5.3. Краткие теоретические сведения

5.3.1. Корона на проводах при переменном напряжении

Механизм короны на переменном напряжении существенно отличается от процессов коронного разряда на постоянном напряжении. Эти отличия обусловлены тем, что полярность провода ЛЭП переменного напряжения непрерывно изменяется, и объемный заряд каждой фазы удаляется от провода только в течение полупериода, и при перемене полярности он начинает притягиваться к проводу.

Считая, что напряженность на поверхности коронирующего провода в течение всего полупериода неизменна и равна критической, а во внешнем пространстве сохраняется условие E·r = const, наибольшее удаление объемного от оси провода можно приближенно оценить по формуле:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////(5.1)

где k - подвижность ионов; т - период напряжения;

Е_к - напряженность зажигания короны;

r_o - радиус коронирующего провода.

Например, при r_o = 1,25 см, К = 1,8 см²/В·с, Е_к = 36 кВ/см и Т = 0,02 с максимальное удаление объемного заряда от провода составит 40 см, что значительно меньше расстояния между фазами в реальных ЛЭП. Поэтому при переменном напряжении промышленной частоты объемные заряды каждой фазы могут рассматриваться независимо друг от друга, хотя теоретические расчеты и измерения показывают, что перемещение объемных зарядов в окрестности провода носит более сложный характер.

Объемный заряд, создаваемый во внешней зоне ионизации при коронировании провода, распределяется в виде своеобразных волн, форма которых изменяется во времени. Часть генерируемого заряда совершает поступательно-возвратное движение, в результате которого после некоторого удаления от провода заряды возвращаются к его поверхности и нейтрализуются на ней. Область в окрестности провода, в которой движение зарядов имеет такой пульсирующий характер, называется зоной пульсаций объемного заряда.

Другая часть зарядов при своем обратном движении к проводу не достигает его поверхности и в дальнейшем вновь удаляется от него, но уже на большее расстояние, чем в первый полупериод существования данной волны. Таким образом, эта часть объемного заряда совершает колебательно-поступательное движение, постепенно удаляясь со временем к противоположенному электроду. Область, в которой происходит движение таких зарядов, называется зоной дрейфа объемного заряда, заполненной зарядами разной полярности, созданными в разные полупериоды. Плотности этих зарядов существенно ниже плотности зарядов в области пульсаций. В силу этого объемный заряд зоны дрейфа практически не влияет на процессы коронирования и в первом приближении его можно не учитывать.

Таким образом, при переменном напряжении промышленной частоты коронный разряд на каждой фазе высоковольтных ЛЭП идет практически независимо от процессов коронирования соседних фаз, что позволяет рассмотреть механизм короны на трехфазной линии для одной отдельно взятой фазы..

.(5.2)

Механизм потерь на корону при переменном напряжении

Потери на корону при переменном напряжении связаны с перезарядкой чехла короны, происходящей не синхронно с изменением напряжения. Теоретический анализ (методика ВНИИЭ) показывает, что потери Р для одиночных проводов выражаются функциональной зависимостью:

…………………………………………………………………………………….(5.3)

где r_o - радиус провода;

Е - напряженность на поверхности провода;

Е_н - начальная напряженность короны.

……………………………………………………………………

Как уже отмечалось выше, с момента зажигания короны во внешней области начинает формироваться объемный заряд, обусловленный ионизационными процессами в окрестности провода. Эти процессы являются нелинейными, и кривая суммарного заряда становится несинусоидальной функцией. Поэтому после момента зажигания короны кривая суммарного заряда Q пойдет выше синусоиды приложенного напряжения (рис. 5.1 , а).

После погасания короны объемный заряд остается практически неизменным, в момент t₅ он начинает уменьшаться (идет рекомбинация), а в момент t₆ меняет знак на противоположенный (рекомбинация закончена). Видно, что при наличии короны изменение заряда во времени становится несинусоидальным, увеличивается максимальное значение заряда. При этом кривые заряда и напряжения не совпадают по фазе. Вследствие этого в линии появляются высшие гармоники тока, увеличивается эффективная емкость линии и возникают потери энергии.

