книги / Техника высоких напряжений

Рассмотрим, как изменяется суммарный заряд, стекающий в ли­

нию из источника Q= QIIP+Q 0G. Так как, удаляясь от оси провода, за­ ряд теряет свой потенциал, то при наличии короны общий заряд при данном напряжении U должен быть больше, чем в случае, когда весь заряд сосредоточен на проводе. По­ этому после момента зажигания ко­ роны кривая суммарного заряда пойдет выше синусоиды приложен­ ного напряжения, как это показано пунктиром на рис. 8-5,а. После по­ гасания короны заряд в объеме остается практически неизменным, в момент ts он начинает уменьшать­ ся, а в момент U меняет знак на противоположный. Изменение за­ ряда во времени при наличии ко­ роны делается несинусоидальиым, максимальное значение заряда уве­ личивается и кривые заряда и на­ пряжения не совпадают по фазе. Благодаря этому в линии появляют­ ся высшие гармоники тока, увели­ чивается эффективная емкость линии и возникают потери энергии.

Когда короны на линии нет, по­ тери энергии отсутствуют (если пренебрегать активным сопротив­ лением проводов и активными утеч­ ками по изоляторам), так как энер­ гия, затраченная источником на создание электрического поля в те­ чение одной половины периода, в течение следующей половины пе­

зарядами на проводе, а энергия, связанная с объемными зарядами и

сохраняется в виде остаточного электрического поля. В следующий полупериод объемные заряды долж­ ны быть компенсированы и соот­ ветствующая энергия затрачивается источником безвозвратно. Таким образом, потери энергии при пере­ менном напряжении связаны с не­ прерывной перезарядкой чехла ко­ роны, которая происходит несин-

Рис. 8-7. Стилизованная форма вольт-куло- новой характеристики коронирующей линии.

хронно с изменением напряжения. Силой, удерживающей заряд в объеме и не дающей ему вернуть­ ся на провод при снижении напря­ жения, является сопротивление мо­ лекул воздуха, в котором двигаются ионы. Поэтому потери на корону идут на увеличение скорости моле­ кул, с которыми сталкиваются ионы,

т.е. на нагревание воздуха. Изменение заряда коронирую­

щей линии можно представить еще более наглядно с помощью вольткулоновой характеристики, т. е. за­ висимости мгновенного значения за­ ряда от мгновенного значения на­ пряжения. Вольт-кулоновые харак­ теристики при различных амплиту­ дах приложенного напряжения в стилизованном виде показаны на рис. 8-7, где цифрами отмечены ха­ рактерные точки, соответствующие отдельным моментам времени на рис. 8-5,а. Прямолинейные участки вольт-кулоновой характеристики со­ ответствуют интервалам времени, когда корона не горит, изменяется только заряд на проводе и, следова­ тельно, наклон вольт-кулоновой ха­ рактеристики определяется геомет­ рической емкостью линии.

Вольт-кулоновые характеристи­ ки, определенные экспериментально, в общем соответствуют нарисован­ ной выше картине, однако они имеют более плавный характер, без резких изломов в момент максиму­ ма напряжения. Связано это преж­ де всего с тем, что чехол короны не мгновенно теряет свою проводи­

мость, поэтому ионы не сразу за­ стревают в пространстве. Кроме того, последние эксперименты, про­ веденные в Энергетическом инсти­ туте имени Кржижановского, пока­ зывают, что определенная часть объемного заряда все же каждый полупериод уходит из чехла короны и постепенно перемещается к про­ тивоположному электроду.

В качестве примера на рис. 8-8 показано семейство вольт-кулоно- вых характеристик, полученных экспериментально в цилиндриче­ ском конденсаторе.

Потери за один период

т

PQ= ^ u i d t = ÿ u dQ

пропорциональны площади вольткулоновой характеристики j>udQ,

а потери за единицу времени, т. е. мощность потерь,

где f — частота приложенного на­ пряжения.

Таким образом, определение по­ терь на корону при переменном на­ пряжении могло бы сводиться к рас­ чету вольт-кулоновой характеристи­ ки и определению ее площади, для чего необходимо исследовать дви­ жение объемного заряда в окрест­ ности провода. Приблизительно та­ кой метод был использован немецким ученым Майром, выве­ денная которым формула будет

Рис. 8-8. Семейство вольт-кулоновых харак­ теристик, снятых экспериментально в ци­ линдрическом конденсаторе.

приведена в следующем параграфе. Однако строгий аналитический вы­ вод формулы потерь на корону в настоящее время невозможен, и даже в формуле Майра содержатся коэффициенты, определенные из опыта. Поэтому основной путь определения потерь на корону при переменном напряжении заключает­ ся в обобщении опытных данных, которых к настоящему времени на­ копилось довольно много.

Изучение первых экспериментов по определению потерь на корону позволило американскому инженеру

где 8 — относительная плотность воз­ духа;

г0 — радиус провода, см\

s — среднее геометрическое рас­ стояние между проводами,

см\

f — частота, гц\

l/ф — действующее значение фазо­

Входящие в формулу коэффи­ циенты mi и т2 имеют весьма важ­ ное значение и называются соответ­ ственно коэффициент гладкости прд- вода и коэффициент погоды.

