Содержание
Потери на корону и их снижение в сетях 220 КВ и выше
Пример HTML-страницы
Проблема экономичности работы сетей 220 кВ и выше при их малой загруженности в настоящее время связана не только и не столько с потерями в проводах
от
токов
нагрузки,
сколько
с
потерями
на
корону. Среднегодовые потери мощности и энергии на корону ВЛ 330 и 500 кВ составляют 12 %, а ВЛ 750 кВ — 14 % от суммарных потерь (на корону и от тока нагрузки), при этом потери в проводах рассчитываются для натуральной мощности Рнат. Так как в действительности средние нагрузки ВЛ раза в 2 меньше Р нат, то потери на корону ВЛ 330 и 500 кВ составят 35 %, а ВЛ 750 кВ — 39 % от суммарных потерь. Потери мощности на корону в зависимости от вида погоды изменяются на 1-2 порядка, поэтому наиболее эффективно снижать их максимальные значения, которые имеют место при изморози, дожде, снеге. В этих условиях снижение потерь мощности и
энергии
в
сети
будет
определяться,
главным
образом, уменьшением потерь на корону. Для оценки эффекта от регулирования уровня потерь
на
корону
рассмотрим
существующие
в
России линии
напряжением
220-750
кВ.
Чтобы
определить потери энергии на корону, следовало бы рассчитать их для каждой конкретной ВЛ, а затем просуммировать. Эта процедура довольно трудоемка, поэтому для решения
задачи
можно
пойти
по
приближенному
пути. Если рассчитать средние удельные потери при разных видах погоды для средних радиусов проводов, затем, зная средние продолжительности видов погоды в среднем по России, найти среднегодовые удельные потери,
то,
умножив
последние
на
суммарные
длины
ВЛ разных
номинальных
напряжений,
можно
получить полные потери. На рис. 1 даны гистограммы длин линий и радиусов проводов в фазах ВЛ России, а в табл.1 — средние длины линий и средние радиусы проводов (средние ВЛ 220 кВ даны для выборки в 30 %).
Метеорологические
данные
о
продолжительности разных видов погоды для более чем 1600 пунктов позволяют получить средние продолжительности разных видов погоды для всей территории России.
На рис. 2 представлены
гистограммы
средних
длительностей видов погоды: Ти — изморози, Тд — дождя, Тмс — мокрого снега, Тт — тумана, Тс — сухого снега, Тпв — повышенной
(более
90 %)
влажности
воздуха
по
данным метеостанций России за период с 1983 г. по 1992 г., с помощью
которых
определялись
средние
по
России продолжительности, а в табл. 2 — эти средние, а также средние
удельные
потери
мощности
и
энергии (продолжительность
и
потери
при
мокром
снеге учтены в строке «Дождь»), рассчитанные по [1*] для ВЛ 220, 330, 500 и 750 кВ при средних радиусах проводов, указанных в табл. 1.
Из гистограмм рис. 2 и табл. 2 следует, что максимальные продолжительности погодных явлений в отдельных пунктах России могут превосходить средние в 3-5 раз. Полученные результаты не являются
абсолютными,
так
как
ВЛ
распределены
по
территории
России
неравномерно.
Впрочем,
и
распределение метеостанций по территории России также не везде одинаково — в обжитых районах, где налажено электроснабжение, их больше. Средняя продолжительность видов погоды по районам
России
отличается
от
приведенной
в
табл.
2
по
России в целом. Для примера в табл. 3 представлены средние
продолжительности
изморози для
12
регионов, включающих несколько областей, на которые была разбита
Россия,
и
среднеквадратические
отклонения
этих продолжительностей по данным метеостанций. В
регион
включались
неразрывные
области
с
относительно
близкими
метеорологическими
характеристиками. Из табл. 3 следует, что средние продолжительности изморози по регионам отклоняются от средней по
России
примерно
на
± 50 %,
а
среднеквадратические
отклонения продолжительностей — на ± 30 %.
По
данным
табл.
2
можно
рассчитать
суммарные
потери
энергии
от
короны
в
ВЛ
разных
номинальных
напряжений на территории России. По [2] общая длина
ВЛ 220 кВ равна 100,3 тыс. км, ВЛ 330 кВ — 11 тыс. км,
ВЛ 500 кВ — 37,8 тыс. км, ВЛ 750 км — 3,2 тыс. км. Умножая эти числа на среднегодовые удельные потери энергии табл. 2, можно получить годовые потери
энергий ВЛ России равные: при 220 кВ — 2568 ГВт•ч,
при 330 кВ — 840 ГВт•ч, при 500 кВ — 4831 ГВт•ч, при
750 кВ — 839 ГВт•ч, что в сумме составляет 9078 ГВт•ч. При
годовом
производстве
900
млрд.
кВт•ч
последние
съедают
9078•100/900000 =1 %
произведенной
электроэнергии. Теперь
оценим,
насколько
снизятся
потери
энергии
на корону при уменьшении напряжения. Согласно табл. 2
потери
при
изморози
дают
61-70 %
общих
потерь
на
корону, дожде — 9-12 %, хорошей погоде — 6-11 %, сухом снеге — 7-8 %, повышенной влажности воздуха —
5-5,5 %, тумане — 2,5 %, причем при изморози и дожде
потери
составляют
73-79 %
среднегодовых
потерь
на корону. Если считать, что потери на корону зависят от напряжения в пятой степени [1], то снижение напряжения на 2 % приведет к уменьшению потерь на 10 %, а только при изморози и дожде — на 7,5 %. Для сети 500 кВ снижение
напряжения
на
2 %
даст
экономию
335
ГВт•ч электроэнергии в год.
