. Большой отряд воинов Древнего Рима находился в ночном походе. Надвигалась гроза. И вдруг над отрядом показались сотни голубоватых огоньков. Это засветились острия копий воинов. Казалось, железные копья солдат горят не сгорая!

Особенно часто такие огни наблюдали на мачтах кораблей. Римский философ и писатель Луций Сенека говорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся на мачты кораблей». Среди многочисленных рассказов об этом интересно свидетельство капитана одного английского парусника.

Случилось это в 1695 году, в Средиземном море, у Балеарских островов, во время грозы. Опасаясь бури, капитан приказал спустить паруса. И тут моряки увидели в разных местах корабля больше тридцати огней Эльма. На флюгере большой мачты огонь достиг более полуметра в высоту. Капитан послал матроса с приказом снять его. Поднявшись наверх, тот крикнул, что огонь шипит, как ракета из сырого пороха. Ему приказали снять его вместе с флюгером и принести вниз. Но как только матрос снял флюгер, огонь перескочил на конец мачты, откуда снять его было невозможно.

«Словно мириады цикад поселились в оснастке или с треском горел валежник и сухая трава. »

Огни святого Эльма разнообразны. Бывают они в виде равномерного свечения, в виде отдельных мерцающих огоньков, факелов. Иногда они настолько похожи на языки пламени, что их бросаются тушить.

Американский метеоролог Хэмфри, наблюдавший огни Эльма на своем ранчо, свидетельствует: это явление природы, «превращая каждого быка в чудище с огненными рогами, производит впечатление чего-то сверхъестественного». Это говорит человек, который по самому своему положению не способен, казалось бы, удивляться подобным вещам, а должен принимать их без лишних эмоций, опираясь только на здравый смысл.

Коронный разряд, электрическая корона, разновидность тлеющего разряда, который возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При Коронном разряде эти электроды окружены характерным свечением, также получившим название короны, или коронирующего слоя.

Примыкающая к короне несветящаяся («тёмная») область межэлектродного пространства называется внешней зоной. Корона часто появляется на высоких остроконечных предметах (святого Эльма огни), вокруг проводов линий электропередач и т. д Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, но наиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного.

Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества.

Свободный электрон при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон и свободный положительный ион. Электроны при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны и свободные положительные ионы и т.д.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.

Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку ab, имеющую диаметр несколько десятых миллиметра, и соединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение несколько тысяч вольт. Второй полюс генератора отведем к Земле. Получится своеобразный конденсатор, обкладками которого являются проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей.

Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его вблизи тонкой проволоки очень велика. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабое свечение (корона), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием.

Если между проволокой и источником включен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам, между проволокой и стенами переносится ионами, образованными в комнате благодаря ударной ионизации.

Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывает на сильную ионизацию воздуха под действием электрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только вблизи проволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.

Применение коронного разряда

Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Счетчики элементарных частиц

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Громоотвод

Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод.

Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

Источник

Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи

Понятие и особенности коронного разряда, его характеристики. Схема распределения объемного заряда при униполярной короне на проводе. Сущность и значение коронного разряда на проводах линий электропередачи. Экологическое влияние коронного разряда.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи

1.1 Коронный разряд и его характеристики

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле:

которая справедлива при отрицательной полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влияние полярности невелико.

Для того чтобы исключить потери энергии на корону, а также уменьшить и радиопомехи, начальное напряжение короны должно быть не ниже наибольшего рабочего напряжения линии относительно земли. Обеспечить это соотношение надлежащим выбором диаметра проводов можно только для условий сухой погоды или используя расширенные провода (рис. 6). При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно.

Рис. 6. Конструкции сталеалюминевых расширенных проводов:

Поскольку сухая погода на территории России составляет 70…90 % годового времени (6000 … 8000 ч из 8760 ч), то диаметр проводов выбирают из условий исключения короны в хорошую погоду.

Примем для упрощения выкладок Е_н = 30,3m?. Тогда:

Условие исключения короны:

Принимаят = 0,8, ? =1 и (характерное для линий 110…220 кВ), получаем

Из (7) следует, что для линий электропередачи напряжением 110 и 220 кВ наименьшие диаметры проводов, при которых исключается корона в хорошую погоду, оставляют соответственно 1,2 и 2,4 см (при нормальных атмосферных условиях).