Коэффициент гладкости прово­ да Ш\ характеризует состояние его поверхности. Для идеально гладко­ го цилиндрического полированного провода этот коэффициент прибли­ жается к единице. Для реальных проводов линий электропередачи, которые состоят из большого числа отдельных проволочек и вследствие

этого имеют волнистую поверхность, коэффициент гладкости уменьшает­ ся до 0,85—0,9, что свидетельствует о наличии местных усилений напря­ женности поля и уменьшении кри­ тического напряжения короны. На­ личие заусениц и царапин на про­ воде может привести к дальнейше­ му уменьшению коэффициента глад­ кости. В связи с этим следует отме­ тить, что на линиях электропере­ дачи, включенных под напряжение непосредственно после монтажа, на­ блюдаются ненормально большие потери на корону, которые в даль­ нейшем постепенно уменьшаются, стремясь к определенному устано­ вившемуся значению. Это явление связано с тем, что в процессе мон­ тажа провода обычно протаскива­ ются по земле и их поверхность сильно повреждается. После вклю­ чения линии под напряжение коро­ на горит главным образом на от­ дельных образовавшихся на поверх­ ности мельчайших выступах. Под действием образующихся при иони­ зации активных газов (например, атомарного кислорода) поверхность этих выступов интенсивно окисляет­ ся и они постепенно разрушаются, в результате чего провод становит­ ся более гладким. Таким образом, явление старения провода в линии,

является благоприятным. Если дав­ но смонтированную линию на дли­ тельное время отключить от источ­ ника, то после ее включения также наблюдаются увеличенные потери, правда меньшие, чем для вновь смонтированной линии. Это говорит о том, что старение провода при от­ сутствии напряжения, наоборот, приводит к увеличению шерохова­ тости его поверхности. Влияние со­ стояния поверхности провода на ве­ личину коронных потерь может быть наглядно продемонстрировано с помощью кривых рис. 8-9.

Наличие в (8-15) коэффициента погоды т 2 является отражением то­ го обстоятельства, что потери на корону в очень сильной степени за-

Рис. 8-9. Влияние старения медного прово­ да (диаметром 28,6 мм) на потери.

в районе трассы линии. Особенно сильно возрастают потери на коро­ ну при наличии дождя или тумана, когда на поверхности провода обра­ зуются длительно существующие капельки воды. Эти капельки пред­ ставляют собой как бы выступы на поверхности провода, на границе которых напряженность поля ока­ зывается усиленной. Под действием электрического поля капли воды несколько вытягиваются, приобре­ тая конусообразную форму, что еще больше способствует усилению на­ пряженности. Таки'м образом, на­ личие дождя и тумана приводит как бы к резкому увеличению шерохо­ ватости провода и коэффициенты Ш\ и т2 имеют сходную природу. В пользу такого предположения го­ ворит то обстоятельство, что потери на корону особенно велики в начале дождя, а затем они несколько сни­ жаются. Связано это с тем, что вна­ чале, когда большая часть поверх­ ности провода сухая, отдельные ка­ пельки дождя не сливаются друг с другом и имеют весьма выпуклую форму. После смачивания всей по­ верхности провода капли воды

быстро растекаются по поверхно­ сти, создавая заметные шерохова­ тости только на нижней части про­ вода, с которой они стекают на землю. Поэтому наибольшие потери наблюдаются обычно во время моросящего мелкокапельного дождя.

Другая причина увеличения по­ терь энергии на корону при наличии дождя связана с отрывом капель от поверхности провода и падением их на землю. Находясь на проводе, каждая капля заряжается и, падая

Рис. 8-10. Потери мощности на корону для провода ЗХАСУ 400/400 по данным НИИПТ.

на землю, уносит с собой часть за­ ряда провода. Поток падающих на землю капель создает ток между проводом и землей, эквивалентный току утечки, что, естественно, со­ провождается потерями энергии.

Основное влияние на величину потерь на корону оказывает интен­ сивность дождя и размер его ка­ пель. Сочетание этих характеристик может быть самым разнообразным, и поэтому потери при дожде изме­ няются в самых широких пределах. В качестве иллюстрации на рис. 8-10 приведены кривые зависимости по­ терь на корону от напряжения при различной погоде, полученные На­ учно-исследовательским институ­ том постоянного тока на опытном пролете линии 400 кв. Из этих кри­ вых следует, что в зависимости от условий погоды коронные потери могут изменяться в десятки раз, но с увеличением напряжения эта раз­ ница несколько уменьшается.

В настоящее время формула Пика не применяется для опреде­ ления потерь на корону, так как она дает результаты, значительно отли­ чающиеся от опытных данных, осо­ бенно для линий сверхвысокого на­ пряжения, для которых характерно применение проводов большого диаметра. А именно в этих случаях правильное определение коронных потерь является наиболее актуаль­ ным. Однако эта формула весьма удобна для качественного определе­ ния влияния отдельных параметров на величину коронных потерь, а сле­ довательно, может использоваться для оценки различных мероприятий по уменьшению потерь на корону.

Из формулы (8-14) и (8-15) сле­ дует, что из геометрических разме­ ров линии основное влияние на по­ тери оказывает радиус провода, увеличение которого приводит к увеличению расчетного напряже­ ния и 0. Влияние расстояния между проводами значительно меньше, тем более что отношение s/ro для линий высокого напряжения (ПО кв и вы­ ше) изменяется в очень узких пре­ делах.