Электричество повсеместно используется в современной жизни как на производстве, так и в быту. Генерация электричества и его потребление в подавляющем большинстве случаев происходят не в одном месте, причем расстояние между этими двумя точками бывает довольно значительным. Основное средство доставки электричества в нужное место – различные силовые линии.
Сооружение силовой электрической линии на значительную мощность – очень затратное мероприятие. Одно из средств уменьшения срока окупаемости капитальных затрат – увеличение рабочего напряжения: по мере его роста при неизменной мощности падает рабочий ток и, соответственно, уменьшаются потери.
Силовые линии могут быть реализованы на основе кабелей или как воздушные линии электропередач (ЛЭП). Последние выгодны тем, что воздух как хороший природный диэлектрик позволяет эффективно разделить провода, что опять же экономит затраты.
Коронный разряд в ЛЭП
Потери на преобразование в джоулево тепло непосредственно в фазных проводах – не единственный механизм потерь в ЛЭП. Кроме них существуют потери на т.н. коронный разряд. Акустический эффект его наличия – хорошо слышимое, особенно при повышенной влажности, потрескивание, а ночью коронный разряд проявляется в виде свечения (короны) вокруг острых кромок металлических предметов. Пример этого явления показан на рисунке 1.
В основе коронного разряда лежит эффект пробоя воздуха как изолятора, который возникает при напряженности электрического поля как минимум порядка 30 кВ/см. При этом напряженность естественным образом растет в области острой кромки. Результатом пробоя становится ионизация молекул воздуха с появлением свободных зарядов. Последние взаимодействуют с электрическим полем и интенсивно разгоняется в нем. При соударении со следующей молекулой происходит ее вторичная ионизация и далее процесс развивается лавинообразно.
Из-за того, что по мере удаления от провода напряженность поля быстро падает (пропорционально квадрату расстояния) рассмотренный механизм:
- имеет ограниченную область действия;
- всегда “привязан” к металлическому предмету под напряжением;
- наиболее интенсивен в области острых кромок.
При выходе из области ионизации начинается рекомбинация свободных носителей зарядов, которая сопровождается выделением накопленной ими энергии в виде свечения и щелчка.
Разновидности корональных разрядов
Процесс ионизации может начинаться как на катоде, который генерирует лавину электронов, так и на аноде, который становится источником положительных зарядов. Движение зарядов, создаваемых при пробое, всегда происходит от одного электрода в направлении другого.
При этом из-за большей подвижности электронов, определяемых меньшей массой, обеспечивается большая равномерность их распределения в активной зоне, а корона в результате этого имеет равномерное свечение.
Для положительных зарядов условия формирования короны обычно локализованы, в результате чего они приобретают вид шнура или искрового канала.
Второй электрод может не генерировать корону.
Подавление короны
Вне зависимости от типа короны ее появление означает возникновение дополнительного тока, т.е. рост потерь. Для их уменьшения наиболее целесообразно снижать напряженность поля ниже пробивного. Самый простой способ – устранение острых кромок на токоведущих элементах ЛЭП. Наиболее актуально это при конструировании изоляторов, т.к. в них естественным образом нарушается плавность линий деталей. Пример показан на рисунке 2.
Более затратный и конструктивно сложный, но одновременно более эффективный способ радикального решения проблемы – переход на провода с т.н. расщепленной структурой. Пример их конструкции показан на рисунке 3. В данном случае поставленная цель достигается тем, что рост количества проводов естественным образом уменьшает напряженность электрического поля ниже критической.