Поскольку вопросы коронирования имеют самое непосредственное отношение к линиям СВН, рассмотрим их несколько подробнее.
Корона — это один из видов самостоятельного электрического разряда в газах в резко неоднородном электрическом поле. Не вдаваясь в детальное рассмотрение процесса коронирования, что изучается в соответствующих курсах, отметим некоторые моменты, влияющие на конструкцию фазы линий СВН.
Рассмотрим одиночный электрический провод, расположенный на некотором расстоянии от земли и находящийся под напряжением U по отношению к ней. Примем, что этот провод имеет форму гладкого полированного цилиндра радиусом rпр. На поверхности провода возникает равномерное, но неоднородное электрическое поле, напряженность которого уменьшается по мере удаления от поверхности провода. Напряженность этого поля на поверхности провода может быть определена по известной формуле
(1)
где ε0 = 8,85 · 10 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума; ε≈1,0 Ф/м — диэлектрическая постоянная воздуха; С — емкость провода на единицу его длины; q — заряд провода.
При протекании электрического тока по этому проводу возникает также и магнитная составляющая поля. Эти две составляющие (электрическая и магнитная) взаимодействуют на всем протяжении линии, определяя ее электромагнитные свойства. Распределение напряженностей этих составляющих поля около провода приведено на рис. 1.
Влияние земли из-за большого расстояния провод—земля, которое много больше радиуса провода, сказываться не будет. В трехфазной системе влияние соседних фаз на поле одиночного провода будет незначительным из-за больших междуфазных расстояний, и им обычно пренебрегают.
Рис. 1. Распределение напряженностей электрического Е и магнитного Н полей и плотности потока электромагнитной энергии W для крайней фазы линии 1150 кВ при количестве проводов п = 16
Напряженность электрического поля пропорционально возрастает с увеличением емкости провода и уменьшается с увеличением его радиуса. При переменном напряжении напряженность электрического поля во времени также будет изменяться по синусоидальному закону.
Под воздействием этого поля, особенно в зоне вблизи амплитудного значения его напряженности, свободные электроны, имеющиеся в воздухе, будут приобретать дополнительную энергию и ускоряться. Энергия и ускорение будут тем больше, чем больше напряженность электрического поля. Эти электроны при соударениях с атомами газов воздуха будут выбивать из них вторичные электроны, которые также будут ускоряться под воздействием электрического поля провода. При некоторой напряженности поля этот процесс приобретает лавинообразный характер, в результате чего в тонком слое около провода создается ионизированная зона, насыщенная электронами. Эта зона, называемая чехлом короны, внешне проявляется в виде свечения вдоль всего провода, хорошо заметного в сумерках или в темное время суток (рис. 2). Если коронирование охватывает провод по всей его длине, это явление называется общей короной.
Рис. 2. Корона на экранах изоляторов ВЛ
В чехле короны за счет процессов ударной ионизации происходит непрерывное образование заряженных частиц обоих знаков. Частицы, имеющие полярность, противоположную полярности провода, притягиваются к проводу и рекомбинируют на нем. Частицы той же полярности, что и провод, под воздействием электрического поля выходят из чехла короны и образуют ионный объемный заряд, который достаточно медленно перемещается к соседней фазе. Поскольку скорость перемещения ионов из-за большой массы существенно меньше скорости электронов, частицы, образующие объемный заряд, успевают отойти от провода только на расстояние в несколько десятков сантиметров. Лишь единичные заряды успевают дойти до соседней фазы и там рекомбинировать. После перемены полярности провода в следующий полупериод этот заряд притягивается к проводу, там рекомбинирует, и возникает заряд иной полярности.
Перемещение объемного заряда в электрическом поле создает ток короны, который на несколько порядков превышает ток утечки по изоляторам линии. Поскольку перемещение заряда в электрическом поле требует затрат энергии, то коронирование проводов сопровождается потерями энергии, которые определяются значением тока короны. Эти потери в определенных условиях (при плохой погоде) могут достигать больших значений и быть соизмеримыми с потерями энергии на нагрев проводов.
Помимо чехла короны на поверхности провода при достаточно высокой напряженности поля образуются небольшие частичные разряды — стримеры, по которым в пространство, окружающее провод, также внедряется объемный заряд. Эти разряды происходят в виде следующих одна за другой кратковременных вспышек и вызывают протекание импульсных токов разряда. Амплитуда тока разряда и его длительность определяются полярностью напряжения. При положительной полярности амплитуда тока разряда составляет несколько сот миллиампер при длительности около 10 с. При отрицательной полярности напряжения эти импульсы имеют длительность около — 8-10 с амплитуду в десятки миллиампер. Эти разряды вызывают радиопомехи в диапазоне частот от 0,1 до 30 МГц и выше, т.е. они захватывают весь диапазон радиочастот и полосу телевизионных частот.
