Расходы Corona
Все разнообразные процессы ионизации, связанные с образованием коронных разрядов в сильно напряженных областях вблизи проводников линий электропередач, а также создание и движение заряженных частиц в электрическом поле, требуют расхода энергии.
7 Плохие эффекты короны на линиях передачи (фото-кредит: rovdrone.eu)
Эта энергия подается от источника высокого напряжения, подключенного к линии передачи, которая генерирует высокое электрическое поле вблизи проводников, необходимых для поддержания разрядов короны.
Большая часть энергии преобразуется в тепловую энергию для нагрева воздуха в непосредственной близости от проводников. Небольшая часть энергии преобразуется в электромагнитное излучение, включая излучение света, акустическую энергию и электрохимическую энергию, необходимую для получения газообразных стоков озона и оксидов азота.
Давайте обсудим сейчас семь очень плохих последствий для работы линий электропередач высокого напряжения:
- Коронная потеря
- Электромагнитная интерференция
- Звуковой шум
- Озон и NO x
- Светоизлучение
- Электрические ветры и вибрации, индуцированные короной
- Другие эффекты (микроволновое излучение и рентгеновское излучение)
1. Коронная потеря
Потери мощности, определяемые скоростью, с которой энергия вырабатывается короной из источника высокого напряжения, известны как потери короны. Поскольку электромагнитные, акустические и электрохимические компоненты составляют лишь малую часть общей энергии, потери короны эффективно вызывают движение положительных и отрицательных ионов в электрическом поле.
Время жизни электронов, созданных в разряде, прежде чем они присоединяются к нейтральным молекулам и становятся отрицательными ионами, очень коротки, и, следовательно, их движение в электрическом поле приводит к появлению только коротких импульсов тока, которые не вносят существенного вклада в корону потеря.
На линии передачи переменного тока синусоидальное напряжение, прикладываемое к проводникам, вызывает вывод емкостного тока из источника питания.
Перед наступлением короны источник питания должен подавать в основном емкостный ток. Емкостный ток, протекающий в проводнике, вызывает небольшое количество потерь мощности I 2 R.
Однако при напряжениях, превышающих начало короны, колебательное движение ионного объемного заряда в переменном электрическом поле вблизи проводника приводит к возникновению дополнительной составляющей переменного тока.
В отличие от емкостного тока ток, создаваемый движением ионов, в основном находится в фазе с напряжением и, следовательно, вызывает потерю мощности, известную как потеря короны.
Коронный ток также вносит вклад в малый компонент в фазе с емкостным током, что вызывает очевидное увеличение емкости конфигурации проводника. Аналитическое лечение потерь короны на линиях переменного тока очень сложно и требует решения изменяющихся во времени полей пространственного заряда.
Информация, необходимая для целей проектирования, получена в основном посредством экспериментальных исследований.
Вернуться к содержанию ↑
2. Электромагнитные помехи
Корона на проводниках линии передачи обычно ограничивается рядом точечных источников, случайно распределенных по длине каждого проводника. Линейная плотность источников короны во многом зависит от условий окружающей среды и условий окружающей среды, причем самая низкая плотность наблюдается в погоде и максимальной погодной погоде, такой как дождь.
На поверхностных градиентах проводников, для которых обычно предусмотрены линии передачи, происходят коронные моды, как правило, стримеры Trichel в течение отрицательного полупериода и начальные стримеры в течение положительного полупериода.
Оба этих режима короны приводят к возникновению импульсов тока с быстрым временем нарастания и короткой продолжительностью, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Импульсы тока короны
Однако параметры, определяющие три формы импульса, а именно амплитуда, время нарастания и длительность, весьма различны, как показано в таблице 1. Видно, что импульсы разрядного разряда имеют самые высокие амплитуды, самые быстрые времена нарастания и кратчайшую продолжительность, Амплитуды положительных импульсов короны примерно на порядок выше, чем у отрицательной короны, а последние имеют более быстрое время нарастания и более короткую продолжительность.
