КОРОННЫЙ РАЗРЯД И ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научная статья /Article

УДК 620

https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-1-51

Коронный разряд и его экологическое влияние

Ширмаммедов Тойлыныяз Ашырмырадович1,

Агаев Арслан Язмухаммедович2, Батыров Сердар Реджепдурдыевич3

^Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, 62, [email protected]

Аннотация. Сегодня с ростом потребления электрической энергии по всему миру строятся десятки тысяч километров линии электропередач. Высокие темпы электрификации страны приводят к быстрому росту протяжённости воздушных линий электропередач и повышению их номинальных напряжений - 220 кВ, 330 кВ, 500 кВ, 750 кВ. При учёте воздействия на окружающую среду (механическое и электромагнитное влияние высоковольтных линий), необходимо также учитывать и химическое загрязнение воздуха продуктами, возникающими при коронных разрядах, радио- и телевизионные помехи, шум.

Просеки, подъездные пути, опоры ВЛ оказывают влияние на функционирование элементов экологических систем, изменяя ландшафтные, микроклиматические условия.

Ключевые слова: высоковольтная линия электропередач, коронный разряд, радиопомехи, шум, экология

Для цитирования: Ширмаммедов Т. А., Агаев А. Я., Батыров С. Р. Коронный разряд и его экологическое влияние // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Биология, геология, химия, экология. 2023. № 1 [25). С. 51-57. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-1-51

Corona discharge and its environmental impact Toyly A. Shirmammedov1, Arslan Ya. Agayev2 and Serdar R. Batyrov3

123State Energy institute of Turkmenistan, Mary, 745400, Bayramhan str. 62 Turkmenistan, [email protected]

Abstract. Today, with the growing consumption of electrical energy, tens of thousands of kilometers of power transmission lines are being built around the world. High rates of electrification of the country lead to a rapid increase in the length of overhead power lines and an increase in their rated voltages - 220 kV, 330 kV, 500 kV, 750 kV. When taking into account the impact on the environment (mechanical and electromagnetic) of the influence of high-voltage lines, it is also necessary to take into account chemical air pollution by products arising from corona discharges, radio and television interference, and noise.

Clearings, access roads, overhead line supports affect the functioning of the elements of ecological systems, changing landscape, microclimatic conditions.

Keywords: High-voltage power line, corona discharge, radio interference, noise, ecology

For citation: Shirmammedov T. A., Agayev A. Ya., Batyrov S. R. Corona discharge and its environmental impact. Vestnik Syktyvkarskogo universiteta. Seriya 2. Biologiya, geologiya, himiya, ekologiya = Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, geology, chemistry, ecology, 2023. 1 [25): 51-57. [In Russ.) https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-1-51

Введение. Коронный разряд, или корона, - это самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи [1].

Материал и методы исследования. Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом г по формуле

Еот = 24,5т8

1 0,65 1 +

(8г)

0,38

(1),

которая справедлива при отрицательном полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влияние полярности невелико (рис. 1). При малых радиусах проводов (1<1см) можно использовать формулу Ф. Пика:

Еп0т = 30,3т£(1 +-0==). (2)

В формулах (1) и (2) Епот выражается в киловольтах на сантиметр (кВ/см); г - в

сантиметрах (см); т - коэффициент гладкости провода. На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности, поэтому при одинаковых с гладкими проводами напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении.

+ +

++ ++

+/+ + +;т;+ ■ +У

^ + + + + *

+ +

+

+

+

Рис. 1. Распределение объемного заряда при униполярной короне на проводе

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации - «чехол» короны - имеет большие 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 (рис. 2а).

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле (рис. 2Ь). 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 создает помехи радио- и телевизионному приему.

При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде [2].

Ь)

Рис. 2. Стримерная (а) и лавинная (Ь) короны на проводе

Основная причина радиопомех и шума - стримерная корона на проводах. Поскольку наиболее благоприятные условия для возникновения стримерной короны складываются при различных осадках, когда значительно снижается начальная напряженность поля, а также при применении проводов большого диаметра, наиболее сильные радиопомехи и акустический шум возникают при коронировании линий сверхвысокого напряжения во время дождя и снега. В хорошую погоду помехи возрастают при загрязнении проводов.

