1.1.10. Дуговой разряд

Дуговой разряд – самостоятельный электрический разряд в газе, горящий при относительно низком напряжении, которое соответствует значениям потенциала ионизации атомов газа (единицы-десятки Вольт). Особенностью дуговых разрядов является существование больших токов (1…100 кА), которые ограничиваются только мощностью источника питания разряда.

Впервые дуговой разряд наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 г. В.В. Петровым. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов из-за гравитации дугообразно изогнут, что и обусловило название. Характерной чертой дугового разряда является наличие очень яркого, малого по размеру пятна на катоде (катодное пятно), в которое стянут разрядный ток. В процессе горения разряда катодное пятно хаотично перемещается по поверхности катода. Температура поверхности электрода в пятне достигает величины температуры кипения материала катода. Поэтому значительную роль в формировании тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного пространственного заряда, который обеспечивает ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Этот слой создает высокую напряженность электрического поля у поверхности катода, особенно вблизи естественных микронеоднородностей поверхности, что приводит к усилению роли автоэлектронной эмиссии. Высокая плотность тока в катодном пятне – 10²…10⁷ А/см² и постоянное перемещение катодного пятна создают условия для возникновения взрывной электронной эмиссии. Непосредственно к зоне катодного падения потенциала примыкает положительный столб анодной части дуги. На аноде формируется яркое анодное пятно, несколько большего размера и менее подвижное, чем катодное. Нагретый до высокой температуры T = 6,000…12,000 К, а иногда и выше ионизованный газ со степенью ионизации около в столбе является термоионизованной плазмой, в которой концентрации электронов и ионов равны. Кроме описанной дуги с холодным катодом, существуют дуги с накаливаемым (термоэмиссионным) катодом, вакуумные дуги (горят в парах металлов, образованных за счет испарения электродов) и т. д.

Знание особенностей и закономерностей зажигания дуговых разрядов необходимо при проектировании и эксплуатации объектов электроэнергетики. Вследствие больших токов зажигание дугового разряда ведет к возникновению аварийного режима в силовых цепях и установках высокого напряжения, который может завершиться выходом из строя электрического оборудования.

1.1.11. Коронный разряд

Общая характеристика коронного разряда. Коронный разряд – один из видов самостоятельного разряда, возникающий в широком диапазоне давлений – от сотен долей Па до атмосферного и выше. Особенность коронного разряда состоит в том, что он может не завершиться пробоем промежутка. Коронный разряд возникает у электрода с малым радиусом кривизны и горит в виде светящегося ореола – «короны» (отсюда и название). Обязательным условием возникновения коронного разряда является значительная неоднородность электрического поля, К_н  3. Такое электрическое поле возникает у проводов линий электропередач, появление коронного разряда у которых приводит к потерям электрической энергии. Потери на корону могут быть существенными и часто оказываются сравнимыми с потерями джоулева тепла в проводах. Ионизационные процессы в коронном разряде происходят только вблизи электрода с малым радиусом кривизны, эту зону называют чехлом короны. В зависимости от полярности электрода различают отрицательную и положительную 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.

Коронный разряд при постоянном напряжении. При постоянном напряжении различают два вида коронного разряда – униполярный и биполярный. Униполярный коронный разряд (униполярная корона) возникает в том случае, когда коронирующие электроды в промежутке имеют одинаковую полярность. При униполярной короне вся внешняя зона заполнена зарядами того же знака, что и коронирующий провод. Распределение зарядов в униполярной короне показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Распределение заряда в униполярной короне

Биполярный коронный разряд (биполярная корона) возникает в том случае, когда коронирующие электроды имеют противоположную полярность. Распределение заряда в этом случае показано на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Распределение заряда в биполярной короне

Во внешней зоне биполярной короны ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. Если бы на границе нулевого потенциала (линия нулевого потенциала показана штрихпунктиром на рис. 1.11) 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. При этом уменьшается суммарный, объемный заряд этой зоны. Для того чтобы восстановить значение напряжения, обеспечивающее сохранение начальной напряженности поля на поверхности провода, ионизация в чехле короны должна возрасти и из чехла короны должен выделиться дополнительный заряд для нейтрализации проникших зарядов. Благодаря этому ток короны, а следовательно, и потери энергии в биполярной короне значительно больше, чем в униполярной.

Коронный разряд вынуждает ограничивать напряженность электрического поля у поверхности высоковольтных электродов многих конструкций и проводов линий электропередачи. Ограничения достигаются путем увеличения размеров электродов, придания им формы, обеспечивающей большую однородность поля, полировки электродов и т. д. На линиях электропередачи с номинальным напряжением 330 кВ и выше снижение напряженности электрического поля на поверхности проводов достигается расщеплением проводов, т. е. использованием 4–6 проводов на одну фазу, которые в результате увеличивают эффективный радиус. Начальная напряженность электрического поля Е_к, соответствующая появлению короны, зависит от радиуса кривизны электрода, вида газа, его относительной плотности и ряда других факторов. Параметр Е_к оказывается важным при расчете потерь энергии на корону. Начальная напряженность электрического поля, соответствующая появлению общей короны на одиночном проводе с < 1см рассчитывается по формуле Пика:

, (1.31)

где Е_к – начальная напряженность зажигания короны, (кВ/см); m – коэффициент гладкости провода (для хорошо отполированного круглого провода m = 1);  – относительна плотность воздуха; – радиус провода.