Таблица 1 - Характеристики импульсов тока короны и разрядного тока
| Тип импульса |
амплитудное (МА) |
Время нарастания (нс) |
продолжительность (нс) |
Частота повторения (Имп / с) |
| Положительная корона | 10 - 50 | 50 | 250 | 10 3 - 5, 10 3 |
| Отрицательная Корона | 1 - 10 | 10 | 100 | 10 4 - 10 5 |
| Разрыв разрыва | 500 - 2000 | 1 | 5 | 10 2 - 5, 10 3 |
Импульсы переходного тока, такие как те, которые генерируются коронами и разрядными разрядами, генерируют ЭМИ на широком диапазоне частот. Характеристики EMI напрямую зависят от частотных спектральных характеристик импульсов тока, которые являются функциями параметров, определяющих импульсы, а также характеристик повторения импульсов.
Амплитуда частотного спектра импульса пропорциональна произведению амплитуды и длительности импульса (содержание заряда), а ширина полосы частот - обратная функция времени нарастания импульса.
Относительные частотные спектры разрядов короны и щели показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Частотные спектры импульсов тока короны и разрядного разряда
Положительные импульсы короны и разрядного разряда имеют самую высокую амплитуду частотного спектра, а разрядные разряды также имеют самую широкую полосу частот, распространяющуюся в диапазон ГГц. Частотный спектр положительных импульсов короны начинает быстро падать на частотах между 1 и 2 МГц, а частота отрицательных импульсов короны может достигать примерно 100 МГц.
Разрывы разрядов создают электромагнитные помехи, охватывающие как радио-, так и телевизионные полосы частот и распространяющиеся до 1 ГГц.
Из-за высокого импеданса заземления корона, а также разрядные разряды могут рассматриваться как источники тока, впрыскивающие импульсы тока в проводники линий передачи и распределения. На линиях передачи каждый источник короны вводит случайную последовательность импульсов тока в проводник, на котором он расположен. Источники на любом проводнике также индуцируют токи с гораздо меньшей амплитудой в других проводниках линии.
Импульс тока, вводимый в любую точку, делит на два импульса, каждый с половиной амплитуды исходного импульса, движущийся в противоположных направлениях вдоль проводника.
Импульсы подвержены затуханию и искажению при движении, пока амплитуда не станет незначительной. В зависимости от характеристик импеданса линии передачи влияние источника короны распространяется только на конечное расстояние с обеих сторон.
Таким образом, результирующий ток, текущий в любой точке вдоль линии, состоит из случайно распределенных импульсов с изменяющимися амплитудами, поступающих из случайно распределенных источников и движущихся в обоих направлениях.
Анализ коронно-генерируемых ЭМИ на линиях передачи является довольно сложным и обычно проводится в частотной области с использованием классической электромагнитной теории распространения.
Поскольку EMI, генерируемый щелевыми разрядами, происходящими главным образом на линиях распределения, распространяется на частоты в диапазоне ГГц, аналитическая обработка становится еще более сложной.
Вернуться к содержанию ↑
3. Звуковой шум
Основные режимы короны на линиях передачи, а именно отрицательные стримеры Trichel и позитивные начальные стримеры, состоят в основном из повторяющихся переходных разрядов, в которых происходит быстрая ионизация в течение короткого промежутка времени порядка нескольких сотен наносекунд.
Во время разработки стримеров газ внутри стримерного канала нагревается до очень высоких температур, а его физический объем не может достаточно расширяться.
В результате локальное давление внутри стримерного канала увеличивается в соответствии с физическими законами, регулирующими газы. Местное увеличение давления газа, по определению, соответствует генерации волны акустического давления, распространяющейся наружу от места разряда.
Типичная форма одиночного акустического импульса, генерируемого пульсирующим коронным разрядом, показана на рисунке 3 ниже.
