پدیده ی کرونا در خطوط انتقال برق چیست؟
یکی از پدیدههایی که در ارتباط با تجهیزات برقدار به خصوص خطوط انتقال نیرو و تجهیزات فشار قوی مانند پلاسمای ناشی از تخلیه الکتریکی مطرح میشود، کرونا یا هاله است.
هنگامی که گرادیان ولتاژ در سطح یک هادی بیش از شدت دی الکتریک هوای اطراف هادی گردد، هوای اطراف هادی یونیزه میشود (توجه داریم که شدت دی الکتریک هوا در شرایط دمای۲۵درجه سلسیوس و فشار هوای ۷۶ سانتیمتر جیوه ۳۰کیلو ولت بر سانتیمتر میباشد) حال اگر گرادیان ولتاژ بیش از۳۰کیلو ولت بر سانتیمتر گردد با پدیده کرونا مواجه خواهیم شد]و میدان الکتریکی در نزدیکی ماده رسانا میتواند به حدی متمرکز شود که هوای مجاور خود را یونیزه نماید. این مسئله میتواند منجر به تخلیه جزئی انرژی الکتریکی شود، که به آن کرونا میگویند.
پدیده کرونا در اطراف خطوط فشار قوی که جریان متناوب دارند باعث مقداری تلفات الکتریکی و در شدیدترین حالت منجر به قوس الکتریکی و تخلیه کامل میشود.
یکی دیگر از مواقعی که کرونا بو جود میآید، در تیوب تخلیه الکتریکی کم فشار بااختلاف پتانسیل شدید، برای تولید پلاسما است. در این حالت گاز قبل از شکست الکتریکی کامل، کرونا را تجربه خواهد کرد؛ این پدیده تنها در مکانهایی که میدان الکتریکی متمرکز شده است (مانند خراشها، نقاط تیز و …) رخ خواهد داد و گاز در اطراف این مکانها هادی گشته و هاله را تشکیل میدهد. این پدیده را به نام تخلیه تک قطبی نیز میشناسند.
علامت
مهمترین علامت آن بوجود آمدن هالهای نورانی اطراف خطوط فشار قوی است. کرونا در واقع یونیزه شدن نیتروژن هوا است و علت وجود تلفات انرژی ایجاد نور و حرارت در اطراف سطح هادی است. نشانههای کرونا شامل نور که بسته به شدت کرونا طول موج آن از مادون قرمز تا ماورای بنفش تغییر میکند. نشانههای دیگر صدای جرقههای کوچک الکتریکی و تشکیل گاز ازن (که بوی آن در محیط اطراف قابل تشخیص است) و بوجود آمدن اسید نیتریک در اثر ترکیب نیتروژن جدا شده از هوا با رطوبت موجود در هوا است که به صورت گرد سفید اطراف سیمها نمایان میگردد.
تعریف کرونا
تخلیه الکتریکی ایجاد شده به علت افزایش چگالی میدان الکتریکی، کرونا نام دارد. در حالی که این تعریف بسیار کلی است و انواع پدیده کرونا را شامل میشود.
ولتاژ بحرانی
گرادیان ولتاژی که سبب شکست الکتریکی در عایق شده و به ازای آن، عایق خاصیت دی الکتریک خود را از دست میدهد، گرادیان ولتاژ بحرانی نامیده میشود. همچنین ولتاژی را که سبب ایجاد این گرادیان بحرانی میشود ولتاژ بحرانی مینامند.
ولتاژ مرئی کرونا
هرگاه ولتاز خط به ولتاژ بحرانی برسد، یونیزاسیون در هوای مجاورسطح هادی شروع میشود. اما در این حالت پدیده کرونا قابل روئیت نمیباشد. برای مشاهده کرونا، سرعت ذرات الکترونها در هنگام برخورد با اتمها و مولکولها بایدبیشتر باشید یعنی ولتاژ بالاتری نیاز است.
آشکار شدن کرونا
صدای هیس مانند قابل شنیدن، ازن، اسید نیتریک (در صورت وجود رطوبتدر هوا ) که بصورت گرد کدر سفید جمع می شود و نور (قوی ترین تشعشع در محدوده ماوراءبنفش و ضعیف ترین ان در ناحیه نور مرئی و مادون قرمز که می تواند با چشم غیر مسلحنیز در تاریکی با دوربین های ماوراء بنفش دیده شود) از نشانه های کرونای الکتریکیمی باشند. تخلیه بار ناشی از بهمن الکترونی در آزمایشگاه، به سه طریق مختلف مشاهدهمی شود. بهترین راه تشخیص کرونای مرئی است که به صورت نور بنفش از نواحی با ولتاژاضافی ساطع می شود.