При > 1 см расчет необходимо вести по формуле Залесского:

(1.32)

Формулы (1.31 и 1.32) дают необходимую точность для оценки Е_к на проводах как для постоянного, так и переменного напряжения.

Коронный разряд при переменном напряжении. На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны U_н = U_к при времени t₁ (рис. 1.12, а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (рис. 1.12, в). Из чехла короны положительные заряды выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс коронирования продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет U_макс при t₂. Несмотря на повышение U до U_макс, напряженность на проводе остается постоянной и равной Е_к из-за влияния объемного заряда. Затем напряжение начинает снижаться. Синхронно снижается и напряженность на проводе Е_п, что приводит к погасанию короны. Но после погасания короны (после t₂) в пространстве вокруг провода остается положительный внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (рис. 1. 12, в). Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет  40…100 см. Разность потенциалов между проводом и ОЗ увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени t₃. Еще до достижения t₃ потенциал на проводе относительно ОЗ приобретает отрицательное значение (условно при t₃). И при t₄ (рис. 1.12, а, в), когда напряжение достигает U₀, которое значительно меньше U_к, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю область, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит релаксация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего ОЗ (t₅). Затем накапливается отрицательный ОЗ во внешней области (t₆). Все это происходит за время от t₄ до t₆ (рис. 1.12, а, в). В момент времени t₆ (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются, и зажигание короны на обеих полярностях происходит при U₀. Между проводом и землей имеет место емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостный ток i_c. (рис. 1.12, б):

. (1.33)

Возникновение коронного разряда в момент t₁ приводит к появлению тока короны i_к, который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (рис. 1.12, б). Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, т. е. до времени t₂ (или t₄ – t₆, t₇ – t₈).

При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны.

Основы расчета потерь на корону. Потери энергии на корону экспериментально можно определить при помощи осциллографирования вольт-кулоновой характеристики. При этом потери за один период определяются как

, Вт, (1.34)

где Q – величина объемного заряда в короне.

Из (1.34) следует, что потери пропорциональны площади, описываемой вольт-кулоновой характеристикой. Потери энергии при коронировании в единицу времени подсчитываются как

, Вт, (1.35)

где f – частота переменного тока.

При проектировании ЛЭП пользуются расчетными зависимостями потерь энергии при коронировании, т. к. использование методики расчета по вольт-кулоновой характеристике связано со значительными трудностями.

Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика:

, кВт/кмфаза, (1.36)

где  – относительная плотность воздуха; f – частота, Гц; r₀ – радиус одиночного провода, см; S – расстояние между проводами, см; U_Ф – действующее значение фазного напряжения, кВ; U_к – напряжение возникновения короны, кВ.

, кВ, (1.37)

где m₁ – коэффициент гладкости провода; m₂ – коэффициент погоды. Для идеально гладкого провода m₁ = 1, для реального витого провода m₁ = 0,85…0,92 (зависит от конфигурации провода).

Для оценочного подсчета среднегодовых потерь все погодные условия разбивают на 4 группы: 1) хорошая погода; 2) дождь (включая мокрый снег и морось); 3) сухой снег; 4) изморозь (включая гололед и иней). Наибольшие потери в единицу времени возникают при изморози. Усредненная продолжительность различных групп погоды для средней полосы европейской части России и Западной Сибири приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Усредненная продолжительность различных групп погоды

Группа погоды	Продолжительность групп погоды за год (час)	Продолжительность групп погоды за год (%)
Хорошая погода	7120	81,3
Сухой снег	800	9,1
Дождь	500	5,7
Изморозь	340	3,9

Н

а линиях электропередачи сверхвысокого напряжения используют расщепленные провода в фазах. В технике высоких напряжений принята следующая классификация классов напряжения:

• высокие напряжения (ВН) – 1…220 кВ;

• сверхвысокие напряжения (СВН) – 330…750 кВ;

• ультравысокие напряжения (УВН) ≥ 1150 кВ.

Н

Рис. 1.13. Вид расщепленного на три составляющих провода фазы ЛЭП сверхвысокого напряжения:

а – шаг расщепления; r_р – радиус расщепления; r₀ – радиус одиночных составляющих провода

а рис. 1.13 приведен вид расщепленного фазного провода ЛЭП 500 кВ с радиусом расщепления r_р, состоящего из 3-х составляющих n = 3 радиусом r₀.

Для определения потерь при коронировании для расщепленных проводов используют формулу Майра:

10^–5 , (1.38)

где n – число проводов в фазе; f – частота, Гц; r₀ – радиус одиночного провода, см; Е_к – напряженность возникновения короны, кВ/с; к – коэффициент погоды; Е_э – эквивалентная напряженность, кВ/см:

. (1.39)

Неточность расчета обусловлена упрощением учета погодных условий, которые делятся на две группы: «хорошая» погода (к = 44; Е_к = 17 кВ/см) и «плохая» погода (к = 31,5; Е_к = 11 кВ/см). Для средней полосы европейской части России и Западной Сибири потери на корону для 3-фазных ЛЭП сверхвысокого напряжения могут рассчитываться по формуле Л. Егоровой и Н. Тиходеева:

, кВт/км, (1.40)

где U_н – амплитудное значение фазового напряжения, кВ.

Для определения потерь на корону в течение года рассчитывают потери энергии для каждой группы погоды, а затем суммируют их с учетом продолжительности группы в течение года:

, (1.41)

где _i – относительная продолжительность группы погоды; Р_кi – среднегодовая мощность потерь при i-й группе погоды.