CC BY
210
Оценка радиочастотных помех, создаваемых короной высоковольтной линии электропередач
Довбыш В.Н., Сподобаев Ю.М., ПГУТИ, г. Самара
Известно, что воздушные высоковольтные линии электропередач являются источниками не только электромагнитного поля промышленной частоты, но и, в ряде случаев, высокочастотного излучения [1 ]. Очевидно, что при оценке электромагнитной обстановки в масштабах городов и регионов данное обстоятельство должно быть непременно учтено.
Основным источником высокочастотного излучения ЛЭП является электрическая корона [2], возникающая на токонесущих проводниках вследствие резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи последних. Часто при коронном разряде проводники окружены характерным свечением, также получившим название короны, или коронирующего слоя [2].
При коронном разряде происходит ионизация воздуха и у поверхности токонесущего проводника образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения в данный момент времени [1]. Под действием электрических сил ионы, составляющие объемный заряд, движутся от провода. Для их передвижения необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха значительно меньше. При переменном возбуждении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны при определенном времени [1 ]. Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны. Из чехла короны положительные заряды выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд.
Отличительной особенностью коронного разряда [3], определяющей его количественные закономерности, является характерная форма взаимодействия ионов, создаваемых в процессе разряда, и электрического поля у коронирующего провода ЛЭП. Знак заряда ионов, движущихся из зоны ионизации во внешнюю зону, совпадает со знаком заряда на коронирующем проводе, что обычно ведёт
к ослаблению поля у провода до некоторой, практически постоянной величины, — критической напряжённости поля и к соответствующему усилению поля в остальной части пространства (внешней зоне). Эта особенность механизма образования короны обусловливает существенную зависимость от напряжения на проводе как тока коронного разряда, так и потерь на коронирование [3]. В коронном разряде электрическая энергия преобразуется главным образом в тепловую — в соударениях ионы отдают энергию своего движения нейтральным молекулам газа [4].
В доступной литературе приводится значительное количество результатов исследования коронных разрядов: так, например, в [5] приведена частотная характеристика коронного разряда (рис.1).
Строгий анализ процессов, происходящих в коронном разряде, весьма сложен, и для него, как правило, используют различные подходы, основанные на тех или иных эмпирических данных [5].
Так, поскольку между каждым проводом ЛЭП и землей имеет место емкость С,, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока, между проводом и землей протекает электрический ток смещения I
аи
’~ск '
(1)
Возникновение коронного разряда приводит к появлению тока короны ¡к, который накладывается на емкостный ток линии и искажает его синусоидальную форму [3].
При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях затраты энергии существенно больше [4]. На характеристики коронного разряда значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны.
Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика для одиночного провода [1]:
Р = Г + 25Ц>ф-ик)2 -10-5
, кВт/ км,
(2)
где 5 — относительная плотность воздуха, f — частота, Гц, г0 — радиус одиночного провода, см, Б — расстояние между проводами, см, 11ф — действующее значение фазного напряжения, кВ, 1_1к — напряжение возникновения короны, кВ, определяемое выражением:
ик = 21,2 -5- 1п
- • гп. •
, кВ,
(3)
где т, — коэффициент гладкости провода (для идеально гладкого провода т] = 1, для реального витого провода т] = 0,85-0,92, согласно эмпирическим данным, приведенным в [1]), — коэффи-
циент погоды.
г
0
Ек(г).В/я
Используя формулу (2), нетрудно получить выражение для напряженности электрического поля короны в стационарном режиме:
Е = -
1
2кЯ\а
(4)
— Е(г, м-1) ... Е(г. м=2)
— Цт. м*3) Е(г. ы=4)
Рис. 3. Распределение напряженности! электрического поля коронного разряда токонесущего проводника ЛЭП 35 кВ для различных погодных условий
и=с и - ио),
(5)
где оа — электропроводность атмосферы при данных погодных условиях, 1^ — электрическое сопротивление цилиндра, коаксиального проводнику, длиной I, радиуса Р. Геометрия задачи, решаемой при помощи (4), показана на рис. 2.
