2.4. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПРОВОДОВ И АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ НА КОРОНУ
Источники короны при хорошей погоде. В 1956 г. Варбуртон и Невелл открыли, что причиной возникновения короны на линиях СВН при хорошей погоде являются не только дефекты проводов, например заусенцы pi царапины, как это обычно предполагалось, а насекомые, пыль, паутина, растительность, частицы листьев, птичий помет и другие неметаллические материалы. С тех пор появилось несколько публикаций, которые либо описывают результаты исследований неметаллических источников короны [2.24], либо подтверждают наличие таких источников на линиях электропередачи [2.25, 2.26].
Если проявлять достаточную заботу по предотвращению повреждений внешних жил проводов при монтаже, то спустя примерно год редко уже можно будет найти на проводах неровности, кроме неметаллических отложений.
Такие отложения при номинальном напряжении линии могут практически вызвать лишь корону типа свечения.
При подобных условиях, даже при наличии многих источников, уровень радиопомех от проводов обычно очень невелик по сравнению с помехами от изоляторов и арматуры. В то же время один, но большой источник короны может явиться причиной заметного повышения уровня радиопомех, хотя он мало влияет на потери.
В Исследовательском центре УВН было собрано и проанализировано много данных по результатам наблюдений на линиях СВН, что дало возможность оценить зависимость числа источников короны при хорошей погоде, создаваемых находящимися в воздухе частицами, от параметров линии. На рис. 2.4.1—2.4.3 суммируются результаты этих наблюдений. Оказалось, что как напряжение линии (рис. 2.4.1), так и поверхностная напряженность на проводе (рис. 2.4.2) слабо влияют на число источников короны. Однако сезонная вариация источников короны при хорошей погоде оказывается весьма значительной. В зимние месяцы отмечено лишь несколько источников (рис. 2.4.3), в то время как наибольшее их число падает на август.
Корона, вызываемая частицами, находящимися вблизи провода. На рис. 2.4.4 изображена корона на опытной линии 650 кВ Исследовательского центра СВН во время сильного дождя. Разряды могут происходить также и в тех случаях, когда снежинка, капля дождя или частица пыли только лишь приблизились к проводу, даже не войдя с ним в контакт. Это приводит к поляризации частицы, локальному усилению поля и началу разряда. Когда вследствие разряда происходит электрическое касание провода, частица приобретает заряд той же полярности, что и провод. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, частица быстро удаляется из области сильного поля. Как показывают наблюдения, Снежинки чаще осаждаются на проводе без напряжения, чем на находящемся под напряжением, что подтверждает эту гипотезу***. Капли дождя, несомненно,
Рис. 2.4.3. Сезонное изменение числа естественных источников короны при хорошей погоде, приходящихся на длину линии 3050 м.
Рис. 2.4.1. Зависимость числа естественных источников короны при хорошей погоде, приходящихся на длину линии 3050 м, от номинального напряжения линии.
Рис. 2.4.2. Зависимость среднего за сезон числа естественных источников короны при хорошей погоде. приходящихся на длину линии 3050 м, от максимальной поверхностной напряженности средней фазы.
ведут себя подобным же образом. Как видно из рис. 2.4.5 и 2.4.6, капли искажают поле провода. Иногда электрические силы могут превзойти поверхностное натяжение капли, и тогда она распадается на мельчайшие заряженные капельки. В [2.5] показано, что разрушение капли происходит в том случае, когда выполняется соотношение
(2.4.1)
где E — поверхностная напряженность провода, кВ/см; s — поверхностное натяжение воды, дина/см; г — радиус капли, см.
Рис. 2.4.4. Специальная опытная линия электропередачи 650 кВ с одним проводом в фазе диаметром 5,9 см во время дождя.
Небольшой выступ на проводе, образованный деформированной, но не разорвавшейся каплей, представляет собой источник сильного шума. Капли дождя стекают вдоль повивов и собираются в нижней части провода.
