Коронный разряд. Характеристики потерь на корону и радиопомех

Ионизационные процессы у поверхности проводов воздуш­ных линий при рабочем напряжении возникают в узкой обла­сти высокой напряженности поля при выполнении условия самостоятельности разряда. Эта форма разряда получила назва­ние коронного по чисто внешнему признаку — слабо светяще­муся в темноте голубому ореолу вблизи проводов. Как правило, провода ВЛ выбираются таким образом, чтобы максимальная напряженность на поверхности провода при наибольшем рабо­чем напряжении не превосходила начальной напряженности коронного разряда. Однако неровности на поверхности провода из-за механических повреждений (заусенцы, царапины), за­грязнений (капли смазки, твердые частицы), осадков (капли дождя, росы, снег, изморозь, гололед, иней) приводят к мест­ному увеличению напряженности электрического поля. В ре­зультате коронный разряд на проводах воздушных линий воз­никает при напряжении, значительно меньшем, чем начальное напряжение самостоятельного разряда на чистых проводах с неповрежденной поверхностью. Такого типа коронный разряд получил название местного (местная корона). Специфическая особенность местной короны— случайность числа, формы и размеров образований на поверхности провода, являющихся источником коронного разряда, исключает возможность строгого математического анализа явления и определения его характе­ристик расчетным путем. Это обстоятельство определило необ­ходимость тщательного экспериментального исследования мест­ной короны на реальных проводах линий, накопления обшир­ного экспериментального материала.

Образование вблизи поверхности провода и движение в его поле объемного заряда ионов приводит к потерям энергии. По­тери энергии определяются передачей энергии ускоряемыми полем ионами нейтральным молекулам газа, т. е. имеют тепловую природу. Иными словами, образование и перемещение ионов вблизи проводов приводит к нагреву газа, незначительному ввиду малости плотности тока в газе. Тем не менее перемещение ионов за период напряжения на расстояние около 1 м в сильном поле провода вызывает потери, равные десяткам киловатт ка 1 км длины линии.

В работе [16] обобщены результаты выполненных в СССР экспериментальных исследований потерь от коронного разряда на опытных пролетах линии с одиночными и расщепленными проводами. Рекомендовано разделить все многообразие погод­ных условий на четыре группы: хорошая погода (без осадков), дождь (включая мокрый снег и морось), сухой снег и изморозь, (включая гололед и пней). Среднегодовые потери на ко­рону для линии электропередачи определяются суммированием потерь по группам погоды с учетом продолжительности каждого вида погоды вдоль трассы проектируемой линии:

где Ф — относительная продолжительность 1-й группы погоды 1.1 год; ДР_к — среднегодовая мощность потерь при 1-й группе погоды.

Продолжительность изморози относительно мала. Однако чрезвычайно большие потерн при этом виде погоды приводят к тому, что потерн при изморози составляют значительную часть среднегодовых потерь (до 50%). Поэтому учет изморози обязателен при определении среднегодовых потерь на корону. Как указывалось ранее, местная корона на проводах ВЛ возникает при напряжении, значительно меньшем, чем началь­ное напряжение короны Uнач. Тем не менее начальное напряже­ние коронного разряда на проводах является важным пара­метром, позволяющим обобщить результаты эксперименталь­ных исследований потерь от коронного разряда на проводах различной конструкции и обеспечить возможность использова­ния единой методики для оценки среднегодовых потерь на корону (см. ниже). При этом по измеренным значениям началь­ного напряжения короны на одиночных проводах определяется условное (расчетное) значение начальной напряженности ко­роны

где С — емкость провода; г0— его внешний радиус. Эта вели­чина Е_нач соответствует реальной физической величине только для идеально гладкого и чистого провода. Во всех других слу­чаях истинное значение максимальной напряженности (с уче­том негладкости витых проводов, повреждений и загрязнений) значительно больше определяемой по формуле (1.86).

Величина Е_нач зависит от внешнего радиуса провода, плот­ности воздуха и степени негладкости провода:

где m_нг—коэффициент негладкости поверхности провода; Е_нач — кВ/см. Относительная плотность воздуха

где р и Т — давление и абсолютная температура воздуха, р₀ = 760 мм рт. ст. и Т₀ = 293 К—базовые их значения.

Для наиболее распространенных в настоящее время сталеалюмнниевых проводов, наружная поверхность которых обра­зуется рядом алюминиевых жилок круглого сечения диамет­ром 3—4 мм, m_нг = 0,82. Для проводов, поверхность которых об­разуется плоскими полосами, m_нг = 0,90.