Приведенные
цифры
экономии
электроэнергии можно реализовать при условии, что измерения потерь
мощности
на
корону
и
в
проводах
ведутся
непрерывно.
Мнение
о
том,
что
для
управления
режимом напряжений достаточно получать информацию о виде
погоды
от
метеостанций,
которые
находятся,
как
правило,
в
стороне
от
линий,
нельзя
считать обоснованным. Действительно, метеостанции могут фиксировать тот или иной вид погоды, которого на линии нет; измерения параметров погоды на метеостанциях осуществляются 1 раз через 3 часа, поэтому неизвестно, что имеет место в промежутке между измерениями; не известны интенсивность погодных явлений, а также длина линии, занятая погодой того или иного вида. Таким образом, судить о виде погоды, а по нему о потерях мощности на корону в линии по текущим данным метеостанций нельзя. Если учесть, что продолжительность, например, дождя или
снега
может
быть
меньше
1-2
часов,
то становится
понятным,
что
регулирование
напряжения
с
целью
уменьшения
потерь
мощности
и
энергии в сети можно реализовать только при измерениях текущих значений потерь на корону и в проводах.
В книге Тамазова А.И. «Корона на проводах воздушных линий переменного тока» (М.: Спутник+, 2002]
)
предложена система измерений потерь на корону и в проводах, дан анализ погрешностей измерения потерь в линии и показано, что точность таких измерений
может
обеспечить
уверенную
регистрацию текущих потерь мощности на корону при тумане, дожде, мокром снеге, изморози. Реализация таких систем в ВЛ 500 и 750 кВ подтвердила их работоспособность. Учитывая успешный опыт их применения, необходимо внедрить систему на всех линиях 330 кВ и выше, тем более, что она не требует дополнительной
измерительной
аппаратуры,
а
основывается
на
комплексе
программ,
использующих данные ОИК АСДУ. Чтобы оценить напряженность сетей России по потерям на корону, рассмотрим данные о распределении радиусов проводов фаз ВЛ России и Франции, которые
представлены
на
рис.
3.
Из
рис.
3
следует, что
среднее
значение
радиуса
проводов
в
России равно rпс= 13,36 мм, а во Франции rпс= 15,8 мм. В гистограмме рис. 3 по России не учтены радиусы проводов ВЛ 220 кВ, которые могут только понизить среднее
значение
радиуса
провода
по
сравнению
с
указанным выше. Если приближенно принять, что потери мощности
на
корону
пропорциональны
только
квадрату радиуса провода, то уровень этих потерь в сетях России больше, чем во Франции не менее чем в 1,4 раза
без
учета
разницы
климатических
условий.
С учетом того, что климат Франции много мягче, чем в России,
эта
цифра
возрастет
примерно
в
1,5
раза.
Приведенные данные говорят о том, что удельные потери
мощности
и
энергии
на
корону
в
сетях
220-750 кВ
России
примерно
в
2
раза
больше,
чем
во Франции.
Стремление уменьшить потери мощности и
электроэнергии
на
корону
в
высоковольтных
сетях
свойственно
не
только
Европе
и
Америке.
Так,
фаза
ВЛ 500 кВ Вьетнама выполнена 4 проводами, а фаза
ВЛ 750 кВ Кореи — 6 проводами большого диаметра.
Хорошо спроектированная линия электропередачи
должна
обеспечивать
достаточно
высокий
КПД.
Поэтому
как
потери
в
проводах,
так
и
потери
на
корону
следует ограничивать. Попытки ограничения потерь на
корону путем введения допустимой напряженности на
поверхности провода нельзя считать обоснованными.
В [4] показано, что условие, приводимое в ПУЭ [5],
где
Едоп —
амплитуда
допустимой
напряженности
на поверхности провода,
— начальная напряженность на проводе радиусом rп(м) при относительной плотности воздуха
δ, не ограничивает
потери
мощности
на
корону,
приходящиеся
на один провод фазы. Так как напряженность характеризует состояние единицы поверхности провода, интересно
было
бы
выяснить,
как
изменятся
параметры фаз ВЛ, если нормировать потери, приходящиеся на единицу поверхности провода. Используя (1), можно определить минимально допустимый радиус провода, рассчитав его по формуле [4]
где U — амплитуда фазового напряжения, В,
C — емкость фазы линии, Ф/м,
n — число проводов в фазе,
кн=1+(n-1)rп/rр — коэффициент неравномерности,
rр — радиус расщепления, м,
ε — диэлектрическая постоянная.
Результаты
расчета
rп по
(3),
удельных
потерь мощности на корону при изморози по [1], а также условных
потерь,
приходящихся
на
единицу
поверхности провода фазы, приведены в табл. 4. Можно было бы рассчитать потери мощности на корону и при других
видах
погоды,
однако
для
сравнения
уровня
потерь на линиях с фазами разной конструкции достаточно сравнения их при изморози, поскольку в среднем по России потери на корону при этом виде погоды составляют 0,6-0,7 от среднегодовых.
Из табл. 4 видно, что условные потери на корону, приходящиеся на единицу поверхности проводов ВЛ
330 кВ (n=1), 750 и 1150 кВ, много больше таковых на ВЛ 220, 500 и 330 (n=2) кВ.
Если принять, что потери на единицу поверхности проводов всех ВЛ не должны превышать таких же потерь ВЛ 220 кВ, то можно найти новые допустимые радиусы проводов для упомянутых выше ВЛ. Принятая для ВЛ 220 кВ и основанная на (1) норма Ри/nrп условна, однако она демонстрирует неприемлемость применения условия (1) к ВЛ, фазы которых имеют 4 и более
проводов,
о
чем
шла
речь
в
[4].