Когда короны на линии нет, потери на линии отсутствует (если пренебречь активными потерями в проводах и диэлектрическими потерями в изоляторах), т.о. энергия, затраченная источником на создание электрического поля в течение одного полупериода, в течение другого полупериода полностью возвращается в источник. Иная картина возникает при наличии короны, когда источнику возвращается только часть этой энергии, определяемой зарядами на проводе, а энергия, связанная с объемными зарядами вблизи провода и приблизительно равная

сохраняется в виде остаточного электрического поля, которое затем будет компенсировано зарядом противоположенного знака в последующий полупериод. Следовательно, возникают потери, связанные с наличием короны. Объемный заряд не может вернуться на провод после погасания короны из-за сопротивления молекул воздуха, которые оказывают последние направленному движению ионов. Поэтому потери энергии на корону идут на увеличение скорости молекул, т.е. на нагревание воздуха.

Во время горения короны той или иной полярности ток короны накладывается на синусоидальный емкостный ток линии, определяемый напряжением источника и геометрической емкостью линии, т.е.

(5.4)

Изменение формы кривой емкостного тока при загорании короны можно наблюдать на экране осциллографа. При снятии ВАХ короны на проводах ЛЭП переменного напряжения с помощью осциллографа о появлении короны можно судить также по возникновению всплеска тока. Типичная картина ВАХ приведена на рис. 5.2.

Изменение заряда коронирующей линии можно наглядно представить с помощью вольт-кулоновой характеристики, которая показывает зависимость мгновенного значения заряда от мгновенного значения напряжения. Вольт-кулоновые характеристики при различных амплитудах приложенного напряжения в стилизованном виде представлены на рис. 5.3, где цифрами обозначены характерные точки, соответствующие отдельным моментам времени на рис. 5.1.

Прямолинейные участки этих характеристик (2-5, 7-8) соответствуют интервалам времени, когда корона не горит, изменяется только заряд на проводе и, следовательно, наклон вольт-кулоновой характеристики определяется геометрической емкостью линии С_r.

Потери энергии на корону за один период можно определить как:

(5.5)

Т.е. они пропорциональны площади вольт-кулоновой характеристики.

Таким образом, определение потерь на корону при переменном напряжении могло бы сводиться у расчету вольт-кулоновой характеристики и определению ее площади. Понятно, что такой путь легче всего реализовать в лабораторных условиях. В реальных условиях использование указанной методики связано со значительными трудностями.

Площадь вольт-кулоновой характеристики определяет потери энергии за период в коронирующем промежутке (формулы 5.5, 5.6). Для чего строят графики зависимости мощности потерь на корону от напряжения, причем напряжение необходимо откладывать в относительных единицах U/U_н.

Зависимость I_K = f(U) позволяет по спрямленным характеристикам найти напряжение начала местной и общей короны. Экспериментальные точки этой зависимости ложатся таким образом, что по этим точкам можно провести две прямые (рис. 5.3), пересекающие ось напряжения. Причем напряжение начала общей короны имеет больший угол наклона, чем напряжение местной короны.

Практические способы расчета потерь на корону

В практической деятельности при расчете потерь на корону очень часто используются эмпирические и полуэмпирические формулы различных авторов, полученные в разное время на основе обобщения довольно обширных опытных данных.

Наиболее распространенной формулой для расчета мощности потерь на корону при переменном напряжении является эмпирическая формула американского инженера Пика:

Для идеально гладкого провода коэффициент m1 приближается к единице. Для реальных линий электропередачи, у которых провода фаз скручены из отдельных проволок и имеют волнистую поверхность m=0,85-0,90. Наличие заусенец, царапин приводит к снижению коэффициента m1 и, следовательно, к снижению U_o за счет усиления поля в области этих неоднородностей. При старении провода шероховатости, неровности под действием окислительных процессов, вызванных ионизацией, разрушаются, в результате чего провод становится более гладким и коэффициент m1 возрастает.