دومین راه شناسایی کرونای صدادار است که در حالی که شبکه موردمطالعه در ولتاژی بالاتر از آستانه کرونا باشد صدایی به صورت هیس هیس قابل شنیدناست. امواج صوتی تولید شده به وسیله اغتشاشات موجود در هوای مجاور محل تخلیه بار،به وسیله حرکت یون های مثبت به وجود می آیند. پویاترانس
سومین و مهمترین راه مشاهده از نظر ظرکت برق اثرات الکتریکی استکه منجر به اختلال رادیویی می شود. حرکت الکترون ها (بهمن الکترونی) سبب ایجادجریان الکتریکی و در نتیجه به وجود آمدن میدان مغناطیسی و الکترواستاتیکی درمجاورت ان می شود. شکل گیری سریع و انی بودن این میدان ها ولتاز فرکانس بالایی درنزدیک آنتن رادیویی القا می کند و منجر به اختلال رادیویی می شود.
ماهيت كرونا
هنگامي كه ميدان الكتريكي سطح هادي از ولتاژ بحراني بيشتر شده باشد، بهمن الكتروني بوجود خواهد آمد كه بوجود آورنده تخليه كروناي قابل روئيت در سطح هادي است. همواره تعداد كمي الكترون آزاد در هوا به علت مواد راديو اكتيو موجود در سطح زمين و اشعه كيهاني، وجود دارد. زماني كه هادي در هر نيمه از سيكل ولتاژ متناوب برقدار مي شود، الكترون هاي هواي اطراف سطح آن بوسيله ميدان الكترواستاتيك شتاب پيدا مي كند.
اين الكترون ها كه داراي بار منفي هستند در نيمه مثبت به طرف هادي شتاب پيدا مي كنند و در نيمه منفي از آن دور مي شوند. سرعت الكترون آزاد بستگي به شدت ميدان الكتريكي دارد. اگر شدت ميدان الكتريكي خيلي زياد نباشد برخورد بين الكترون و مولكول هوا نظير O2 و يا N2 نرم خواهد بود به اين معني كه الكترون از مولكول هوا دور شده و به آن انرژي نمي دهد. به عبارت ديگر اگر شدت ميدان الكتريكي از يك مقدار بحراني معين بيشتر باشد، هر الكترون آزاد در اين ميدان سرعت كافي بدست مي آورد به طوري كه برخوردش با مولكول هوا غير الاستيك خواهد بود و انرژي كافي بدست مي آورد كه به يكي از مدارهاي الكترون هاي دو اتم موجود در هوا برخورد كند. اين پديده يونيزاسيون نام دارد و مولكولي كه اين الكترون از دست مي دهد تبديل به يك يون مثبت مي شود.
الكترون نخستين كه بيشتر سرعتش را در برخورد از دست داده و الكتروني كه مولكول هوا را رانده است هر دو در ميدان الكتريكي شتاب مي گيرند و هر كدام از آنها در برخورد بعدي توانايي يونيزه كردن يك مولكول هوا را خواهند داشت. بعد از برخورد دوم 4 الكترون به جلو مي آيند و به همين ترتيب تعداد الكترون ها بعد از هر برخورد دو برابر مي شود. در تمام اين مدت الكترون ها به سمت الكترود مثبت مي روند و پس از برخوردهاي بسيار تعدادشان بطور چشم گيري افزايش مي يابد. اين مسئله فرايندي است به وسيله آن بهمن الكتروني ايجاد مي شود، هر بهمن با يك الكترون آزاد كه در ميدان الكترواستاتيك قوي قرار دارد آغاز مي شود.
شدت ميدان الكترواستاتيك اطراف هادي همگن نيست. ماكزيموم شدت آن در سطح هادي و ميزان شدت با دور شدن از مركز هادي كاهش مي يابد. بنابراين با افزايش ولتاژ هادي در ابتدا تخليه الكتريكي فقط در سطح بسيار نزديك ان رخ مي دهد. در نيمه مثبت ولتاژ الكترون ها به سمت هادي حركت مي كنند و هنگاميكه بهمن الكتروني ايجاد شد بطرف سطح هادي شتاب مي گيرند. در نيمه منفي، بهمن الكتروني از سطح هادي به سمت ميدان ضعيف تر جاري مي شود تا هنگامي كه ميدان آنقدر ضعيف شود كه ديگر نتواند الكترون ها را شتاب دهد تا به سرع يونيزاسيون برسند. يون هاي مثبت باقي مانده در بهمن الكتروني به طرف الكترود مثبت حركت مي كنند.
با اين وجود به دليل جرم زيادشان كه 50000 برابر جرم الكترون است بسيار كند حركت مي كنند. با داشتن بار مثبت اين يون ها، الكترون جذب كرده و هرگاه يكي از آنها بتواند الكترون جذب نمايد دوباره تبديل به مولكول هواي خنثي مي شود. سطح انرژي يك يون خنثي كمتر از يون مثبت مربوطه است و در نتيجه با جذب الكترون مقداري انرژي از مولكول منتشر مي شود.