Рисунок 3 - Звуковой импульс, генерируемый короной
Акустические импульсы, обусловленные как положительной, так и отрицательной короной, имеют схожие формы, но амплитуды положительной полярности на порядок выше, чем амплитуды отрицательной полярности, аналогичные амплитудам импульсов тока. Поэтому, как и в случае EMI, положительная корона является основным источником слышимого шума на линиях передачи.
Частотный спектр генерируемого короной акустического импульса простирается шире, чем нормальный слышимый диапазон людей, т. Е. Выше 15 кГц.
Случайные поезда акустических импульсов, создаваемые разными источниками, распределенными вдоль проводника, перемещаются на разные расстояния в воздухе, чтобы добраться до точки в космосе около уровня земли, где может находиться человек-наблюдатель. Из-за их случайного распределения в пространстве и времени акустические волны достигают точки наблюдения со случайными фазовыми отношениями.
Таким образом, аналитическая обработка звукового шума от линий электропередачи осуществляется с точки зрения акустической мощности, которая не требует никакой информации о фазе. Добавляются вклады со всех фаз линии для определения акустической мощности, воспринимаемой в точке наблюдения.
В дополнение к случайному компоненту, описанному выше, слышимый шум от линий передачи переменного тока также включает в себя один или несколько чистых тонов, которые генерируются колебательным движением ионных космических зарядов, созданных вблизи проводника в обоих полупериодах переменного напряжения.
По мере того, как они колеблются в переменном электрическом поле вблизи проводника, ионы переносят свою кинетическую энергию через упругие столкновения с молекулами воздуха и вызывают акустический чистый тон, называемый гулом, на частоте, вдвое превышающей частоту мощности (т. Е. 120 Гц для 60 Гц).
Более высокие гармоники также могут присутствовать в гуме, но обычно имеют значительно меньшие величины. Из-за сходства в физических механизмах шум шума хорошо коррелирует с потерей короны.
Вернуться к содержанию ↑
4. Озон и NO x
Сложные электрохимические реакции происходят в процессах разряда положительной и отрицательной короны, приводя к образованию озона О 3 и различных оксидов азота, все вместе называемых NO x.
Диссоциация молекул кислорода в воздухе из-за процессов ионизации создает атомарный кислород, который в последующих реакциях приводит к образованию озона и оксидов азота.
Вернуться к содержанию ↑
5. Световая эмиссия
Процессы, приводящие к выбросам короны в воздухе, приводят к возбуждению, а также к ионизации молекул. Возбужденные молекулы, в которых самые внешние орбитальные электроны попадают в более высокое энергетическое состояние, выделяют фотоны, когда они возвращаются в свое исходное энергетическое состояние.
Другие молекулы в воздухе поглощают некоторые из фотонов, но некоторым из них удается избежать и способствовать визуальному проявлению коронных разрядов.
Визуальные наблюдения показывают, что свет бледно-голубоватого цвета. Исследования спектров излучения коронных разрядов показывают, что большая часть света испускается из возбужденных молекул азота.
Рисунок 4 - (a) световой спектр короны; (б) Видимый спектр солнечного света
На рисунке 4 показан типичный спектр света, испускаемого корональными разрядами в воздухе. Спектр видимой солнечной радиации также показан на рисунке.
Видно, что корона производит преимущественно низкоинтенсивное ультрафиолетовое излучение на краю спектра солнечного света.
Вернуться к содержанию ↑
6. Электрические колебания ветра и короны
В дополнение к широко наблюдаемым эффектам, описанным выше, коронные разряды также дают менее известные эффекты, такие как электрический ветер и вибрации, вызванные короной.
В случаях как положительной, так и отрицательной короны создаются и отталкиваются ионы одинаковой полярности от сильно напряженного проводника.
Импульс, полученный ионами в электрическом поле, переносится на молекулы нейтрального газа, которые создают разность давлений в газе и поток газа в движении от проводника. Это явление обычно известно как электрический ветер. Таким образом, электрический ветер является стационарной версией генерации акустических импульсов.