Связь между начальным напряжением и начальной напря­женностью короны на расщепленных проводах несколько ус­ложняется из-за взаимного электростатического влияния со­ставляющих расщепленного провода.

Для сопоставления потерь на корону на проводах различ­ной конструкции можно воспользоваться теорией подобия, со­гласно которой связь между потерями на корону и напряже­нием на линии в критериальной форме имеет вид

В действительности воздушные линии переменного тока сочетаются отнюдь не по принципу геометрического подобия. Различие фазы линии различного типа и класса различаются в 1,5—2 раза и более. В этих условиях более обоснованной является запись соотношения между ДР_к и U в форме (1.89). Окончательный выбор формы записи критериального соотношения может быть произведен только на основе обработки экспериментальных данных с использованием критерии минимум разброса обобщенных экспериментальных данных.

Обработка экспериментальных данных позволила установить зависимость (1.87) для каждого из видов погоды в форме, удобной для использования при оптимизации конструкции проводов:

где А, N — числовые параметры.

Экспериментальные данные о потерях на корону, полученные в основном в 50-х годах, в большинстве относятся к области U/U_нач<0,85. При этом экспериментальные данные для 0,6<U/U_нач<0,75 оказывают существенное влияние на параметры А_i и N_i зависимости (1.92), определяемые методом наименьших квадратов. Ограниченность сведений в области значений 0,85<U/U_нач<0,95 определяет невысокую достоверность аппроксимирующих функции для этой области, особенно при хорошей погоде и изморози, вносящих наибольший вклад в среднегодовые потери на корону.

В табл. 1.2 приведены параметры А_i и N_i аппроксимирую­щих функций.

Эти функции позволяют вычислить среднегодовые потери на корону по формуле (1.85) с учетом продолжительности погоды каждой группы для заданного климатического района:

где U_ф — среднее эксплуатационное фазовое напряжение.

Следовательно, среднегодовые, потери на корону, отнесен­ные к единице длины одной фазы линии:

Формула (1.94) определяет средние годовые потери на корону на холодных проводах (без тока). При протекании по проводам тока возникает разность температур провода и окружающего воздуха, что приводит к значительному уменьше­нию образования неоднородностей на поверхности проводов

(иголок изморози, капель дождя и т. п.). В связи с этим потери на корону уменьшаются. Это уменьшение может быть учтено множителем, зависящим от плотности тока;

(1.95)

где I — средняя плотность тока в проводах линии.

При создании унифицированных конструкций линий целесо­образно ориентироваться на усредненные данные потерь на ко­рону. Средняя продолжительность различных групп погоды для средней полосы европейской части СССР и Западной Сибири приведена в табл. 1.3.

При вычислениях по усредненным продолжнтельностям групп погоды целесообразно преобразовать аппроксимирующие функции таким образом, чтобы для всех групп погоды показа­тель степени N был одинаков. Методом наименьших квадратов подобраны такие аппроксимирующие функции при показателе степени N=7

Интересно отметить, что несмотря на малость потерь на ко­рону при хорошей погоде по сравнению с потерями при осадчах, относительно большая длительность хорошей погоды •мределяет заметный вклад потерь при хорошей погоде в сред­негодовые потери энергии (около 25—30%)

С учетом данных табл. 1.4. формулу (1.95) можно перепи­сать:

Для трехфазной линии среднегодовая мощность потерь на корону определяется суммированием потерь трех фаз линий с соответствующими значениями С'нач- С достаточной для прак­тики точностью среднегодовая мощность может быть вычис­лена исходя из среднего по трем фазам начального напряже­ния короны:

Тогда среднегодовые потери на корону трехфазной линии

Как видно, среднегодовые потери на корону увеличиваются пропорционально квадрату фазного напряжения и при задан­ном рабочем напряжении — пропорционально пятой степени от­ношения U_ф/U_нач (рис. 1.20). При увеличении плотности тока потери на корону уменьшаются.

Поскольку натуральная мощность линии также увеличивается пропорционально квадрату рабочего напряжения, относительные «потери на корону для линии длиной l (и метрах)

не зависят от класса напряжения линии (z_в— волновое сопро­тивление линии).