Спектр частот излучения, создающего радиопомехи, охватывает диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Помехи на частотах выше 30 МГц оказывают мешающее влияние на телеприем и возникают только при коронировании линий 750 кВ. Источниками помех в этом случае, помимо короны на проводах, служат частичные разряды в зазорах и трещинах изоляторов и корона на заостренных элементах арматуры. В хорошую погоду корона на проводах практически не создает помех телевизионному приему.

Интенсивность радиопомех характеризуется вертикальной составляющей напряженности электрического поля вблизи поверхности земли (Е2). Уровень радиопомех, дБ, определяется величиной:

( К V

Е у

Е.

У = 10^ -2- = 20^—2, (3)

К\

где Е—напряженность электричского поля, мкВ/м. Обычно за базовое значение принимают Е1 = 1 мкВ/м, тогда

У = 20Е . (4)

В качестве расчетной частоты по рекомендации Международного комитета по радиопомехам принимается 0.5 МГц. Уровень полезного сигнала при этой частоте составляет примерно 60 дБ. Радиоприем считается удовлетворительным, если полезный сиг-

нал превышает помехи на 20 дБ. Поэтому допустимый уровень радиопомех в хорошую погоду составляет 40 дБ, что в соответствии с формулой (4) дает Е = 100 мкВ/м. Это значение напряженности электрического поля радиопомех принято в качестве допустимого на расстоянии 100 м от проекции на землю крайнего провода линии электропередачи напряжением 330 кВ и выше.

По мере удаления от линии уровень помех снижается. Между уровнями радиопомех Уг и У2 на расстояниях соответственно 1г и 12 существует зависимость

У2 —7! = 20к 1в 1-, (5)

где к - коэффициент затухания, равный 1.6 в диапазоне частот 0.15-1 МГц.

Зависимость между уровнем радиопомех и напряженностью электрического поля на поверхности проводов линейна и выражается эмпирической формулой

72 -7 = к,(Е -ЕД (6)

где Y1 и Y2 - уровни радиопомех, дБ, при напряженностях на проводах Е1 — Е2 , кВ/см;

к, - коэффициент, равный 1.8 при напряженностях поля на проводах 20-30 кВ/см.

Увеличение радиуса проводов при неизменной напряженности поля на них приводит к росту уровня радиопомех, поскольку спад напряженности поля у провода в радиальном направлении при этом замедляется и создаются условия для развития более интенсивной стримерной короны. Связь между уровнями радиопомех и радиусами проводов устанавливается эмпирической формулой:

72 — 71 = 20^(—)2, (7)

Г2

Радиопомехи практически не зависят от числа составляющих проводов расщепленной фазы, поскольку происходит взаимное электромагнитное экранирование проводов фазы.

Уровень радиопомех уменьшается с ростом частоты излучения. В диапазоне 0.15-5 МГц уровень радиопомех на различных частотах У/ по отношению к их уровню на частоте 0.5 МГц определяется, дБ, по уравнению

7, = 5,5 [1 — 2(1в10/)2 ], (8)

где / - частота излучения, МГц.

Если известны уровень радиопомех Уг на нормированном расстоянии от линии и параметры Е и г тщательно исследованной базовой линии электропередачи, то уровень

радиопомех при хорошей погоде У2, создаваемый другой линией, например проектируемой с параметрами Е2 и Г2, может быть с учетом (6) и (7) определен по обобщенной формуле:

72 = 71 + 1,8(Е2 — Е1) + 40^, (9)

Г1

Подставив в (8) нормированное значение У2 и параметры базовой линии, получим зависимость амплитудного значения допустимой напряженности поля на поверхности проводов, при которой обеспечивается нормированный уровень радиопомех, в виде

Едоп = 32-17.4^ г. (10)

Акустический шум возникает главным образом в плохую погоду, когда усиливается интенсивность коронирования проводов. Звуковой эффект при этом имеет две составляющие: 1) шипение, соответствующее частоте 100 Гц и кратным ей частотам; 2) широкополосный шум. Первая составляющая обусловлена движением объемного заряда у проводов, что дважды за период создает волны звукового давления. Вторая генерируется стримерной короной.

