КОРОННЫЙ разряд на линиях электропередачи
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
КОМБЕР, ДЕНО
- ВВЕДЕНИЕ
Коронные разряды на поверхности проводов линий электропередачи возникают в том случае, когда напряженность электрического поля на поверхности проводов превышает пробивную для воздуха. Даже в однородном поле между двумя параллельными пластинами на прочность воздуха оказывают воздействие многие факторы: давление воздуха, материал электродов, наличие паров воды, фотоионизация и вид приложенного напряжения. Любая неровность на поверхности провода (царапины, заусенцы, загрязнение) приводит к местному увеличению напряженности электрического поля и как следствие к возникновению местного коронного разряда. Пробой воздуха при этом сопровождается вызывающими потери энергии акустическими шумами и свечением, радиопомехами, вибрацией провода, а также выделением озона и других веществ.
- МЕХАНИЗМ КОРОНЫ
Процессы газового разряда. Электрические разряды возникают обычно при ускорении электрическим полем свободных электронов в газе. Когда электроны приобретают достаточную энергию, они получают способность при столкновении с атомами образовывать новые свободные электроны и положительные ионы. Такой процесс называется ударной ионизацией. Количество свободных электронов продолжает при этом увеличиваться, как это изображено на рис. 2.2.1, до тех пор, пока вторичные явления не приведут к самостоятельному разряду. Первые электроны, начинающие ионизационный процесс, чаще всего образуются путем фотоионизации. Фотон от некоторого находящегося на расстоянии источника сообщает атому достаточно энергии для образования электрона и положительно заряженного иона. При ускоренном движении в электрическом поле электрон сталкивается с атомами азота, кислорода и других имеющихся в воздухе газов. Большинство таких столкновений являются упругими подобно столкновениям двух биллиардных шаров. При таком столкновении электрон теряет лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Время от времени, однако, удары могут достигать такой силы, что происходят возбуждение атома и переход его в более высокое энергетическое состояние.
При этом меняется орбита одного или нескольких электронов, на что расходуется часть кинетической энергии. В дальнейшем возбужденный атом может возвратиться в свое нормальное состояние с выделением избытка энергии в форме свечения (видимая корона) или электромагнитных волн (радиошум). При столкновении электронов с ионами возможно также превращение последних в нейтральные атомы.
Основной ионизационный процесс, определяемый ускорением электронов газа электрическим полем, может быть выражен следующим образом:
Рис. 2.2.1. Начало электронной лавины у отрицательного электрода.
а — начало; б — столкновение электрона с нейтральным атомом, приводящее к образованию добавочного электрона и положительного иона; в — движение электронов в воздушном промежутке с образованием новых электронов и положительных ионов; 1 — освобожденный электрон; 2 — нейтральный атом; 3 — фотон.
где А — атом; А+ — положительный ион; е — электрон.
После столкновения электрона с атомом происходит высвобождение нового электрона. При дальнейших столкновениях этих электронов с атомами число свободных электронов увеличится еще на два. Таким образом, цепная реакция приведет к быстрому возрастанию количества свободных электронов. Таунсенд в своих ранних работах по разрядам в газах предложил коэффициент для описания числа свободных электронов, образовавшихся в результате движения единичного электрона в однородном поле на длине пути 1 см. Этот коэффициент известен как первый коэффициент ионизации Таунсенда. При этом ток разряда в лавинообразном процессе выразится в виде
(2.2.1)
где а — первый коэффициент ионизации Таунсенда; d — длина промежутка.
Коэффициент а изменяется в зависимости от силы поля, давления газа и других условий, оказывающих влияние на образование пар электронов.
Однако не каждое столкновение приводит к образованию добавочного электрона. В данном случае играют роль такие понятия, как поперечное сечение атомов, эффективность ионизации и потенциалы ионизации. Поперечное сечение так мало (приблизительно 8Х Х10“16 см2 для азота), что лишь немногие атомы подвергнутся удару данного электрона. За короткий период его ускорения электрон, движущийся в газе при давлении 1 мм рт. ст. и температуре 0°С, на пути в 1 см совершает лишь от 10 до 100 столкновений. При повышении давления количество атомов в одном кубическом сантиметре и вероятность столкновения возрастают. Число ионов, образованных электроном на 1 см пути, называют эффективностью ионизации. Для появления ионизации необходим определенный минимум потенциальной энергии свободного электрона, измеряемой в электронвольтах. При этом потенциале, называемом потенциалом ионизации, вероятность ионизации равна нулю. С повышением энергии электрона сверх потенциала ионизации вероятность ионизации быстро возрастет. Наконец, при дальнейшем повышении энергии электрона вероятность ионизации начинает снова понижаться.