Так
как
для
ВЛ 220 кВ Ри/nrп =1,96, то эта цифра должна соблюдаться и на ВЛ других напряжений, т.е.
Так
как
число
проводов
известно,
то
для
каждого напряжения
можно
определить
Ри/rп,
которое
равно для: ВЛ 330 кВ (n=1) — 1,96; ВЛ 750 кВ (n=4) — 7,84;
ВЛ 750 кВ (n=5) — 9,8; ВЛ 1150 кВ (n=8) — 15,68. Используя
кривые
[1]
зависимостей
Р=
f(rп,δ)
при
δ=1, можно подобрать значения rп, соответствующие приведенным выше цифрам. Таким образом, минимально допустимые радиусы проводов и их типы будут определяться табл. 5.
Из сравнения таблиц 4 и 5 видно, что если ограничение
потерь
мощности
от
короны
осуществляется
по
условным
потерям
при
допустимой
напряженности, рассчитанной по (1) для ВЛ 220 кВ, то происходит уменьшение потерь от короны ВЛ 750 и 1150 кВ
на 27-40%.
Так как норма условных потерь принята по соотношению
(1)
для
ВЛ
220
кВ,
то
необходимо
обсудить
правомерность
такой
нормы.
Для
хорошей
погоды
среднее значение коэффициентов снижения критической
напряженности
по
отношению
к
начальной
общей короны равно 0,87, а снижение начальной напряженности местной короны по отношению к начальной
общей — 0,56. Поэтому для ограничения потерь в
хорошую погоду надо принять в качестве допустимой
напряженность, которая находится между напряженностями начала местной и общей короны, то есть коэффициент
снижения
критической
напряженности
должен находиться между 0,56 и 0,87, что соответствует норме (1).
При изморози первый коэффициент
равен 0,465, а второй — 0,58. Это значит, что при нормировании
по
хорошей
погоде
практически
всегда
в изморозь фазы ВЛ будут создавать потери общей короны. Учитывая значительную долю потерь, вызываемых изморозью, целесообразно ограничивать именно эти потери.
Если принять
что значительно ограничивает потери общей короны при изморози, тогда допустимый радиус провода ВЛ 220
кВ
будет
равен
12
мм,
и
условные
потери
будут равны 13:12 =1,1 Вт/(м•мм). При этой норме допустимые радиусы проводов и потери мощности на корону при изморози определятся значениями, приведенными в табл. 6.
Сравнение данных табл. 4 и 6 показывает, что при
ограничении потерь мощности на корону по условным
потерям
с
допустимой
напряженностью
ВЛ
220
кВ,
рассчитанной по (5), потери на линиях напряжением
220-500 кВ уменьшаются на 23-88 %, а на линиях напряжением 750-1150 кВ — в 2 раза.
Теперь можно сравнить сечения проводов табл. 4 и
6
по
плотности
тока,
соответствующей
натуральной
мощности линии. В табл.7 даны номинальные напряжения,
натуральные
мощности
и
плотности
тока
ВЛ,
определенные по сечениям фаз таблиц 4 и 6.
Из
табл.
7
следует,
что
сечения
табл.
6
снижают плотность тока в фазах ВЛ 500-1150 кВ до ≈ 0,6 А/мм2 . Так как средняя нагрузка ВЛ в лучшем случае составляет
50 %
от
натуральной
мощности,
то
и
средние плотности тока будут примерно в 2 раза меньше. Радиусы проводов табл. 6 оказываются несколько больше тех, которые были получены в [4] с учетом ошибок при определении емкостей ВЛ и более высоких,
чем
номинальное,
напряжений
сети.
Приведенные в табл. 6 конструкции ограничивают сечения фаз ВЛ в районах, где удельный вес потерь на корону
при
изморози
велик.
Из
табл.
5
и
6
видно,
что ужесточение
требований
по
ограничению
потерь энергии на корону требует применения проводов с большими
радиусами.
Любопытно,
что
по
табл.
6 для
строительства
ВЛ
220 -1150
кВ
достаточно иметь два типа провода: сечением 300 и 500 мм2 . Обычно к строительству принимается конструкция
фазы,
которая
обеспечивает
минимум
приведенных затрат. Зависимость приведенных затрат от сечения фазы вблизи минимума дает большие приращения при уменьшении сечения фазы по отношению к оптимальному, соответствующему минимуму приведенных затрат, и малые при увеличении сечения.
Поэтому
в
проектах
линий
электропередачи целесообразно выбирать сечения, которые больше оптимальных,
тем
более,
что
точность
расчетных значений приведенных затрат невелика. Опыт показал,
что
первые
предложения
по
конструкции
фаз ВЛ
1150
кВ
Экибастуз-Кокчетав-Кустанай
оказались
неприемлемыми
по
потерям
на
корону.
По расчетам,
проводившимся
ранее
по
методике ЭНИН [1] для условий Сибири, при восьми проводах в фазе ВЛ 1150 кВ радиус провода должен быть равен 15 мм, а сечение соответственно 500 мм2. Последние предложения по новым ВЛ 1150 кВ предусматривают использование проводов сечением 400 мм2 Вместе с тем, в условиях непрерывного и интенсивного роста цены на электроэнергию переход к сечению 500 мм 2 неизбежен. Совершенно очевидно, что если
конструкция
фазы
выбирается
по
минимуму приведенных
затрат,
то
нет
надобности
соблюдать любые требования по ограничению потерь мощности на корону. Не
менее
важно
правильно
определить
конструкцию
фаз
ОРУ.