При номинальных напряжениях 330 кВ и выше необходимы провода еще большего диаметра, во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности. В таких случаях целесообразно иметь провода, площадь поперечного сечения которых по проводящему материалу и диаметру независимы. Это так называемые расширенные провода. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено еще в 1910 г. акад. В. Ф. Миткевичем и заключается в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряженность поля на их поверхности. Решающим является то, что заряд каждого провода q_l составляет только часть общего заряда расщепленной фазы

Если провода располагаются на равных расстояниях по окружности радиусом г_р, называемым радиусом расщепления (рис. 7), то в трехфазной системе емкость расщепленной фазы определяется как

— эквивалентный радиус одиночного провода, имеющего ту же емкость, что и расщепленная фаза.

Средняя рабочая напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы с учетом (8) и (9) определяется как

а максимальная как

Наиболее существенное влияние на максимальную напряженность электрического поля оказывает радиус расщепления (рис. 7).

Рис. 7. Характеристики расщепленной фазы

При увеличении r_р, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны, увеличивается емкость фазы и соответственно ее заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления, при котором Е_max наименьшая (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость максимальной напряженности электрического поля на проводах расщепленной фазы от расстояния между проводами ВЛ 500 кВ
(n = 3, провод АСО 500)

1.3 Потери энергии на местную корону

Увеличением диаметра проводов и снижением напряженности поля на их поверхности нельзя исключить коронного разряда при неблагоприятных атмосферных условиях. Более того, даже при хорошей погоде не может быть исключена корона, например, в местах повреждения поверхности провода и арматуры гирлянд, на элементах крепления, т.е. в точках местного усиления поля. Такую корону называют местной в отличие от общей короны, существующей на всей поверхности проводов при Е > Е_н.

Поскольку годовые потери энергии на корону составляют заметное значение и могут достигать 40% от потерь на нагрев проводов, они оказывают влияние на технико-экономические характеристики линии электропередачи и их необходимо учитывать.

Оценка потерь энергии на корону производится на основе экспериментально полученных данных. Существует несколько методов расчета потерь на местную корону. В одном из способов, разработанных во ВНИИЭ, используются обобщенные характеристики потерь для разных погодных условий. Выделяются четыре группы погоды: хорошая погода (без осадков); сухой снег; дождь и мокрый снег; изморозь, гололед и иней. Для трассы линии электропередачи определяются по метеорологическим данным продолжительности отдельных видов погоды в часах: хорошей погоды h_hx, снега h_c, дождя h_д, изморози h_и (табл. 1). Затем по отношению E_maxjE_н из кривых (рис.9) находят удельные потери мощности для разных погодных условий, а затем среднегодовые потери энергии на корону.

Теоретический анализ показывает, что потери Р для одиночных проводоввыражаются функциональной зависимостью:

Обработка данных, полученных на опытных пролетах на проводах различных сечений, позволила найти форму функции F:

Для расщепленных проводов расчет усложняется вследствие несимметрии поля около проводов в пучке. Напряженность поля по периметру провода изменяется согласно формуле

Число проводов в фазе n

Рис. 10. Расположение расщепленных проводов в пучке

Можно, предположить, что на отрезке dl = rd? поверхности провода корона развивается так же, как на одиночном проводе с той же напряженностью поля Е_?. Если принять указанное предположение, то потери dP_? на участке dl, будут определяться по формуле:

Если теперь подставить в (18) функцию Е₀ = Е_ср(1 + Аcos?) и учесть первые два члена разложения в ряд подынтегрального выражения, то получим:

Для эквивалентного одиночного провода при аналогичных операциях, выраженных (18)…(19), имеем:

Приравнивая (19) и (20), получаем:

Среднегодовая мощность потерь на корону, кВт/км, равна:

Усредненные данные по погодным условиям для средней полосы европейской части России и Западной Сибири приведены в табл. 1. Продолжительность изморози невелика, однако потери энергии при ней составляют значительную часть среднегодовых потерь.

и это соотношение является определяющим при выборе проводов линий электропередачи по условию ограничения потерь на корону.

1.4 Экологическое влияние коронного разряда

Спектр частот излучения, создающего радиопомехи, охватывает диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Помехи на частотах выше 30 МГц оказывают мешающее влияние на телеприем и возникают только при коронировании линий 750 кВ. Источниками помех в этом случае помимо короны на проводах служат частичные разряды в зазорах и трещинах изоляторов и корона на заостренных элементах арматуры. В хорошую погоду корона на проводах практически не создает помех телевизионному приему.