Для ВЛ с расщепленными проводами z_в<300 Ом. Поэтому для оценки относительных потерь на корону примем z_в= 250 Ом. Отношение U_ф/U_нач принимается согласно ПУЭ рав­ным 0,9. Плотность тока I примем равной 1 А/мм2, а длину линии будем подставлять в тысячах километров и обозначим l'. При этом формула (1.98) примет вид

Умножая числитель и знаменатель левой части этого соот­ношения на передаваемую по линии мощность, получаем отношение среднегодовых потерь на корону к передаваемой мощ­ности:

откуда следует, что относительные потери на корону состав­ляют примерно 1 % от передаваемой мощности на каждую ты­сячу километров линии. На первый взгляд это немного, однако

выполненные оценки во введении показывают, что такие потери могут оказывать большое влияние на технико-экономические показатели линий. При уменьшении отношения U_ф/U_нач от 0,9 до 0,8 (при увеличении поверхности проводов всего на 15%) относительные потери на корону согласно формуле (1.99) уменьшаются до 0,5 % передаваемой мощности на 1000 км длины линии.

Потери па корону сравнимы с потерями на нагрев проводов

где р — удельное сопротивление проводов; F — их активное сечение:

Следует отметить, что мощность потерь на корону распределяется в течение суток резко неравномерно. Наибольшие потери соответствуют интервалу времени от 22 до 6 ч. На ночной интервал, составляющий одну третью часть суток, приходится половина потерь энергии за сутки. Происходит это из-за повышенного уровня влажности воздуха в ночные часы, замедленного испарения влаги с проводов, что способствует образованию и сохранению в течение продолжительного времени капелек плат на поверхности проводов, являющихся источниками ко­роны.

Поскольку в ночные часы потребление энергии (как промышленными предприятиями, так и в быту) существенно уменьшается, увеличение потерь на корону не требует увели­чения устанонленной мощности электростанции, а только некоторого увеличения выработки на них энергии в часы провала нагрузки, т. е. некоторого увеличения потребления топлива. Это обстоятельство учитывается при определении стоимости потерь энергии, вследствие чего стоимость потерь энергии на нагрев проводов и на корону оказывается различной.

Локальные разряды на поверхности проводов ВЛ не ста­бильны, но происходят в виде следующих одна за другой вспышек, вызывающих протекание импульсов тока разряда. При отрицательной полярности напряжения эти вспышки имеют дли­тельность порядка 10^-8 с и амплитуду 10^-2 А. При положитель­ной полярности напряжения наряду с аналогичными импуль­сами наблюдаются импульсы с амплитудой порядка десятых долей ампера и длительностью порядка десятых долей микро­секунды, вызываемых развитием стримеров. Стримеры разви­ваются в сильном поле провода со скоростью 10⁶—10⁷ м/с и достигают длины 3—5 см. Число положительных и отрицатедьных зарядов (положительных ионов и электронов) в стримере одинаково за исключением кончика стримера, который содер­жит небольшой положительный заряд (рис. 1.21). Электроны движутся вдоль стримера со скоростью примерно 105 м/с, что приводит к образованию избыточного положительного заряда, который как бы продвигается от кончика стримера к поверхно­сти провода (рис. 1.21). При указанной длине стримеров время образования избыточного положительного заряда составляет 0,3—0,5 мкс.

Появление избыточного положительного заряда связано с протеканием тока смещения в пространстве, окружающем

место развития стримера, и с протеканием тока вдоль провода, что является причиной возникновения и распространения вдоль линии электромагнитной волны.

Образовавшийся положительный объемный заряд переме­щается от поверхности провода со скоростью u=2*10^-4 Е, что вблизи поверхности провода составляет (2/6)•10² м/с. Сле­дующий стример развивается только после устранения этого заряда из зоны высокой напряженности вблизи провода.

Спектр электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии (с затуханием), определяется интегральным эффектом от всех очагов стримерной короны. Он чрезвычайно широк (от сотен килогерц до десятков мегагерц), что и является причи­ной возникновения проблемы радиопомех и помех в высокочастотных каналах связи ВЛ.

Увеличение числа одинаковых составляющих проводов в фазе приводит к увеличению суммарной поверхности провода и соответственно числа источников стримерной короны. Это яв­ление должно было бы вызвать увеличение уровня радиопомех. Однако наличие соседних составляющих приводит к подавле­нию радиопомех от каждого из проводов вследствие индуци­рования и соседних проводах токов, направленных против тока, вызвавшего возмущение электромагнитного поля (электромаг­нитная экранировка). Суммарный эффект этих явлений и определяет независимость уровня радиопомех от числа состав­ляющих проводов в фазе, что подтверждено сравнительными измерениями радиопомех на опытных пролетах ВЛ с числом составляющих от 1 до 18. Этот результат имеет чрезвычайно большое значение, поскольку означает, что при применении на линиях электропередачи разных классов напряжения одинаковых проводов при различном их числе в фазе уровень радио помех от линии при увеличении класса напряжения не увеличивается, если максимальная напряженность на поверхности проводов сохраняется неизменной.