Предложенная
в
[1]
методика
расчета потерь на корону позволяет решить и эту задачу, актуальность которой стала очевидной, когда на проводах фаз
ОРУ
первых
построенных
подстанций
1150
кВ
в хорошую погоду возникла развитая корона. Для
расчета
потерь
на
корону
в
ОРУ
необходимо, пользуясь методикой Е.С. Колечицкого, рассчитать
распределение
зарядов
по
проводам
шин ОРУ.
В
силу
неравномерности
распределения
поверхностного
заряда
токи
короны
вдоль
провода будут
неодинаковыми.
Пусть
на
участке
провода
с наибольшей
плотностью
заряда
возникла
корона, тогда при увеличении напряжения заряд этого участка стабилизируется и корона возникнет на соседних
участках.
При
дальнейшем
росте
напряжения корона будет охватывать все большую длину провода, а распределение заряда провода выравниваться, причем токи короны вдоль провода будут неодинаковыми. Чтобы упростить расчеты потерь мощности
от
короны
на
проводах
ОРУ,
следует
определить,
при
какой
неравномерности
распределения зарядов между проводами фазы и вдоль проводов расчет по среднему заряду не даст большой ошибки.
Проведенные
расчеты
показали,
что
погрешность определения потерь по среднему заряду провода фазы не превосходит 5 %, если отношение максимального
заряда
провода
к
минимальному
—
k не больше значений рис. 4.
Как правило, отношение максимального заряда провода фазы к минимальному
не превосходит значений k, получаемых из графика
рис.4. Если отношение максимального заряда вдоль
провода
qmax
к
минимальному
qmin
меньше
1,26,
то погрешность определения потерь на корону по среднему
заряду
оказывается
меньше
5 %,
что
допустимо. Поэтому при допустимой погрешности 5 % потери от короны следует рассчитывать на отрезках, для
которых
интервалы
изменения
зарядов
имеют
границы qmin
и
1,26qmin
,
1,26qmin
и 1
1,262qmin
, 1,262qmin
и
1,263q
min
и т.д. Чтобы определить число интервалов
m,
положим,
что
qmax=1,26 m
qmin.
Тогда
после
несложных преобразований получим
Так
как
количество
интервалов
число
целое,
то
расчетное m округляется до большего целого числа.
В ОРУ подстанций, длина шин которых может достигать нескольких километров, применяются провода типа
АС
и
ПА.
Электрические
свойства
поверхности
проводов типа ПА незначительно отличаются от проводов
типа
АС,
поэтому
распределения
относительных критических напряжений для обоих типов при соблюдении
технологии
изготовления
проводов
не
будут разниться. Следовательно, потери на корону можно
рассчитывать
по
методике,
разработанной
для
проводов типа АС.
Пусть удельный средний заряд участка фазы равен
τ тогда удельная емкость для этого участка будет равна
Зная С, нетрудно по [1] определить начальное напряжение общей короны U0П, отношение U0П/U и величину
(Р/bpU2)c.
Тогда
именованные
удельные
потери на корону участка для видов погоды определятся как
Следовательно, потери участка будут равны произведению Р на длину участка. Суммарные потери на корону в ОРУ для различных видов погоды получатся в результате суммирования потерь участков, а среднегодовые
потери
—
суммированием
упомянутых потерь
с
учетом
относительной
продолжительности видов погоды. Выбор оптимальной конструкции шин ОРУ следует производить так же, как и проводов ВЛ, путем сравнения технико-экономических характеристик различных вариантов.
На эксплуатируемых подстанциях шины ОРУ одной подстанции дают разные потери от короны. Это видно из сравнения представленных на рис. 5 зависимостей потерь
мощности
на
корону
от
напряжения:
а)
для главных
шин
(эквивалентная
высота
фаз
над
землей 20 м и расстояние между фазами 16 м),
б) для шин отходящих линий (высота фаз 30 м и расстояние между фазами 16 м),
в) для шин, идущих к силовым трансформаторам
(высота
фаз
24
м
и
расстояние
между фазами 10 м)
ОРУ 750 кВ.
Шины выполнены 3-мя проводами ПА 500.
При этом максимальные значения потерь отличаются от минимальных примерно в 1,5 раза, а наибольшие потери на корону в ОРУ больше средних по России (см. табл. 2). Разница в величинах потерь определяется двухярусным расположением шин.
Обычно при расчете допустимых радиусов проводов ВЛ используется полученная из опытов формула начальной напряженности общей короны Ф. Пика
В
литературе
имеется
большое
количество
формул для определения Е
0П, которые при радиусах проводов rп< 1,5 см дают близкие результаты. Вместе с тем,
при
rп> 1,5
см
эти
результаты
расходятся.
Как опытные, так и теоретические данные о Е
0П определяются с погрешностями. Поэтому, чтобы не допустить приуменьшения
расчетных
потерь
на
корону
за
счет больших
значений
Е
0П,
целесообразно
рассчитывать ее по формулам, которые дают нижнюю границу значений. Так, по формуле Г.Н. Александрова [7], дающей близкие
к
(9)
значения
Е0П для
rп <1,5
см
и
меньшие значения Е
0П для
rп>1,5 см,
При расчете потерь от короны на проводах большого диаметра, в том числе и на полых проводах, значения Е
0П следует определять по (10).
ВЫВОДЫ
1.
Российские
сети
220
кВ
и
выше
дают
по сравнению с французскими сетями в 2 раза большие потери мощности и энергии на корону.