На большей части пути электрона происходят упругие столкновения, не вызывающие ионизацию. С каждым столкновением электрон теряет небольшую часть своей энергии, и в дальнейшем для него становится уже возможным присоединение к атому, что связано для электрона со значительной потерей кинетической энергии. Если нейтральный атом захватывает электрон, последний выделяет избыточную энергию. В воздухе электрон до момента его захвата атомом может совершить
2* 10s столкновений. Некоторые молекулы имеют повышенную способность захватывать электроны — например галогены и водяной пар. Именно поэтому более высокая влажность воздушного промежутка повышает его прочность. Водяной пар захватывает ионизирующие электроны и препятствует тем самым возникновению лавинообразного процесса. При захвате электрона атомом образуется отрицательный ион. Поскольку подвижность такого иона относительно мала, он не может при столкновениях ионизировать газ, за исключением случаев, когда энергия особенно высока.
Лавинообразный процесс Таунсенда. Если приложить напряжение к воздушному промежутку, то оказавшиеся свободные электроны и ионы устремляются к электродам противоположной полярности, создавая тем самым незначительный ток. Этот ток определяет собою естественную проводимость воздуха. При возрастании напряженности поля сверх 15 кВ/см ток начинает быстро возрастать по следующим причинам. Во-первых, описанный выше ионизационный процесс приводит к образованию новых электронов. Во-вторых, образованию новых свободных электронов способствует бомбардировка катода положительными ионами и фотонами. Выбивание электронов из катода представляет собой вторичный процесс, в то время как ударная ионизация является первичным.
Возрастание тока в однородном поле до момента пробоя промежутка определяется уравнением
(2.2.2)
где1 — ток промежутка; /о—начальный ток в газе, возникший за счет внешних источников; d — длина промежутка; а — первый ионизационный коэффициент Таунсенда (соответствует первичному процессу); у — второй ионизационный коэффициент Таунсенда (соответствует вторичному процессу). Числитель выражения (2.2.2) полностью соответствует (2.2.1). Значение тока становится неопределенным, когда знаменатель приближается к нулю. Неопределенность соответствует условию
(2.2.3)
Критерий пробоя (2.2.3), несмотря на его логическую закономерность, используется редко, ибо пробой является значительно более сложным процессом [2.2, 2.3].
Формы короны постоянного тока. Некоторые качественные зависимости, иллюстрирующие механизм частичных разрядов у положительных и отрицательных электродов, представлены на рис. 2.2.1—2.2.3. Даже при одной и той же полярности корона может принимать
Рис. 2.2.2. Распространение объемного заряда в отрицательном неоднородном поле короны (высота графика пропорциональна плотности ионов).
а — плотность ионов в канале отрицательной короны на ранних стадиях; б — окончательное распространение ионов в разрядном промежутке; 1 — острие; 2 — положительные ионы; 3 — отрицательные ионы; 4 — темное пространство; 5 — свечение при бомбардировке электронами.
Рис. 2.2.3. Предполагаемое распространение объемного заряда в стримере для положительного неоднородного поля короны.
а — плотность ионов в канале положительной короны; б — распространение положительных ионов; 1 — острие; 2 — положительные ионы; 3 — электроны, попадающие в канал стримера.
различный характер в зависимости от приложенного напряжения, формы электродов и состояния поверхности. Каждому виду короны соответствуют свои зависимости для тока и частоты импульсов, а следовательно, и радиопомех, акустических шумов и потерь.
Процессы при отрицательной короне. Значительный вклад в исследование короны в отрицательном неоднородном поле был сделан Тричелом. В зрительном отношении разряды Тричела проявляются в виде сплошного, но сравнительно слабого свечения. Отдельные пульсации не могут быть зафиксированы оптически. Возможно,
что возникновение каждого такого разряда связано с ударом положительного иона в отрицательный электрод. Этот удар приводит к образованию вторичного электрона, который удаляется из точки удара под действием отрицательного ноля. При этом в соответствии с представлениями Таунсенда возникает движение и других электронов, оставляя, как это показано на рис. 2.2.2, позади менее подвижные положительные ионы. Электроны присоединяются к нейтральным атомам (обычно кислорода) и образуют отрицательные ионы. Образовавшиеся положительные ионы в свою очередь еще более ослабляют поле. Процесс прекращается после того, как иоле очистится от ионов. При этом положительные ионы медленно движутся к катоду. Отрицательные ионы перемещаются к аноду, повышая снова интенсивность поля.
Повышение интенсивности поля продолжается до тех пор, пока может повторяться процесс. Энергия, затрачиваемая на этот процесс, как раз и представляет собой потери на корону. Отрицательная корона может проявиться в трех видах — импульсы Тричела, пульсирующее свечение и отрицательные стримеры. Результаты соответствующих измерений и фотографии приведены на рис. 2.2.4 и 2.2.5.
Рис. 2.2.4. Коронный разряд у катода.
а — стримеры Тричела; б — отрицательное свечение; в — отрицательные стримеры.
Максимальное значение тока импульсов Тричела колеблется от 10~8 А у точечных электродов до 20-10~* А у больших электродов. Время разряда импульсов достигает 20 -10-9 с, время подъема 25—50 не.
Увеличение напряжения повышает частоту и уменьшает амплитуду импульсов. Максимальная частота импульсов Тричела — 2 кГц для сферы диаметром 8 мм и -10** Гц для острия с конусностью 30°.
