до значения ЕН, после чего заряд в объеме приобретет свое прежнее значение. Если напряженность поля на поверхности провода превысит ЕН, интенсивность ионизации в чехле короны возрастает, из чехла короны будет выделяться больший заряд, чем заряд, уходящий к противоположному электроду, суммарный заряд во внешней зоне возрастает, благодаря чему напряженность поля на поверхности провода снизится до значения ЕН.

Это свойство коронного разряда (eпр=ЕН) является весьма важным, так как оно регулирует величину объемного заряда во внешней зоне. Движение этого объемного заряда под действием электрического поля создает ток короны, который на много порядков превышает нормальный ток утечки в линиях электропередачи. Связанные с прохождением этого тока потери энергии могут иметь очень большую величину, соизмеримую с потерями в активных сопротивлениях проводов под действием рабочего тока.

Итак, потери на корону связаны с относительно медленным (со скоростью ионов) движением объемного заряда внешней зоны.

Для чехла короны характерны быстрые процессы, происходящие со скоростью электронов или стримеров. Поэтому ток короны, помимо медленно меняющейся составляющей, определяемой перемещением объемного заряда, содержит большое количество кратковременных пиков, соответствующих развитию стримеров или групп лавин. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, который соответствует радиотехническому диапазону.

Таким образом, появление коронного разряда на проводах линий электропередачи сопровождается потерями энергии и радиопомехами.

Необходимость ограничения до приемлемых значений уровня потерь энергии и радиопомех приводят к тому, что рациональная конструкция проводов и арматуры ЛЭП в значительной мере определяется коронным разрядом, особенно при наивысших номинальных напряжениях. В последующих параграфах коронный разряд на проводах будет рассматриваться именно с этой точки зрения.

2.9.2 Коронный разряд на проводах линий электропередачи

2.9.2.1Коронный разряд на проводах линий электропередачи 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). При униполярной короне вся внешняя зона заполнена зарядами того же знака, что и коронирующий провод (рис. 2.14)

Напряженность поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Ен. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объёмного заряда и снижению напряженности до Ен. Вследствие увеличения объёмного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение.

Рис. 2.14 Распределение объёмного заряда при

U н = Eн rln	2H	(2.54)
	r

где:

Н - высота одиночного провода над землей.

Вследствие непрерывного удаления объёмного 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 энергию на ионизацию воздуха много меньше.

Биполярная корона корона возникает в том случае, когда коронирующие провода имеют противоположную полярность (например, промежуток провод-провод).

При коронировании двух разноименно заряженных проводов (рис. 2.15) ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. Если бы на границе нулевого потенциала 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 ∆uоб. Для того чтобы

восстановить нормальное значение ∆uоб, обеспечивающее сохранение начальной напряженности поля на поверхности провода, ионизация в чехле короны должна возрастать и из чехла короны должен выделяться больший заряд, часть которого тратиться на нейтрализацию заряда противоположного знака. Благодаря этому ток короны, а следовательно и потери энергии в биполярной короне значительно больше, чем в униполярной.

Рис. 2.15 Распределение объёмных зарядов при биполярной

короне на проводах.

На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение при этом резко снижается. Коэффициент гладкости провода должен учитывать изменение состояния провода при атмосферных осадках.

m=0,6 – при инее, гололёде, изморози;

m=0,57÷0,73 – при дожде, снеге.

2.9.2.2Коронный разряд на проводах линий электропередачи при переменном напряжении

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы (рис. 2.16,а).

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле (рис.2.16,б). Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают, и корона из лавинной переходит в стримерную.

Рис. 2.16 Стримерная (а) и лавинная (б) короны на

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень

крутым фронтом ( τф порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создаёт помехи радио- и телеприему. При коронировании проводов ВЛ сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект особенно сильный при дожде.

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 процесса коронирования каждой из фаз трехфазной линии не влияют друг на друга (нет эффекта биполярности) и каждая фаза может рассматриваться изолированно от других.

Пусть одна из фаз подключается к источнику в нуль напряжения (рис. 2.17). Напряженность на поверхности провода при отсутствии короны

	eпр =	UфC	. При увеличении напряжения на проводе возрастает также
		2πεε0 r

напряженность электрического поля у его поверхности. При U=Uн и Е=Ен у провода начинается коронный разряд. Напряжение продолжает увеличиваться, а напряженность поля у поверхности провода остается постоянной и равной Ен вследствие накопления положительного объёмного заряда.

Таким образом, после зажигания короны кривые напряжения и напряженности поля расходятся. U продолжает изменяться по синусоиде, а Е=Ен=const. В связи с этим остается неизменным и заряд на проводе

qпр = 2πεε0 r Eн , а следовательно и создаваемое этим зарядом напряжение

uпр = qCпр . Разница напряжений ∆u =uф −uпр поддерживается объемным

зарядом. Так как объемный заряд распределен в пространстве, суммарный заряд qΣ = qпр + qоб оказывается существенно больше q =uфC , который был

бы на проводе при том же напряжении, если бы корона отсутствовала. Таким образом, возникновение короны сопровождается увеличением ёмкости линии

от обычной величины С (СГ – «геометрической») до эквивалентной Cэ	= qΣ ,
	uф

которая с ростом напряжения воз растает в связи с постепенным удалением qоб от коронирующего провода.

После того, как напряжение источника достигло максимума, общий заряд qΣ должен начать уменьшаться. В момент, когда напряжение достигает

амплитудного значения Um, коронирование прекращается. Так как заряд в объеме является малоподвижным, в первую очередь будет уменьшаться заряд на проводе. Это немедленно приведет к уменьшению напряженности пола и погасанию короны.

Рис. 2.17 Корона при переменном напряжении

а) изменение во времени Uисточника и Е на поверхности провода

б) ток короны (iк) и его первая гармоника (iк1)

Когда напряженность поля достигнет в следующий полупериод значения –Ен, коронирование возобновляется. Происходит это при напряжении заживания uзаж<uн. Во второй и каждой 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. Первая гармоника тока короны опережает напряжение на угол меньше 90°, значит имеет активную и емкостную составляющие, т.е. при короне имеет место потери энергии и увеличение емкости провода.

Из графика рис. 2.17 uзаж = uн − ∆u , но ∆u =um −uн , поэтому уравнение характеристики зажигания короны

uзаж = 2uн −uм

(2.55)

2.9.3 Вольт-кулоновые характеристики коронирующего провода

Существует ряд способов измерения потерь энергии и мощности на корону. В лабораторных условиях удобнее всего снимать зависимость