2. Так как конструкции сетей определяются нормами ПУЭ и указаниями по учету коронного разряда, то для снижения потерь энергии от короны на вновь строящихся ВЛ и ОРУ необходимо разработать новые нормы и методические указания по проектированию, ужесточающие требования по короне.
3. Для уменьшения потерь энергии на корону в действующих сетях высокого напряжения следует реализовать
повсеместное
оперативное
регулирование напряжения.
4.
Оперативное
регулирование
напряжения должно базироваться на текущих измерениях потерь от короны и в проводах в реальном времени.
5. Необходимо пересмотреть конструкции фаз ВЛ и ОРУ 1150 кВ, поскольку имеющиеся решения дают высокие уровни потерь на корону.
Автор: Тамазов А.И., канд. техн. наук, ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского»
7. Коронный разряд на влэп при постоянном и переменном напряжении. Способы ограничения потерь на корону (стр78)
Коронный
разряд или корона
– это самостоятельный разряд, возникающий
в резконеоднородных полях.
На
постоянном напряжении
различают униполярную и биполярную
корону. Если коронирует один провод —
униполярная корона. При униполярной
короне генерируемые короной заряды,
имеющие тот же знак, что и коронирующий
провод, под действием электрического
поля устремляются к земле, где происходит
их нейтрализация. При биполярной короне
объемные заряды проводов различной
полярности движутся навстречу друг
другу. При встрече происходит рекомбинация
ионов разных знаков. Часть ионов проникает
в пространство вблизи противоположного
провода, что приводит к усилению
интенсивности коронирования. Это
увеличивает потери на корону.
На
переменном напряжении
коронный разряд зажигается при достижении
начального напряжения, равного напряжению
зажигания короны UН
при времени t1. Вокруг провода образуется
зона ионизации, называемая чехлом короны
(рис. 1.18, в) Из чехла короны положительные
заряды (как на рис. 1.18, в) выносятся в
окружающее пространство и образуют
внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс
коронирования продолжается до тex пор,
пока напряжение не достигнет UМАКС
при t2 .
Несмотря
на повышение напряжения до UМАКС,
напряженность на проводе остается
постоянной и равной EН,
из-за влияния объемного заряда. Затем
напряжение начинает снижаться. Синхронно
снижается и напряженность на проводе,
что приводит к погасанию короны. Но
после погасания короны (после t2 ) в
пространстве вокруг провода остается
положительны внешний объемный заряд,
который еще удаляется от провода (рис.
1.18, в). Расстояние, на которое удаляется
объемный заряд, зависит от напряжения
на проводе и составляет ~ 40–100 см. Разность
потенциалов между проводом и ОЗ
увеличивается по мере уменьшения
напряженности на проводе до времени t3
. При t4 (рис. 1.18, а, в), когда напряжение
достигает U0,
которое значительно меньше UН,
зажигается отрицательная корона. При
этом отрицательно заряженные частицы
начинают двигаться от провода во внешнюю
область, а навстречу (к проводу) движутся
положительно заряженные частицы из
внешнего объемного заряда. Происходит
рекомбинация заряженных частиц до
полной компенсации положительного
внешнего ОЗ.
Затем
накапливается отрицательный ОЗ во
внешней области. Все это происходит за
время от t4 до t5 (рис. 1.18, а, в). В момент
времени t5 (начало уменьшения напряжения)
отрицательная корона гаснет. В дальнейшем
все эти циклы повторяются и зажигание
короны на обеих полярностях происходит
при U0.
Между
проводом и землей имеет место емкость
С , которая заряжается и разряжается с
частотой переменного тока. При этом
между проводом и землей протекает
емкостной ток iС
(рис. 1.18, б):
Возникновение
коронного разряда в момент t1 приводит
к появлению тока короны iК
, который накладывается на емкостный
ток линии и искажает синусоиду тока
(рис. 1.18, б). Длительность пиков тока
короны равна длительности ее горения,
т.е. от t1 до t2 (или t4—
t5,
t6—
t7).
При
переменном напряжении коронирование
проводов более интенсивное, чем при
постоянном напряжении, и при прочих
равных условиях потери энергии на корону
существенно больше.
На
характеристики коронного, разряда —
начальное напряжение, потери энергии,
радиопомехи, шум — значительное влияние
оказывают погодные условия. Атмосферные
осадки резко снижают начальное напряжение
возникновения короны.
Ограничение
потерь на корону.Потери на корону
зависят от ЕМАКСповерхности
провода, которая зависит от радиуса
провода. Поэтому основным методом
ограничения потерь на увеличениеr.
Расширенные
провода: имеют диаметр, при котором
необходимое снижение Е, а для сокращения
площади поперечного сечения делаются
полыми или со стеклопластиковой
сердцевиной.
Расщепление
проводов фаз. Заряд каждого проводаq1— только
часть общего заряда расщепленной фазыqф:Если провода располагаются на равных
расстояниях по окружности радиусомrp(радиус расщепления), то в трехфазной
системе емкость расщепленной фазы
определяется.
-эквивалентный
радиус одиночного провода,
Коронный разряд – его последствия и методы их снижения
Передача электроэнергии обычно имеет дело с очень высокими напряжениями, поскольку большое количество электроэнергии должно передаваться от электростанций к центрам нагрузки. При таком высоком напряжении появляется эффект, называемый коронным эффектом . Поскольку этот коронный эффект приводит к потере электрической энергии, его также называют коронным разрядом .
Что такое коронный эффект в линии электропередачи?
Вы когда-нибудь слышали шипящий звук, стоя под высоковольтной линией электропередачи? Этот шипящий звук вызван коронным разрядом . Коронный разряд обычно сопровождается шипением или треском, слышимым шумом, визуальным фиолетовым свечением, выделением озона вокруг проводника, потерей мощности и радиопомехами.