Действие воды на провод. Капли дождя или мороси осаждаются первоначально на верхней поверхности провода, стекая в дальнейшем вниз по его повивам. При этом сверху остается большое число мелких капель, а в нижней части провода собираются крупные капли, срывающиеся под собственной тяжестью по мере их увеличения. Такая картина, однако, справедлива лишь для чистых проводов, длительно находящихся в эксплуатации; для загрязненных проводов необходимо внести некоторые коррективы.
Рис. 2.4.5. Форма капли воды в отсутствие напряжения.
Рис. 2.4.6. Влияние электрического поля на форму капли воды.
Существуют два крайних состояния с точки зрения взаимодействия влаги с проводом. Первое допускает равномерное растекание воды по его поверхности (гидрофильное состояние), а второе (гидрофобное состояние) подобно воздействию капель воды на вощеную поверхность. Гидрофобное состояние увеличивает поверхностное натяжение между водой и проводом, в то время как гидрофильная обработка уменьшает его.
Влияние электрического поля на капли воды показано на рис. 2.4.5, 2.4.6.
Влияние плотности воздуха, влажности и ветра. Атмосферные условия, такие, как плотность воздуха, влажность и ветер, оказывают влияние на корону.
Относительная плотность воздуха влияет на напряженность возникновения короны, что учтено в формуле Пика (2.3.1). От плотности воздуха и влажности зависят разрядные характеристики промежутков. Интенсивность частичных разрядов также зависит от атмосферных условий: повышение относительной плотности воздуха и влажности соответствует снижению интенсивности разряда. Атмосферные условия влияют также на состояние источников короны при хорошей погоде, а следовательно, и на характеристики короны. Значимость их при сухой погоде возрастает. Ветер повышает активность положительного стримера, поскольку уносит объемный заряд, образующийся во время отрицательного полупериода. В отсутствие ветра он уменьшает поверхностную напряженность источника и препятствует образованию положительных стримеров.
*Пульсирующее
**Процессы при положительной короне. Коронный разряд при положительном напряжении на электроде имеет приблизительно те же характеристики, что и при отрицательном. Положительная корона имеет три отчетливые формы, а именно: начальные импульсы, свечение Хермштейна и положительные стримеры. Результаты измерений и фотографии приведены на рис. 2.2.6, 2.2.7,
**Сказанное относится к очень сильным электрическим полям; при умеренной напряженности, характерной для современных линий,, электрическое поле способствует притяжению капель и усилению гололедообразования. (Прим. ре д.)
Атмосферные условия вызывают изменение уровня радиопомех при хорошей погоде [2.27, 2.28]. Было замечено, например, что уменьшение относительной плотности воздуха на 1% приводит к повышению уровня радиошумов на 0,3—0,5 дБ. Точно так же повышение скорости ветра на 1 км/ч может вызвать повышение шумов от 0,2 до 1 дБ. Интенсивность радиопомех уменьшается с повышением влажности до тех пор, пока на поверхности провода не образуются водяные капли, которые резко увеличивают интенсивность радиопомех.
Влияние поверхности проводов. Поверхность недавно смонтированных проводов линий электропередачи имеет обычно много дефектов, которые уменьшают начальное напряжение короны. Поскольку обычно линии электропередачи проектируются таким образом, чтобы по экономическим причинам в нормальных условиях они работали в режиме, близком к порогу короны, вновь смонтированный провод будет всегда иметь большие
потери на корону и создавать больший уровень звуковых шумов и радиопомех. Свободный заряд, образующийся в результате короны у неровностей поверхности, вызывает локальную ионную бомбардировку, которая приводит к сглаживанию дефектов на поверхности алюминиевого провода и удалению с поверхности провода паутины, птичьего помета и других источников короны в хорошую погоду.
В [2.9] дается более детальная информация о результатах исследований в Проекте Тидда. Там, в частности, приводятся кривые зависимости потерь на корону от времени при различных напряжениях и размерах провода. Эти кривые указывают на заметное уменьшение потерь примерно через 6 мес эксплуатации. Кривые были построены для всех видов погоды при постоянном и переменном напряжениях. Интересно, что медь имеет более высокие характеристики «старения», чем алюминий, т. е. потери на корону у медных проводов уменьшаются в большей степени, чем у алюминиевых, несмотря на более высокий первоначальный уровень этих потерь для меди.