انرژي آزاد شده درست به اندازه انرژي نخستين است كه لازم بود براي جدا كردن الكترون از مولكول استفاده گردد. اين انرژي بصورت موج الكترومغناطيس منتشر مي شود و براي مولكول هاي O2 و N2 در طيف نور مرئي قرار دارد.
انواع کرونا
سه نوع مختلف از کرونا وجود دارد که در نمونه تست EHV درآزمایشگاه مشخص می شود: تخلیه پر مانند، تخلیه قلم مویی و تخلیه تابشی.تخلیه پرمانند، دیدنی ترین آنهاست و علت نامگذاری هم این است که به شکل پر تخلیه می شود. زمانیکه در تاریکی مشاهده شود دارای تنه متمرکزی حول هادی است که قطر این هاله نورانی بنفش رنگ از چند اینچ در ولتازهای پایین تر تا یک فوت و بیشتر در ولتازهایبالا تغییر می کند. بروز آثار صوتی این نوع به صورت هیس هیس بوده و به راحتی توسط یک ناظر با تجربه تشخیص داده می شود. در تخلیه قلم مویی پرچمی از نور به صورت شعاعیاز سطح هادی خارج می شود. طول این تخلیه ها از کمتر از یک اینچ در ولتاژ های پایینتا 1 تا 2 اینچ در ولتاژهای بالا تغییر می کند. صدای همراه با ان صدایی در پسزمینه مانند صدای سوختن است. تخلیه تابشی نور ضعیفی دارد که به نظر می رسد سطح هادیرا در بر گرفته است ولی مانند نوع قلم مویی برجسته نیست. همچنین ممکن است در نواحیبحرانی سطح عایق ها در زمان بالا بودن رطوبت رخ دهد. معمولا صدایی با این نوع تخلیه همراه نیست.
ماهیت کرونا
هنگامی که میدان الکتریکی سطح هادی از ولتاژ بحرانی بیشتر شده باشد، بهمن الکترونی بوجود خواهد آمد که بوجود آورنده تخلیه کرونای قابل روئیت درسطح هادی است. همواره تعداد کمی الکترون آزاد در هوا به علت مواد رادیو اکتیو موجوددر سطح زمین و اشعه کیهانی، وجود دارد. زمانی که هادی در هر نیمه از سیکل ولتاژمتناوب برقدار میشود، الکترونهای هوای اطراف سطح آن بوسیله میدان الکترواستاتیکشتاب پیدا میکند. این الکترونها که دارای بار منفی هستند در نیمه مثبت به طرفهادی شتاب پیدا میکنند و در نیمه منفی از آن دور میشوند. سرعت الکترون آزاد بستگیبه شدت میدان الکتریکی دارد
عوامل ایجاد
افزایش ولتاژ، شکل ظاهری مادهٔ رسانا، و قطرات آب و گرد و خاک میتوانند در ایجاد کرونا نقش مهمی داشته باشند.
اتلاف انرژی
پدیده کرونا باعث به هدر رفتن انرژی الکتریکی و همچنین کاهش راندمان خطوط انتقال نیرو میگردد.
بهترين زمان براي مشاهده كرونا
كرونا در فضاي آزاد بعد از يك روز باراني تا قبل از زماني كه سطوح برقدار خشك شده باشند قابل مشاهده است. پس از خشك شدن كرونا مشاهده نمي شود. نقاط در معرض كرونا با رطوبت خود را بهتر نشان مي دهند. باد مي تواند فعاليت كرونا را كاهش دهد.
كرونا مي تواند در اثر قنديل هم ايجاد شود. موتورهاي الكتريكي، ژنراتورها و تابلو هاي داخلي مي توانند كروناي شديد تري ار وسايل خارجي پست ها ايجاد نمايند. تشكيل هواي يونيزه در فضاي بسته و عدم حركت هوا پديده كرونا را تسريع مي كند و ولتاژهايي را ايجاد مي كند كه در ان كرونا رخ دهد موتورها و ژنراتور ها مي توانند با توجه به وجود فن هاي خنك كننده شان هوايي با فشار هاي گوناگون ايجاد كنند.
روش های کاهش تلفات کرونا :
تلفات کرونا باعث کاهش بازده ی خط انتقال می شود . تلفات کرونا خیلی زیاد و در وضعیت بسیار بد آب و هوایی ، باید به طریقی کاهش داده شوند و از تلفات آنها جلوگیری شود.