При приложении разности потенциалов между двумя проводниками в воздухе создается градиент потенциала (или электрическое поле). Этот градиент потенциала максимален на поверхностях проводников. Под действием этого градиента потенциала имеющиеся в воздухе свободные электроны приобретают большие скорости. Некоторые свободные электроны всегда присутствуют в воздухе из-за космических лучей, УФ-излучения и т. д. Чем больше приложенное напряжение, тем больше градиент потенциала и, следовательно, больше скорость свободных электронов.
Когда градиент потенциала на поверхности проводника достаточно велик (около 30 кВ/см), существующие свободные электроны сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха с достаточной скоростью, чтобы выбить из него один или несколько электронов. Следовательно, происходит кумулятивная ионизация воздуха вблизи поверхностей проводников. Ионизированный воздух является частично проводящим. Электрический разряд возникает из-за ионизированного воздуха, что приводит к коронному разряду. А если проводники находятся достаточно близко друг к другу, воздушная изоляция пробивается и через искру возникает электрический разряд.
Минимальное напряжение фазы-нейтрали, при котором начинается коронный разряд, называется критическим напряжением пробоя . А минимальное напряжение фазной нейтрали, при котором появляется визуальное свечение короны на всем протяжении проводников, называется визуальным критическим напряжением .
Факторы, влияющие на корону
- Атмосфера: Как уже объяснялось, корона образуется из-за ионизации воздуха. В воздухе всегда есть свободные электроны (что означает, что воздух в небольшой степени предварительно ионизирован). Однако в штормовую погоду количество свободных электронов больше, чем в нормальных условиях. В таком случае корона возникает при гораздо меньшем напряжении.
- Размер проводника: Коронный разряд также зависит от формы и размера проводников. Неровности на поверхности проводника концентрируют электрическое поле в определенных местах, что приводит к коронному разряду в этих местах. Таким образом, многожильный проводник дает больше коронного разряда, чем одножильный проводник с гладкой поверхностью. Кроме того, проводники большого диаметра имеют меньший градиент электрического поля на поверхности. Следовательно, проводники большого диаметра создают меньшую корону, чем проводники малого диаметра.
- Расстояние между проводниками: Увеличенное расстояние между проводниками снижает электрические напряжения между ними. И, следовательно, чем больше расстояние между проводниками, тем меньше образование короны.
- Сетевое напряжение: Как уже объяснялось, чем меньше сетевое напряжение, тем меньше ионизация окружающего воздуха. Коронный разряд начинает происходить, когда напряжение становится выше минимального критического напряжения, называемого критическим напряжением пробоя.
Как уменьшить коронный разряд?
Коронный разряд всегда сопровождается потерей мощности (которая рассеивается в виде звука, света, тепла и химического воздействия). Хотя это составляет небольшой процент от общих потерь, потери мощности из-за коронного разряда становятся значительными в плохих или влажных погодных условиях. Коронный разряд можно уменьшить следующими способами:
- Путем увеличения размера проводника: Как объяснялось выше, чем больше диаметр проводника, тем меньше коронный разряд.
- Путем увеличения расстояния между проводниками: Чем больше расстояние между проводниками, тем меньше корона.
- Использование пучков проводов: Использование пучков проводов увеличивает эффективный диаметр проводника. Это приводит к уменьшению коронного разряда.
- Использование коронирующих колец: Электрическое поле больше там, где кривизна проводника резкая. Поэтому коронный разряд возникает сначала на острых концах, кромках и углах. Чтобы смягчить это, коронирующие кольца используются на клеммах оборудования очень высокого напряжения, например, на вводах трансформатора очень высокого напряжения (коронный разряд также происходит в высоковольтном оборудовании). Коронирующее кольцо электрически соединено с высоковольтным проводником, охватывающим точки, в которых может возникнуть коронный разряд. Это значительно снижает градиент потенциала на поверхности проводника, так как кольцо распределяет заряд по более широкой площади благодаря своей гладкой округлой форме.
Коронный разряд на коронном кольце ВЛ 500 кВ Источник изображения: Wikimedia commons Содержание Что такое коронный эффект или коронный разряд? Когда к двум проводникам, расстояние между которыми велико по сравнению с их диаметром, прикладывается переменная разность потенциалов, не происходит видимого изменения состояния атмосферного воздуха, окружающего провода, если приложенное напряжение низкое. Однако, когда приложенное напряжение превышает определенное значение, называемое критическим напряжением пробоя , проводники окружаются слабым фиолетовым свечением, называемым короной . Явление короны сопровождается шипящим звуком, образованием озона, потерей мощности и радиопомехами . Чем выше напряжение, тем больше и выше становится светящаяся оболочка и сильнее звук, потери мощности и радиошум . Если приложенное напряжение возрастет до пробивного значения, между проводниками произойдет перекрытие из-за пробоя воздушной изоляции. Коронный эффект или Коронный разряд в линиях электропередачи и энергосистеме можно определить как:
Если проводники полированные и гладкие, то свечение короны будет равномерным по всей длине проводников, в противном случае шероховатые места будут казаться ярче. С постоянным током напряжение, есть разница во внешнем виде двух проводов. Положительный провод имеет равномерное свечение вокруг него, а отрицательный проводник имеет пятнистое свечение .