Рис. 2.2.5. Напряжение начала разряда от выступа на отрицательном проводе диаметром 2,92 см в зависимости от длины разрядного промежутка.
а — сферический выступ диаметром 8 мм; б — конический выступ диаметром 6 мм, 0=30°; 1 — отрицательное свечение; II — импульсы Тричела.
Пульсирующее свечение возникает с повышением напряжения после того, как частота импульсов Тричела достигает максимума.
Область свечения имеет вид широкой сферы и расширяющегося конического столба. Ток пульсирующей короны возрастает с напряжением. При его дальнейшем повышении появляются отрицательные стримеры. Происходит вытягивание положительного конического столба с образованием небольших ответвлений. Ток состоит из импульсов, наложенных на квазипостоянную составляющую. Время возрастания этих импульсов примерно 0,5-10~6 с.
Начальные импульсы имеют вид стримеров в стебле с несколькими ответвлениями. Высокая скорость их повторения придает явлению вид «щетки». Измеренные токи импульса составляют 0,25 А, когда выступ на электроде имеет форму сферы с диаметром 8 мм, и 0,003 А при выступе в форме 30-градусного конуса. Среднее время возрастания импульса 30 не, а полупикового затухания— около 100 нс.
Рис. 2.2.6. Коронный разряд у анода.
а — развивающаяся корона: б — положительное свечение; в — начальные стримеры; г — стримеры пробоя.
При увеличении напряжения эти времена могут достигать соответственно 0,03 и 0,1 с. Частота следования импульсов — 2000 Гц для точечных электродов и 200 Гц для больших электродов. Начальным стримерам могут предшествовать начальные импульсы на проводах большого диаметра. При наличии отрицательного объемного заряда они проявляются в форме ионизационных импульсов, распространяющихся вдоль поверхности анода.
Свечение Хермштейна с повышением напряжения становится видимым и принимает форму ионизационного пласта. Для проводов большого диаметра переход от начальных импульсов к свечению происходит постепенно. В результате имеет место разряд с малой пульсацией (до 2-106 Гц).
Рис. 2.2.7. Напряжение начала разряда от выступа на положительном проводе диаметром 2,92 см в зависимости от длины разрядного промежутка.
а — сферический выступ диаметром 8 мм; б — конический выступ диаметром 6 мм, 0=30°; I — стримеры; II — свечение Хермштейна.
Пробивные стримеры имеют сходство с начальными, однако из-за отрицательного объемного заряда они отклоняются от направления вдоль оси. Скорость положительного стримера находится в пределах от 20 до 2000 см/мкс. Положительные стримеры продвигаются значительно быстрее отрицательных вследствие фотоионизации. Времена возрастания стримерных разрядов относятся обычно к наносекундному диапазону.
Рис. 2.2.8. Ток коронного разряда при длине промежутка 15,5 см (электрод: конический выступ при 0 = 30° на сфере D = 7 см, длина стримера 25 см; R = 10 кОм; масштабы по осям: 50 мкА/дел и 1,0 мс/дел).
а положительный полупериод; б — отрицательный полупериод.
Корона переменного тока. Описанные выше виды коронного разряда могут иметь место и в случае переменного напряжения. Однако объемный заряд, сформированный за время одного полупериода, может повлиять на вид и интенсивность короны, возникающей в следующем полупериоде. Последовательность появления различных форм короны при переменном напряжении представлена на рис. 2.2.8 и 2.2.9. Рисунок 2.2.10 изображает все ее модификации, которые могут возникнуть при переменном напряжении. Следует заметить, что на проводах больших диаметров, применяемых для линий СВН и УВН, могут проявиться не все формы короны.
Рис. 2.2.10. Возможные формы короны при переменном напряжении. а — положительный полупериод; б — отрицательный полупериод; 1 —импульсы Тричела; 2— отрицательное свечение; 3 — отрицательные стримеры; 4 — начальные импульсы; 5 — свечение; 6 — положительные стримеры; 1 — начало стримерного пробоя; /1 — начало свечения; III— начало стримера; IV — начало импульса Тричела; V—начало отрицательного свечения; VI — начало отрицательного стримера.
Рис. 2.2.9. Напряжение начала разряда от выступа на проводе диаметром 2,92 см при переменном напряжении в зависимости от длины разрядного промежутка.
а — сферический выступ диаметром 8 мм; б— конический выступ диаметром 15 мм, 0=30°; 1 — стримеры; II — свечение Хермштейна; III — импульсы Тричела; IV — отрицательное свечение.
На рис. 2.4.11 приведена корона в сухую погоду для очень высокой напряженности поля. При обычно реализуемых напряженностях на линиях электропередачи в хорошую погоду интенсивной короны не возникает. Для возникновения короны требуются неровности поверхности, такие, например, как капли дождя при мокрой погоде, которые, оседая на проводе, образуют не-
ровности и служат основным источником возникновения короны. Примеры короны при мокрой погоде приведены на рис. 2.4.9 и 2.4.10.