مطلوب ترین روش در کاهش تلفات کرونا ، افزایش قطر هادی ها برای ولتاژ بحرانی شکست (Vd) است ؛ زیرا این عامل نسبت به سایر عوامل بسیار بیشتر است . معمولا باید خطوط انتقال را طوری طراحی کرد که ولتاژ بحرانی شکست در اوضاع جوی عادی خط ، %10 بالاتر از ولتاژ نامی خط (برای ولتاژ فازی) باشد تا در هنگام اوضاع بد آب و هوایی ، مقداری تلفات کرونا در حد پایین و رضایت بخش باشد . تلفات کرونا تحت اوضاع خوب اب و هوایی نباید از 0.6kw/km بیشتر باشد .
اگر m0=0.8 و δ=1 ودر خطوط انتقال با ولتاژ بالا، In d/r=6 باشد ، در این صورت :
Vd=21.21×0.8×1×6×r≈101r
اگر Vph1.1=Vd باشد انگاه ،
r∼0.01
مثلا برای یک خط انتقال 400 کیلو ولتی خواهیم داشت :
r=23mm و سطح مقطع هادیA=1675 mm2
اگر خطی یه طور اقتصادی طراحی شده باشد ، ولتاژ فازی آن نزدیک به ولتاژ بحرانی شکست است .بنابراین ، قطر هادی با این محاسبه برای ولتاژ های خیلی بالا ، بسیار بزرگ است که چنین هادی هایی عملا ساخته نمی شود.، زیرا نمی توانند قابلیت انعطاف داشته باشند و در نتیجه ، خیلی سنگین خواهند شد .در این حالت ها ، بهترین راه حل برای کاهش تلفات کرونا استفاده از خطوط باندل است . (هر خط دو یا چند هادی داشته باشد .) که در این روش ، شعاع موثر هر فاز را افزایش می دهند و در نتیجه ، تلفات کرونا به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می یابد .
مزایا و معایب کرونا :
مزیت کرونا :
مزیت کرونا این است که هنگام بروز صاعقه های با ولتاژ بالا به خط ، مانند یک شیر اطمینان عمل میکند و اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه به صورت تلفات کرونا از بین می رود . بنابراین ، اغلب ولتاژ خط را طوری طراحی می کنند که به ولتاژ بحرانی شکست نزدیک باشد.
معایب کرونا :
از معایب کرونا ، ایجاد تلفات روی خط ، هر چند که مقدار آن کم و بی اهمیت است ، باشد همچنین در خط انتقال ، یک جریان غیر سینوسی ایجاد می شود که باعث افت ولتاژ غیر سینوسی روی خط شده و در نتیجه هارمونیک های سوم و بالاتر با دامنه ی بالا را تولید می کندکه روی مدار های مخابراتی نزدیک خط ، پارازیت رادیویی می اندازد .
تخلیه الکتریکی کرونا ، پرتو هایی را که در آوردن سیگنال های رادیویی در کانال های ارتباطی گیرنده های رادیویی و تلویزیون مناسب اند ،منتشر می کنند . این موضوع به تداخل رادیویی معروف است . اساسا تخلیه یالکتریکی در فاصله ی هوای بین دو الکترود که ولتاژ این دو الکترود از حد معین مشخصی تجاوز کرده باشد ، به شکل واضحی نمایان می شود. تخلیه ی الکتریکی منفی ، کمتر برای امواج رادیویی مزاحم هستند و تداخل رادیویی فقط به عامل مسبب آن وابسته نیست و همچنین به نوع گیرنده ی رادیویی و نوع گیرنده ی موج (انتن )بستگی دارد . در زیر چند تحقیق اورده شده که این موضوع را اثبات میکند .
- وقتی که ولتاژ به تدریج افزایش می یابد قبل از انکه در تلفات کرونا محسوسی داشته باشد در اغتشاشات میدان نمایان می شود.اما پس از افزایش شدید ولتاژ ، اغتشاشات میدان بسیار کم تر از تلفات کرونا ، افزایش می یابد .
- اغتشاشات میدان با افزایش فاصله هادی ها کم می شود. همچنین نوسانات منتقل شده از اغتشاشات میدان ، در عملکرد سه فاز مستقل از نوع خط و ولتاژ آن است.
- اندازه میدان اغتشاش ، ارتباط معکوسی با میزان فرکانس در نقطه ی تداخل امواج رادیویی دارد
- اغتشاشات میدان خیلی کمتر از تلفات کرونا ، به شرایط سطحی و نوع هادی وابسته است .(هادی باندل یا تکی )اغتشاشات در هوای پاک و تمیز کمتر از اغتشاش در هوای آلوده است .
تداخل امواج رادیویی بر حسب ولتاژ تداخل رادیویی به وسیله ی دستگاه اندازه گیری نویز رادیویی استودارت اندازه گیری می شود. تداخل رادیویی یکی از موضوعات مهم ، حتی مهم تر از تلفات کرونا در تعیین کردن محدودیت بهره برداری از یک خط انتقال می باشد .