В [2.29] приводятся результаты, свидетельствующие об уменьшении со временем потерь на корону при дожде. Это уменьшение составляет 25—33% первоначальных потерь после монтажа линии. Подобное уменьшение отмечено также при росе. Из фотографий капель дождя на новом и старом проводах можно видеть, что старые провода имеют гидрофильную природу, в то время как новые — четко гидрофобную. Влияние «старения» на радиопомехи подробно рассмотрено в [2.30]. Уровень радиопомех при «старении» снижается, причем явление «старения» имеет место даже при напряжениях ниже номинального. Так, например, на линии 330 кВ, находившейся под напряжением 132 кВ, через 2,5 года было зарегистрировано уменьшение уровня радиопомех на 25%. Это дает основание предположить, что процесс «старения» провода зависит в основном от действия погоды.
Провод, находящийся в эксплуатации несколько лет, имеет меньшие потери на корону, меньший уровень акустических шумов, меньший уровень радиопомех и меньшее количество точек, вызывающих развитие коронного разряда. Вид нового и старого проводов показан на рис. 2.4.7. Можно видеть, что капли воды на старом проводе заполняют канавки между проволочками, в то время как на новом они не растекаются по его поверхности.
Процесс «старения» может быть воспроизведен искусственно путем обработки провода пескоструйным аппаратом или другими средствами, способствующими удалению поверхностной смазки, создающей гидрофобный эффект.
Рис. 2.4.7. Увлажненные провода.
а — провод, находящийся в эксплуатации 14 лет (Plover, диаметр 3,72 см); б — новый провод (Bobolink, диаметр 3,61 см).
На рис. 2.4.8 изображен мокрый провод, у которого левая половина новая, а правая подверглась пескоструйной обработке. На этой последней капли воды заполняют канавки между отдельными жилами, в то время как на соседней (новой) повисают на проволоках.
На рис. 2.4.9 показан вызванный капельками воды коронный разряд на одном из восьми проводов пучка диаметром 1,016 м при средней максимальной напряженности 15,5 кВ/см. Капельки повисают на нижней поверхности провода.
На рис. 2.4.10 представлен тот же провод, но с неровностями, образовавшимися вследствие попадания насекомых или частиц грязи. Неровности создают большие факелы из многих стримеров. Интенсивность короны возрастает по сравнению с вызванной одними каплями воды.
Рис. 2.4.8. «Мокрый провод» Bobolink, диаметр 3,61 см, новый, подвергнутый пескоструйной обработке.
Рис. 2.4.9. «Мокрый провод», находящийся под напряжением (диаметр провода 0,0331 м).
На рис. 2.4.11 изображена корона на сухих проводах пучка диаметром 1,42 м при больших напряженностях. Разряд при этом происходит и в отсутствие капель воды, образуя большой факел вместо свечения.
Обработка поверхности проводов. Результаты исследований. Были исследованы четыре поверхности:
поверхность, покрытая смазкой для создания гидрофобных условий, подобно наблюдаемым у вновь смонтированных проводов;
поверхность, тщательно промытая для устранения поверхностной смазки и создания гидрофильных условий, сходных с постаревшими проводами;
Рис. 2.4.10. «Мокрый провод», находящийся под напряжением, с неровностями, обусловленными частицами грязи или насекомыми (диаметр провода 0,0331 м).
поверхность, обработанная пескоструйным аппаратом для создания гидрофильных условий;
поверхность, обернутая хлопчатой лентой, которая создает гидрофильный эффект (на практике этот метод не используется).
Исследования заключались в регистрации акустических шумов, радиопомех и потерь на корону в сухую погоду и при дожде. Искусственное дождевание производилось для провода, находившегося под напряжением, при этом выяснялось изменение со временем влияния капель воды на уровень шумов.