Уровни громкости шумов [дБ(А)] измеряются с применением корректирующих фильтров, которые позволяют учесть физиологические особенности органов слуха человека (псофометрическую характеристику).

Особенно интенсивный шум от короны возникает при сильном дожде, однако такой дождь сам создает шум, превышающий по громкости возможные акустические помехи от линии электропередачи. Поэтому более существенны помехи при моросящем дожде, в туман, при мокрых проводах после сильного дождя. Уровень громкости в этих случаях на 5-6 дБ (А) ниже, чем в сильный дождь, но значительно превышает общий звуковой фон. Оценка акустического шума делается по условиям «влажных» проводов.

По санитарным нормам допустимый уровень громкости равен 45 дБ (А). Линии высокого и сверхвысокого напряжения приближаются к границам населенных пунктов ближе чем на 300 м. На таком расстоянии уровни громкости при влажных проводах ниже допустимого значения.

Для оценки громкости при дожде может быть использована эмпирическая формула:

А=16+1,14ЕтаЬ + 9г + 151ё п - 101ё /, (11)

где А - уровень громкости, дБ (А); г - радиус провода, см; Етак! - максимальная напряженность поля на поверхности проводов, кВ/см; п - число проводов в расщепленной фазе; 1 - расстояние от крайней фазы, м.

На рис. 3 приведены допустимые напряженности электрического поля на поверхности проводов линий 500 кВ в зависимости от их диаметров по условиям ограничения потерь энергии на корону (Етак;:, / Епот < 0,9), радиопомех и уровней громкости на расстоянии 300 м от крайней фазы.

(т

2* X Л0 2» 1в 24

21

г

Рис. 3. Допустимые напряженности электрического поля на поверхности проводов в зависимости от их диаметров по условиям ограничения радиопомех (1 - чистые районы; 2 - сельские районы с отдельными промышленными предприятиями; 3 - районы с промышленными загрязнениями)

Кривые построены по формулам, аналогичным (8) и (11), однако с учетом ряда дополнительных факторов (степени загрязненности атмосферы на трассе линии, высоты подвеса проводов и др.). Для чистых районов допустимые напряженности определяются потерями энергии на корону при <к3.26 см и акустическими помехами при d>3.26 см. В районах с промышленным загрязнением - потерями энергии при й< <2.7 см, радиопомехами при d = 2.7-3.3 см и акустическим шумом при d>3.3 см.

Интенсивность акустических помех существенно возрастает при увеличении числа проводов в фазе, вследствие чего допустимая напряженность электрического поля на поверхности проводов снижается [3].

Увеличение мощностей промышленных предприятий (энергетических, металлургических, химических и др.) сопровождается резким ростом объемов газа, подлежащего технологической или санитарной очистке в электрофильтре. Поэтому задача очистки газа, т. е. интенсификация процесса электрогазоочистки, приобретает все большую актуальность. Уже сейчас в некоторых промышленных районах и городах концентрация ядовитых веществ в атмосфере достигает опасных пределов. Примеси поступают в атмосферу от естественных и антропогенных источников. Уровень загрязнения естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени. Антропогенное загрязнение - это загрязнение, связанное с жизнедеятельностью человека. Задача очистки газа возникает в многочисленных производствах. Для очистки газа применяют много различных методов. Один из них основан на использовании коронного разряда. Непременным условием возникновения коронного разряда является резкая неоднородность электрического поля. Вследствие этого ударная ионизация, а значит, и электрический разряд могут возникнуть у поверхности провода, где напряженность поля достаточно высока, но не распространяется до другого электрода. По мере удаления от провода напряженность поля уменьшается и скорость движения электронов в газе становится уже недостаточной для поддержания процесса лавинообразного образования новых ионов. Электрический разряд такого незавершенного характера носит название коронного разряда. Внешними проявлениями его служит слабое голубовато-фиолетовое свечение вокруг провода, негромкое потрескивание, запах озона и окислов газов (если коронный разряд происходит в атмосферном воздухе) [3].