При оценке потерь на корону на линиях сверхвысокого напряжения формула Пика дает плохое совпадение расчетных и экспериментальных данных и ее в таких случаях применять не рекомендуется. Однако, как мы увидим ниже, она позволяет выбирать пути для уменьшения потерь на корону.

Достаточно широкое распространение для расчета мощности потерь на корону получила формула Майра, которая может использоваться как для одиночных, так и для расщепленных проводов:

Формула (5.9) предусматривает, что все многообразие погодных условий сводится к двум категориям: «хорошая» погода (К=44; Е_к=17 кВ/см) и «плохая» погода (К=31,5; Е_к=17 кВ/см).

Формула Майра позволяет оценить порядок среднегодовых потерь на корону, если известна удельная продолжительность хорошей и плохой погоды за год в районе прохождения трассы ЛЭП.

Для грубой оценки продолжительность плохой погоды оценивается в 10% и тогда среднегодовая мощность потерь

P_ср.год=0,1∙P_пл+0,9∙P_хор (5.11)

Для более точного определения потерь на корону во многих странах сооружаются опытные участки ЛЭП высокого напряжения, на которых разрабатываются методы измерения потерь на корону и методики их расчета.

Методы уменьшения потерь на корону

При сооружении ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения широкое распространение получили расщепленные провода, в которых каждая фаза вместо одного провода большого сечения, обычно специальной и иногда сложной конструкции, заменяется несколькими более тонкими стандартными проводами, расположенными на некотором удалении друг от друга, но с суммарным сечением, равным или несколько превышающим сечение одинарного провода. Идею применения расщепленных проводов для уменьшения потерь на корону предложил академик В.Ф. Миткевич. Применение расщепленных проводов позволяет также существенно снизить уровень радиопомех.

Уменьшение потерь на корону при использовании расщепленных проводов достигается за счет выравнивания поля по сравнению с одинарным проводом (рис. 5.4.), снижением максимальной напряженности на поверхности провода и уменьшением площади коронирующих участков провода.

Расщепление проводов позволяет отказаться от применения более дорогих специальных проводов, но монтаж расщепленных проводов сложнее и требует специальных устройств для подвески проводов расщепленной фазы и поддержания между ними с помощью специальных распорок необходимого шага расщепления (а = 40-50 см).

В табл. 5.1. приведено рекомендуемое количество проводов в расщепленной фазе в зависимости от номинального напряжения линии.

Таблица 5.1 - Число проводов В фазе в зависимости от номинального напряжения

Применение расщепленных проводов приводит к уменьшению индуктивности линии. При этом уменьшается волновое сопротивление линии, что способствует повышению пропускной способности передачи. Это особенно важно для линий сверхвысоких напряжений, предназначенных для передачи очень больших мощностей.

Одним из путей дальнейшего повышения рабочего напряжения ЛЭП и снижения потерь на корону является использование расширенных проводов с электроизоляционным сердечником. В этом случае для ЛЭП с U_н=750 кВ достаточно трехкратного расщепления. На рис. 5.5. представлена конструкция расширенного провода (США). Имеются и другие конструкции расширенных проводов, где в качестве сердечника используется бумажное заполнение, или его роль могут выполнять секторные алюминиевые трубки, уложенные вокруг стального сердечника.

Важным средством борьбы с короной является использование экранов. Экран представляет собой кожух или короб, изготовленный из тонколистовой стали, который как бы охватывает собой все коронирующие детали (болты, гайки, острые выступающие детали и т.п.) и соединенный электрически с коронирующими деталями, т.е. имеющий тот же потенциал, что и коронирующие части установки. Применение экранов позволяет улучшить эстетический вид установки.