В чем разница между эффектом короны и скин-эффектом. Разница между Corona и скин-эффектом следующая. Эффект короны/разряд: Как описано выше, корона – это эффект фиолетового свечения, шипящего шума и выделения озона в воздушной линии электропередачи, известный как коронный разряд, который приводит к шипящему звуку, образованию озона, мощности потери и радиопомехи в энергосистеме. Эффект кожи: Скин-эффект — это поведение или тенденция переменного тока протекать через поверхность (внешний слой) проводника вместо сердечника провода в линиях электропередачи. В этом случае плотность тока больше вблизи поверхности провода или проводника и уменьшается по мере увеличения глубины в проводнике, что приводит к увеличению сопротивления проводника, таким образом, увеличивая общие потери мощности в энергосистеме (как правило, при передаче линии). Теория образования короны В воздухе всегда присутствует некоторая ионизация из-за космических лучей, ультрафиолетового излучения и радиоактивности. Поэтому при нормальных условиях воздух вокруг проводников содержит некоторое количество ионизированных частиц (т. е. свободных электронов и +ve ионов) и нейтральных молекул. Формация Корона. Коронный разряд на гирлянде изолятора воздушной линии электропередачи 500 кВ. Коронные разряды представляют собой значительную потерю мощности для электроэнергетики. При приложении p.d. между проводниками в воздухе создается градиент потенциала, который будет иметь максимальное значение на поверхности проводников. Под действием градиента потенциала имеющиеся свободные электроны приобретают большие скорости. Чем больше приложенное напряжение, тем больше градиент потенциала и больше скорость свободных электронов. Когда градиент потенциала на поверхности проводника достигает примерно 30 кВ на см (максимальное значение), скорости, приобретаемой свободными электронами, достаточно, чтобы ударить нейтральную молекулу с достаточной силой, чтобы выбить из нее один или несколько электронов. Это создает другой ион и один или несколько свободных электронов, которые, в свою очередь, ускоряются до тех пор, пока не столкнутся с другими нейтральными молекулами, создавая другие ионы. Таким образом, процесс ионизации является накопительным. Результатом этой ионизации является то, что между проводниками образуется либо корона , либо искра .
Математическое моделирование коронного эффекта Коронный эффект или коронный разряд — это явление , возникающее в результате частичного разряда в воздухе (или в любой жидкости ), вызванное 90 анизацией среды электрический ток протекает в проводнике и когда градиент электрического поля [1] достаточно силен, чтобы ионизировать окружающую среду, но недостаточно силен, чтобы вызвать пробой диэлектрика [2] или искрение между проводниками . Это явление , которое характеризуется свечением ( в основном с сине-фиолетовым цветом спектра ), в основном происходит на воздушных линиях , рядом с подвесными и деформационными изоляторами , когда расстояние между проводниками намного больше диаметров проводников . Обычно для параллельные проводники в воздух есть коронный эффект когда. D/r < 5,85 Где:
При изучении коронного эффекта важно оценить минимальное значение напряжения между фазами или между одной фазой и нейтралью ( или земля ), для которых имеет место эффект короны . Это напряжение называется Критическое отключающее напряжение . Если r [ см ] — радиус проводника, d [ см ] — расстояние между проводником и нейтралью (или землей), а U [ В ] — это градиент электрического поля E (математическое обозначение: град E ), критическое напряжение пробоя , который мы обозначим как G , рассчитывается по уравнению: G = (U / (r x ln (d/r)) [В/м] Где ln представляет собой натуральный логарифм. Для коронного эффекта необходимо, чтобы G было равно или больше , чем напряжение пробоя воздуха , что при атмосферном давлении 2 5×5 907 9001 3 Па 501 3 Па = 1 атм = 760 мм рт.ст. [3] ) и при температуре 25 ºC равно 30 кВ/см – с учетом максимального значения из U – или 903 см с учетом 4 0 0 0 0 3 21,2 кВ/см среднеквадратичное значение [4] значение U . Обозначение через G 0 значение град E , удовлетворяющее вышеуказанному условию критическое значение напряжения пробоя ( U c ) рассчитывается по уравнению: U c = G 0 x r x ln (d/r) [кВ/фаза] Для различных условий температуры и 4 атмосферного давления, 90 плотность воздуха тоже разная; то изменение можно выразить с помощью коэффициента δ , которое для данного давления P [ Па ] и температуры θ [ ºC ] вычисляется по уравнению: δ = (3. 92 x 1.01325×10 5 x P) / ((273 + θ ) x 760) Being G’ 0 the value of grad E соответствует новым атмосферным условиям , его значение рассчитывается по уравнению: ( У’ c ) рассчитывается по уравнению: U’ c = G 0 x r x δ x ln (d/r) [кВ/фаза] the conductor surface and expressing that irregularity as a factor m 0 , the value of U’ c is then: U’ c = m 0 x G 0 x r x δ x ln (d/r) [кВ/фаза] Общие значения м 0 :
Другим значением, используемым для характеристики эффекта короны, является визуальное критическое напряжение , представленное цифрой 9. 0003 U v , то есть минимальное напряжение между одной фазой и нейтралью ( или землей ), при котором коронный эффект имеет место по всей длине проводника . Это напряжение рассчитывается по следующему эмпирическому уравнению : )) x ln (d/r) [кВ/фаза] Коэффициент м v также является « мерой » неровности проводника , принимая следующие значения.
