Уменьшение потерь электроэнергии на корону. Физика процессов

Коронный разряд – это самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К полям такого рода относится электрическое поле проводов ВЛ.

Начальная напряжённость коронного разряда определяется по формуле Пика

На ЛЭП используются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности, поэтому при одинаковых с гладкими проводами напряжениях и внешних диаметрах напряжённость электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряжённости коэффициент гладкости m учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов различных марок он равен 0,82-0,94.

При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объёмный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе.

Напряжённость поля у поверхности провода во время коронирования остаётся равной . Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объёмного заряда и снижению напряжённости до . Вследствие увеличения объёмного заряда потери энергии на корону растут тем больше, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение

,где H – высота одиночного провода над землёй.

Движение ионов под действием сил электрического поля образует ток в промежутке между коронирующим проводом и землёй. Для передвижения ионов необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха много меньше.

При больших диаметрах проводов напряжённость ЭП в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации имеет бόльшие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы.

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле. Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают, и корона из лавинной переходит в стримерную.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом (длительность фронта – порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создаёт помехи радио и телевизионному приёму. При коронировании линий СВН может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.

При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряжённость поля у провода достигает значения , и горит, пока напряжение не достигает максимума. После этого напряжённость поля у провода становится ниже и корона потухает. Поскольку ионы имеют малую подвижность, и напряжённость поля у провода в каждый последующий полупериод усиливается объёмным зарядом, оставшимся от предшествующего полупериода, мгновенное значение напряжения, при котором корона зажигается в каждый полупериод (напряжение зажигания), меньше начального напряжения. Чем выше напряжение на проводе, тем больше напряжение зажигания отличается от начального напряжения. При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивно, чем при постоянном, и при равных условиях потери на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряжённость ЭП у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается, потери растут.

Для того чтобы исключить потери на корону, а также 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. При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно.

В соответствии с ПУЭ при напряжениях 110 кВ и выше провода должны проверяться на коронирование. Наиболее действенным средством уменьшения потерь на корону является увеличение радиуса проводов или расщепление проводов фазы. Правилами установлены минимальные значения диаметров одиночных проводов, применяемых для сооружений линий 110–330 кВ (табл. 9.1).

Таблица 9.1 - Наименьшие допустимые диаметры одиночных проводов воздушных линий по условиям потерь на корону

Примечания: 1. Для линий напряжением 35 кВ и ниже диаметры проводов не нормируются; 2. Эквивалентный радиус проводов в пучке расщепленной фазы определяется специальным расчетом.

Наибольшее влияние на максимальную напряжённость ЭП оказывает радиус расщепления. При увеличении его, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны, увеличивается ёмкость фазы и соответственно её заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления, при котором максимальная напряжённость наименьшая.

Дополнительно:

Величина среднегодовых потерь электроэнергии на корону в сетях сверхвысокого напряжения составляет 21 % от суммарных потерь и сопоставима с нагрузочными потерями (64,8 %). В абсолютном выражении величина потерь на корону во всех электрических сетях России превышает 4 млрд. кВт*ч. Из-за сильной зависимости потерь на корону от погодных условий максимальный уровень этих потерь, имеющий место при изморози, (33,5-44 кВт/км для ВЛ 330 кВ и 56-96 кВт/км для линий 500 кВ) может в десятки раз превышать минимальную величину потерь при хорошей погоде (0,8-1 кВт/км для ВЛ 330 кВ и 1,8-2,8 кВт/км для линий 500 кВ). В связи со значительной зависимостью величины потерь на корону от рабочего напряжения ВЛ, в период их увеличения при плохой погоде следует снижать это напряжение. Оптимальный уровень напряжения в узлах сети можно определить в этом случае при помощи методов и программ оптимизации режимов сети по напряжению, реактивной мощности и коэффициентам трансформации.