На рис. 2.4.12 изображена зависимость акустических шумов и радиопомех от напряженности для четырех видов обработки поверхности провода. Ток радиопомех, дБ сверх 1 мкА, измерен с помощью квазипикового детектора на частоте 1 МГц. Акустические шумы измерены по характеристике А в децибелах относительно 20 мкН/м2.
Рис. 2.4.11. Нижняя часть пучка сухих проводов типа Lupine при средней максимальной поверхностной напряженности 18,6 кВ/см (диаметр проводов 4,62 см).
Акустические шумы имеют сравнительно небольшой уровень в диапазоне высоких напряженностей как для проводов, обернутых хлопчатой лентой, так и для проводов с водоотталкивающим покрытием. Эта тенденция прослеживается с низких напряженностей для радиопомех. Особенно она заметка при высоких напряженностях для проводов с водоотталкивающим покрытием. Потери на корону приведены на рис. 2.4.13. Кривые для 54
проводов, покрытых смазкой и обернутых хлопчатой лентой, близки между собой, так же как и кривые для проводов, обработанных пескоструйным аппаратом и специально промытых. Разница между верхними и нижними кривыми при низких напряженностях составляет 15 Вт/м, на высоких 20 Вт/м.
Рис. 2.4.12. Ток радиопомех и акустические шумы сталеалюминиевого провода диаметром 1,8 см при «сильном дожде».
- — чистый провод; 2 — провод с водоотталкивающим покрытием; 3—провод, обработанный пескоструйным аппаратом; 4 — провод, обернутый хлопчатой лентой; I — акустические шумы;
- — радиопомехи.
Рис. 2.4.13. Потери на корону сталеалюминиевого провода диаметром 1,8 см при «сильном дожде».
1—4 — см. рис. 2.4.12.
Применение хлопчатой ленты и водоотталкивающего покрытия приводит к некоторому уменьшению шумов, однако потери на корону возрастают.
На рис. 2.4.14 и 2.4.15 приведены уровни акустических шумов, радиопомех и потерь на корону для провода большего диаметра (2,33 см). Ток радиопомех измерен в децибелах относительно 1 мкА с помощью квазипикового детектора на частоте 1 МГц. Акустические шумы измерены по характеристике А в децибелах относительно 20 мкН/м2. Общие тенденции не меняются, однако лента дает ясно видимое снижение шумов при низких напряженностях.
Рис. 2.4.14. Ток радиопомех и акустические шумы сталеалюминиевого провода диаметром 2,33 см при «сильном дожде».
1—4, I, II — см. рис. 2.4.12.
Рис. 2.4.15. Потери на корону сталеалюминиевого провода диаметром 2,33 см при «сильном дожде».
1—4 — см. рис. 2.4.12.
Как видно из рис. 2.4.15, для провода, обернутого лентой, потери на корону являются высокими и на 20 — 30 Вт/м превышают потери при чистом проводе. Однако хлопчатые ленты снижают радио- и звуковые шумы при мокрой погоде, особенно для больших проводов. Лента приводит к увеличению сцепления влаги с проводом, чем, возможно, и объясняется уменьшение короны, так как при этом отсутствуют условия для локальной концентрации поля. Другое объяснение связано с тем, что нитки ленты вызывают образование объемного заряда, так называемого «чехла», который снижает напряженность на поверхности и тем ограничивает появление радио- и звуковых шумов. Возможно, что снижение шумов определяется обеими причинами одновременно. К сожалению, при использовании хлопчатой ленты и образовании «чехла» довольно существенно возрастают потери на корону.
В сухую погоду провод, обернутый лентой, производит интенсивный акустический шум на частоте 120 Гц, наиболее вероятной причиной которого опять же является вышеупомянутый объемный заряд. Заряды эти меняют свой знак в зависимости от переменной полярности провода. Движение этих зарядов вызывает вибрацию воздуха, приводящую к шумам на частоте 120 Гц.
Из рис. 2.4.14 видно, что при напряженности несколько выше рабочей обработка поверхности уже не дает достаточного снижения шумов при легком дожде, тумане или после дождя.