Результаты. Коронный разряд используют в электрофильтрах многих производств, где необходимо очищать газы от твердых и жидких примесей. Это улучшает экологию, так как теперь из газов можно получать ценные продукты, которые раньше уходили в атмосферу и загрязняли ее. Электрофильтр помещают внутри заводской трубы. Установка с электрофильтром для очистки газов состоит в большинстве случаев из двух частей: собственно электрофильтра - осадительной камеры, через которую пропускают газы, подлежащие очистке, и преобразовательной подстанции с соответствующей аппаратурой. Для питания электрофильтра выпрямленным током высокого напряжения используют электрические агрегаты, основными элементами которых являются: регулятор напряжения, повышающий трансформатор, преобразующий переменный ток напряжением 380/220 В в ток с напряжением 100 кВ, и высоковольтный выпрямитель для выпрямления переменного тока. Выпрямленный ток высокого напряжения подводится к электродам электрофильтра по высоковольтному кабелю или по шинам. В электрофильтр вмонтированы электроды двух типов: осадительные и коронирующие. Осадительные электроды выполняются из пластин либо из труб, а ко-ронирующие - из проволоки, круглого или иного профиля.

Заключение. Заряженные взвешенные частицы под действием электрического поля движутся к электродам и оседают на них, а очищенные газы, пройдя электрическое поле, выходят из электрофильтра. Электрофильтр при использовании должен

быть устойчивым по отношению к случайной конденсации. Однако следует иметь в виду, что на его работу влажность не оказывает особого влияния, если приняты меры против коррозии и он снабжен эффективным механизмом для встряхивания, обеспечивающим очистку фильтра даже от незначительных наслоений пыли и предотвращающим постепенное уменьшение его производительности. Единственным требованием, которое должно быть удовлетворено в отношении газоочистки, является то, чтобы объем поступающих в систему газов превосходил объем газов, выделяющихся из печи, причем настолько, чтобы предотвратить выделение газов из всех отверстий. Если работа происходит по сухому процессу, то температура газов бывает значительно выше точки росы, и поэтому можно не сомневаться, что дымовое облако рассеется и не создаст неудобства для окружающего района.

Список источников

1. Харлов Н. Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 207 с.

2. Маслеева О. В., Курагина Т. И. Электрическое поле и шум, создаваемые воздушными линиями электропередач высокого напряжения : методические указания по выполнению практических работ по курсу «Экология». Н. Новгород: НГТУ, 2005. 9 с.

3. Дударев А. А., Турубаров В. И. Актуальные проблемы гигиенического нормирования ионов в воздухе // Медицина труда и промышленная экология. 2002. № 9. С. 35-39.

References

1. Harlov N. N. Elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroenergetike: Uchebnoe posobie [Electromagnetic compatibility in the electric power industry: Textbook]. Tomsk: TPU Publishing House, 2007. 207 p. (In Russ.)

2. Masleeva O. V., Kuragina T. I. Elektricheskoe pole i shum, sozdavaemye vozdushnymi liniyami el-ektroperedach vysokogo napryazheniya. Metodicheskie ukazaniya po vypolneniyu prakticheskih rabot po kursu «Ekologiya» [Electric field and noise generated by high voltage overhead power lines. Guidelines for the implementation of practical work on the course "Ecology"]. Nizhnij Novgorod: NGTU Publishing House, 2005. 9 p. (In Russ.)

3. Dudarev A. A., V. I. Turubarov. Actual problems of hygienic regulation of ions in the air. Medicina truda i promyshlennaya ekologiya [Occupational Health and Industrial Ecology]. 2002. No 9. Pp. 35-39. (In Russ.)

Информация об авторах/ Information about the authors

Ширмаммедов Тойлыныяз Ашырмырадович

старший преподаватель Государственного энергетического института Туркменистана

Toyly A. Shirmammedov,

Senior -lecturer of the State Energy institute of Turkmenistan

Агаев Арслан Язмухаммедович

старший преподаватель Государственного энергетического института Туркменистана

Arslan Ya. Agayev

Senior -lecturer of the State Energy institute of Turkmenistan

Батыров Сердар Реджепдурдыевич

старший преподаватель Государственного энергетического института Туркменистана

Serdar R. Batyrov

Senior -lecturer of the State Energy

institute of Turkmenistan

Статья поступила в редакцию / The article was submitted 01.12.2022

Одобрена после рецензирования / Approved after reviewing 04.12.2022

Принята к публикации / Accepted for publication 12.12.2022