Наличие капель воды на проводниках в дождливую погоду может иногда приводить к вибрации проводников на очень низкой частоте (1-5 Гц), что вызывает вибрации, вызванные короной. Капли воды на проводниках удлиняются в присутствии высоких уровней электрического поля поверхности проводника, заставляя их выбрасывать капли воды.
Отталкивающие электростатические силы между выброшенной каплей и суспендированной капли вместе с реактивной силой, создаваемой коронованным электрическим ветром, а также выталкиванием воды, оказывают на проводник усилие вверх.
Между тем суспендированная капля пополняется и снова удлиняется в электрическом поле.
Коронная вибрация возбуждается, во-первых, электростатическими силами, главным образом кулоновскими силами отталкивания и реактивной силой, вызванной ионным ветром. Амплитуда вибрации затем усиливается механической реактивной силой при выбросе капель или капель из подвешенных капель.
Вернуться к содержанию ↑
7. Другие эффекты
СВЧ-излучение и рентгеновские лучи?
В дополнение к описанным выше различным эффектам, которые подвергались экспериментальным и аналитическим исследованиям, в публичных слушаниях общественности и даже в научной литературе было высказано предположение о том, что корона на проводниках линии электропередачи может привести к другим последствиям, которые приводят к неблагоприятному воздействию на окружающую среду, Полезно рассмотреть правдоподобие некоторых из наиболее печально известных из этих эффектов.
Поскольку известно, что выбросы коронного разряда создают электромагнитное излучение, были подняты вопросы о возможности микроволнового излучения и рентгеновских лучей, создаваемых короной на проводниках линии электропередач.
Генерируемые коронным EMI на частотах до 1 ГГц были измерены от линий электропередач, работающих при напряжении до 800 кВ. Измерения EMI также были сделаны совсем недавно на частоте 900 МГц на двухконтурных линиях 230 кВ и 500 кВ в дождливую погоду.
Эти исследования показывают, что измеримые электромагнитные помехи могут создаваться линиями передачи даже на частотах выше 1 ГГц, но уровни снижаются обратно пропорционально частоте. Следовательно, любой EMI, создаваемый линиями передачи в низких микроволновых частотах, может быть обнаружен только в дождливую погоду, и уровни настолько малы, что не представляют никаких рисков для здоровья.
Предполагалось также, что электроны, созданные короной на проводниках, могут взаимодействовать с молекулами окружающей воды для получения СВЧ-излучения в полосах Х и К (9-25 ГГц). Однако лабораторное исследование (DeVore and Ungvichian 1975) показало, что на этих частотах не было получено измеримого излучения.
Аналогично, возможность производства рентгеновских лучей из-за короны на проводниках линии передачи была поднята на некоторых слушаниях по окружающей среде, но рассмотрение вовлеченной физики показывает, что это не правдоподобно. Процессы ионизации в воздухе при атмосферном давлении создают фотоны при энергиях, соответствующих видимому и ультрафиолетовому излучению, как показано на рисунке 4.
Поскольку фотоны рентгеновских лучей имеют энергии, которые на два-три порядка выше, чем у ультрафиолетового излучения, физически невозможно, чтобы корона и щелевые разряды генерировали рентгеновские лучи.
В недавнем исследовании (Silva et al., 2004) все потенциальные механизмы для производства рентгеновских лучей коронационной линии короны анализировались и оценивались по основным физическим принципам, и был сделан вывод о том, что ни один из них не может произвести никаких обнаруживаемых количеств рентгеновских лучей, Помимо проводников и оборудования, корона может возникать на поверхностях изоляции, таких как некерамические изоляторы и волоконно-оптические кабели, что вызывает эрозию и в конечном итоге приводит к разрушению изоляции. Наконец, корона может также возникать на острых кончиках листьев, растительности и других объектов, расположенных в непосредственной близости от проводников линии электропередачи.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Справочник по линии электропередачи переменного тока EPRI - 200 кВ и выше