Другая величина, которую необходимо рассчитать при изучении коронного эффекта , это потери , вызванные этим эффектом; учитывая Стоимость среднеквадратичного значения из UC и U Оценка RMS -номинальное напряжение из сети , как в KV , так и F [ HZ ] Netrated Settil Эффект Corona ( P CO ) рассчитываются по уравнению: P CO = 242,2 x (F + 25) / Δ ) x √ (R / D ) x √ (R / D ) x √ (r / d ) х (U(exp)2 – U в 2 ) x 10 -5 [кВт/км/фаза]
Важные термины, связанные с коронным разрядом Явление коронного разряда играет важную роль при проектировании воздушной линии электропередачи. Поэтому целесообразно рассмотреть следующие термины, часто используемые при анализе эффектов коронного разряда : Критическое напряжение пробоя Это минимальное напряжение фазы-нейтрали, при котором возникает коронный разряд. Рассмотрим два проводника радиуса r (см) и на расстоянии d (см) друг от друга. Если В является фазно-нейтральным потенциалом, то градиент потенциала на поверхности проводника определяется как: образуется корона, значение g необходимо сделать равным пробойной прочности воздуха. Прочность на пробой воздуха 76 см давление и температура 25ºC 30 кВ/см (max) или 21·2 кВ/см (среднеквадратичное значение) и обозначается как г или . Если В C — потенциал фазы нейтрали, требуемый в этих условиях, то g o = [В c / r log e (d/r) вольт] где г o = пробойная прочность воздуха при 76 см рт. с = г o р бревно e д/р Приведенное выше выражение для пробивного напряжения получено при стандартных условиях, т. е. при 76 см H г и 25ºC. Однако, если эти условия изменяются, меняется и плотность воздуха, что приводит к изменению значения г o . Величина г o прямо пропорциональна плотности воздуха. Таким образом, пробная прочность воздуха при барометрическом давлении b (см) ртутного столба и температуре tºC становится δ , где δ = коэффициент плотности воздуха = 3,92b / 273 + t При стандартных условиях значение δ = 1 .
Необходимо также сделать поправку на состояние поверхности проводника. Это объясняется умножением приведенного выше выражения на коэффициент неравномерности m o .
где,
Визуальное критическое напряжение Это минимальное фазное напряжение, при котором коронное свечение появляется на всем протяжении линейных проводников. Было замечено, что в случае параллельных проводников свечение короны начинается не при пробивном напряжении V c , а при более высоком напряжении V v , называемом визуальным критическим напряжением . Действующее значение видимого критического напряжения относительно фазной нейтрали определяется следующей эмпирической формулой: где м В — другой коэффициент неравномерности, имеющий значение 1,0 для полированных проводников и от 0,72 до 0, 82 для грубых проводников.
Факторы и условия, влияющие на корону На явление короны влияет физическое состояние атмосферы, а также условия линии. Ниже приведены факторы, от которых зависит корона: Атмосфера Поскольку корона образуется за счет ионизации воздуха, окружающего проводники, следовательно, на нее влияет физическое состояние атмосферы. В ненастную погоду количество ионов больше нормы, поэтому корона возникает при гораздо меньшем напряжении, чем в ясную погоду. Размер проводника Коронный эффект зависит от формы и состояния проводников. Шероховатая и неровная поверхность приведет к большему коронному разряду, поскольку неровность поверхности снижает значение напряжения пробоя. Таким образом, многожильный проводник имеет неровную поверхность и, следовательно, вызывает больше коронного разряда, чем сплошной проводник.
Расстояние между проводниками Если расстояние между проводниками сделать очень большим по сравнению с их диаметром, коронный эффект может отсутствовать. Это связано с тем, что большее расстояние между проводниками снижает электростатические напряжения на поверхности проводника, что позволяет избежать образования коронного разряда. Сетевое напряжение Сетевое напряжение сильно влияет на коронный разряд. Если оно низкое, то состояние воздуха, окружающего проводники, не меняется, и, следовательно, не образуется коронный разряд. Однако, если линейное напряжение имеет такое значение, что электростатические напряжения, возникающие на поверхности проводника, делают воздух вокруг проводника проводящим, то образуется коронный разряд. Факторы и условия, влияющие на Корону. Коронный разряд от вертушки Вартенберга в воздухе, вызванный подачей высокого напряжения ~ 30 кВ.
Потеря мощности из -за Corona Образование Corona всегда сопровождается Потеря энергии , которая рассеивается в форме Light , Heat , Sound и Chemical Action . При превышении пробивного напряжения потери мощности из-за коронного разряда определяются по формуле: Методы уменьшения коронного разряда Было замечено, что интенсивные коронные разряды наблюдаются при рабочем напряжении 33 кВ и выше. Таким образом, следует тщательно проектировать , чтобы избежать коронного разряда на подстанциях или шинах, рассчитанных на напряжение 33 кВ и выше, в противном случае сильно ионизированный воздух может вызвать пробой в изоляторах или между фазами, что приведет к значительному повреждению оборудования. . Эффекты коронного разряда можно уменьшить следующими способами: При увеличении размера проводника При увеличении размера проводника напряжение, при котором возникает коронный разряд, повышается, и, следовательно, эффекты коронного разряда значительно уменьшаются. Это одна из причин, по которой в линиях электропередачи используются проводники ACSR , которые имеют в большую площадь поперечного сечения . Путем увеличения расстояния между проводниками. За счет увеличения расстояния между проводниками повышается напряжение, при котором возникает коронный разряд, и, следовательно, эффект коронного разряда может быть устранен. Однако расстояние нельзя увеличивать слишком сильно, иначе стоимость несущей конструкции (например, более крупные траверсы и опоры) может значительно возрасти.
Решенные примеры расчета короны
Преимущества и недостатки воздействия короны Воздействие короны на линии связи. Корона имеет много преимуществ и недостатков. При правильном проектировании ВЛ высокого напряжения следует соблюдать баланс между преимуществами и недостатками. Ниже приведены преимущества и недостатки Corona. Преимущества
Недостатки
|
Добавить комментарий