Интенсивность радиопомех характеризуется вертикальной составляющей напряженности электрического поля вблизи поверхности земли (Е₂). Уровень радиопомех, дБ, определяется величиной

Обычно за базовое значение принимают Е₁=1 мкВ/м, тогда

В качестве расчетной частоты по рекомендации Международного комитета по радиопомехам принимается 0,5 МГц. Уровень полезного сигнала при этой частоте составляет примерно 60 дБ. Радиоприем считается удовлетворительным, если полезный сигнал превышает помехи на 20 дБ. Поэтому допустимый уровень радиопомех в хорошую погоду составляет 40 дБ, что в соответствии с (28) дает

Е = 100 мкВ/м. Это значение напряженности электрического поля радиопомех принято в качестве допустимого на расстоянии 100 м от проекции на землю крайнего провода линии электропередачи напряжением 330 кВ и выше.

По мере удаления от линии уровень помех снижается. Между уровнями радиопомех Y₄и Y₂ на расстояниях соответственно l₁ и l₂ существует зависимость

Зависимость между уровнем радиопомех и напряженностью электрического поля на поверхности проводов линейна и выражается эмпирической формулой:

Увеличение радиуса проводов при неизменной напряженности поля на них приводит к росту уровня радиопомех, поскольку спад напряженности поля у провода в радиальном направлении при этом замедляется и создаются условия для развития более интенсивной стримерной короны. Связь между уровнями радиопомех и радиусами проводов устанавливается эмпирической формулой:

Радиопомехи практически не зависят от числа составляющих проводов расщепленной фазы, поскольку происходит взаимное электромагнитное экранирование проводов фазы.

Уровень радиопомех уменьшается с ростом частоты излучения. В диапазоне 0,15…5 МГц уровень радиопомех на различных частотах Y_f по отношению к их уровню на частоте 0,5 МГц определяется, дБ, по уравнению:

Если известны уровень радиопомех Y₁ на нормированном расстоянии от линии и параметры Е₁ и r₁ тщательно исследованной базовой линии электропередачи, то уровень радиопомех при хорошей погоде Y₂, создаваемый другой линией, например проектируемой с параметрами Е_г и r₂, может быть с учетом (32) и (33) определен по обобщенной формуле:

Подставив в (34) нормированное значение Y₂ и параметры базовой линии, получим зависимость амплитудного значения допустимой напряженности поля на поверхности проводов, при которой обеспечивается нормированный уровень радиопомех, в виде

Акустический шум возникает, главным образом, в плохую погоду, когда усиливается интенсивность коронирования проводов. Звуковой эффект при этом имеет две составляющие: 1) шипение, соответствующее частоте 100 Гц и кратным ей частотам; 2) широкополосный шум. Первая составляющая обусловлена движением объемного заряда у проводов, что дважды за период создает волны звукового давления. Вторая генерируется стримерной короной.

Уровни громкости шумов [дБ (А)] измеряются с применением корректирующих фильтров, которые позволяют учесть физиологические особенности органов слуха человека (псофометрическую характеристику).

Особенно интенсивный шум от короны возникает при сильном дожде, однако такой дождь сам создает шум, превышающий по громкости возможные акустические помехи от линии электропередачи. Поэтому более существенны помехи при моросящем дожде, в туман, при мокрых проводах после сильного дождя. Уровень громкости в этих случаях на 5…6 дБ (А) ниже, чем в сильный дождь, но значительно превышает общий звуковой фон. Оценка акустического шума делается по условиям «влажных» проводов.

По санитарным нормам, допустимый уровень громкости равен 45 дБ (А). Линии сверхвысокого напряжения не приближаются к границам населенных пунктов ближе, чем на 300 м, а на таком расстоянии уровни громкости при влажных проводах ниже допустимого значения.

Для оценки громкости при дожде может быть использована эмпирическая формула:

Е_max — максимальная напряженность поля на поверхности проводов, кВ/см;

Для чистых районов допустимые напряженности определяются потерями энергии на корону при d 3,26 см. В районах с промышленным загрязнением допустимые напряженности определяются потерями энергии при d 3,3 см.