Таким образом, коронирование проводов линии приводит к дополнительным потерям активной мощности и энергии, что снижает КПД линии и вызывает значительные радиопомехи в зоне, прилегающей к линии. Кроме того, частичные разряды сопровождаются характерным звуковым эффектом, который может быть достаточно сильным и вызывать состояние дискомфорта у людей, находящихся вблизи линии. Этот звук называют акустическими помехами.
Ток короны имеет несинусоидальную форму, т.е. в токе линии появляются токи высших гармоник, что может привести к целому ряду нежелательных эффектов (дополнительные потери мощности, резонансные явления и пр.).
Из сказанного выше следует, что коронирование проводов должно быть по возможности исключено.
В процессе изготовления проводов и их монтажа на поверхности провода всегда образуются различные заусеницы, шероховатости, на которых возникает местное увеличение напряженности электрического поля, в результате чего снижается начальная напряженность возникновения короны. Поэтому для новых смонтированных проводов потери на корону выше. По мере старения проводов (через 3—5 лет) их поверхность несколько выравнивается в результате окисления и загрязнения и потери снижаются.
Кроме того, коэффициент гладкости является функцией погоды. Для каждого вида погоды (дождь, снег, изморозь и пр.) определены свои значения этого коэффициента, которые могут быть много ниже указанных значений. Иголочки инея или изморози, осевшие на провод, имеют очень малый радиус кривизны, что снижает начальную напряженность короны. Различают шесть-семь видов погоды, для каждого из которых определено свое значение этого коэффициента. Например, для изморози, инея, гололеда он принимается равным 0,6; для дождя, снега значение этого коэффициента зависит от их интенсивности, и его можно принять в пределах 0,57—0,73.
Допустимая напряженность поля на поверхности витого провода должна быть меньше начальной напряженности короны с учетом коэффициента гладкости и коэффициента запаса, равного 0,9:
(2)
Это условие является определяющим при выборе конструкции фазы или при проверке заданной конструкции по условиям коронирования.
Для снижения напряженности поля до допустимого значения необходимо увеличить поверхность провода, т.е. уменьшить плотность заряда. Это может быть достигнуто или за счет увеличения радиуса одиночного провода, или путем распределения заряда фазы по нескольким проводам, т.е. применением так называемых расщепленных проводов.
На практике используются оба пути. Для линий 110—220 кВ, как известно, ограничивается минимально допустимое сечение (радиус провода) по условиям короны, для линий СВН применяются расщепленные провода. Ошиновка подстанций СВН, как правило, выполняется расщепленными проводами, но иногда для этой цели используются медные или алюминиевые трубы необходимого радиуса.
Как показали многочисленные эксперименты и расчеты, условие (2) в случае использования одиночных проводов на линиях СВН может быть выполнено только при их радиусе, значительно превышающем радиус проводов стандартной номенклатуры сечений, выпускаемых промышленностью. Выпуск проводов обычной конструкции с требуемым по условиям короны радиусом неоправдан как с технической, так и с экономической точки зрения. Для решения данной задачи были разработаны иные конструкции проводов — полые и расширенные провода.
Рис. 3. Расширенные провода с каркасной спиралью:
а — АСР-400, d = 34,2 мм; б — АСР-500, d = 34,2 мм; в — АСР-1000, d = 60 мм
Полые провода собирают из отдельных сегментов таким образом, что образуется полый цилиндр требуемого радиуса. Площадь сечения стенок этого цилиндра определяется током линии. Эти провода используются для ошиновки подстанций. Для сооружения линий эти провода не применяются из-за недостаточной механической прочности и сложности монтажа.
В расширенных проводах (рис. 3) на стальной трос навивается с большим шагом каркасная спираль из стальной проволоки большого диаметра и уже на эту спираль в несколько повивов навивается алюминиевая проволока. В результате внешний радиус провода значительно увеличивается. Для некоторых марок расширенных проводов с целью еще большего увеличения радиуса провода используют две внутренние спирали, навитые на стальной трос в разных направлениях. Такие провода в нашей стране были изготовлены и испытаны на опытных пролетах. Однако в дальнейшем они также не получили применения из-за сложностей изготовления и монтажа. Кроме того, линии с одиночными расширенными проводами имеют меньшую натуральную мощность и, следовательно, меньшую пропускную способность по сравнению с линиями, в которых применяются расщепленные провода.
В настоящее время повсеместно для линий СВН используются расщепленные провода. В линиях с расщепленными проводами радиус эквивалентного одиночного провода намного превышает радиус расширенного провода, что влечет за собой более радикальное изменение параметров линии.