При расчетах, как правило, рассматривают несколько характерных случаев [4]: хорошая погода (т^ = 1), дождь, включая мокрый снег и изморось (т2 = 2), сухой снег (т2 = 3), изморозьиней и наледь на проводах (т2 = 4).
На рис. 3 представлены результаты расчета напряженности электрического поля коронного разряда вдоль оси коронирующего проводника ЛЭП 35кВ для названных характерных погодных условий.
Из приведенных результатов видно, что погодные условия весьма существенно определяют уровни помехового излучения ЛЭП, причем различия максимальных уровней могут достигать целого порядка. Наибольшую интенсивность имеет поле короны при наличии наледи на проводах.
Рассмотренный выше подход может с успехом использоваться для оценочных расчетов уровней помехового излучения токонесущих проводников ЛЭП, однако более точные результаты дают методы, основанные на использовании реальной вольтамперной характеристики короны, определенной для конкретных условий [5].
Хорошо известно [4], что вольтамперная характеристика коронного разряда имеет нелинейный характер, зависящий от состояния атмосферы и геометрии электрического поля.
Большинство авторов публикаций [1, 4, 5], посвященных данному вопросу, применяют линейные аналитические выражения функционально связанных величин, определяемых физической природой коронного разряда. Так, например, в работе [5] представлено уравнение редуцированной характеристики коронного разряда в виде:
где 110 — критическое напряжение зажигания короны, а — электропроводность атмосферы, являюшряся функцией напряжения или тока.
Как утверждается в [92], функциональная зависимость электропроводности атмосферы от напряжения имеет ярко выраженный нелинейный характер, что обусловлено тем обстоятельством, что при увеличении напряжения величина тока короны увеличивается экспоненциально, при этом зависимость электропроводности от тока оказывается значительно более линейной.
Для условий развития коронного разряда закон Ома можно представить в виде [5]:
I = а0ивл
(6)
где О0 — электропроводность атмосферы до возникновения короны, К — коэффициент, отражающий закономерность развития ионизационных процессов в чехле короны при данной геометрии первичного электрического поля.
Величина тока, определяемая выражением (6), может пониматься, как интеграл [6] вида:
I =
(7)
где Б — боковая поверхность цилиндра, показанного на рис. 2.
Введение ряда допущений об азимутальном, по отношению к проводнику, распределении электрического поля короны, выражение (7) может быть заменено алгебраическим, например, следующего вида:
I = 2п
и
Е - Я -1.
(8)
На рис.4 показано распределение электрического поля короны, рассчитанного по рассмотренной выше методике. Для расчетов использовалась табулированная вольтамперная характеристика коронного разряда, приведенная в [5].
Результаты демонстрируют хорошее соответствие с данными, получаемыми по эмпирическим формулам (рис. 3) как по уровням (для случая "хорошей" погоды), так и по структуре.
Таким образом, в докладе предложена приближенная методика
Рис. 4. Распределение напряженности электрического поля коронного разряда рассчитанное с использованием нелинейной вольтамперной характеристики
расчета высокочастотных полей коронирующих проводов ЛЭП, основанная на использовании нелинейного закона Ома и экспериментально определенной вольтамперной характеристики коронного разряда.
Литература
1. Капцрв НА Коронный разряд. — М.: ОГИЗ Гостехиздат, 1947. — 256 с.
2. Попков В. И. Электропередачи сверхвысокого напряжения. В кн.: Наука и человечество. — М., 1967. — Т. 6.
3. Ким К.С, Лелевкин ВМ., Токарев А.В., Юданов ВА Линейный коронный факельный разряд// Сб. научн. трудов. — Бишкек: Кыргызско-Российский Славянский университет, 2000. — Вып. 3. — С. 23-31.
4. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. — М.: Химия, 1967. — 157 с.
5. Казаков В.Н. Уравнение коронного разряда//Цветные металлы. — 2003. — № 6. — С. 44 -47.
6. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Наука, 1973. — 608 с.
