ظاهرة الكورونا في أنظمة القدرة

ما هو تأثير كورونا أو تفريغ كورونا؟

عندما يتم تطبيق فرق جهد متناوب عبر موصلين يكون تباعدهما كبيراً مقارنة بأقطارهما، فلا يوجد تغيير واضح في حالة الهواء الجوي المحيط بالأسلاك إذا كان الجهد المطبق منخفضاً.

ومع ذلك، عندما يتجاوز الجهد المطبق قيمة معينة، تسمى الجهد التخريبي (الحرج)، لذلك فإن الموصلات تكون محاطة بتوهج بنفسجي اللون وخافت يسمى الهالة.

تترافق ظاهرة الهالة مع صوت الأزيز وإنتاج الأوزون وفقدان الطاقة والتداخل اللاسلكي، كلما زاد الجهد الكهربائي زاد ارتفاع الغلاف المضيء وزاد الصوت وفقدان الطاقة وضوضاء الراديو، وإذا زاد الجهد المطبق إلى قيمة الانهيار، فسيحدث وميض بين الموصلات بسبب انهيار عزل الهواء.

يمكن تعريف تأثير كورونا أو التفريغ الهالي في خطوط النقل ونظام الطاقة، على أنه إذا كانت الموصلات مصقولة وسلسة، فسيكون توهج الهالة منتظماً على طول الموصلات، وإلا ستظهر النقاط الخشنة أكثر إشراقاً ووضوحاً مع الجهد، هناك اختلاف في مظهر السلكين، السلك الموجب له توهج موحد حوله، بينما الموصل السالب به توهج متقطع، وذلك كما هو واضح بالصورة.

ما هو الفرق بين تأثير كورونا والتأثير القشري؟

الفرق بين كورونا وتأثير القشرة كالتالي:

• تأثير كورونا / التفريغ:
  كما هو موضح فيما سبق، فإن الإكليل هو تأثير التوهج البنفسجي وضوضاء الأزيز المتكرر وإنتاج غاز الأوزون في خط نقل علوي يُعرف باسم الإكليل، والذي يؤدي إلى صوت الهسهسة وإنتاج الأوزون وفقدان الطاقة والتداخل اللاسلكي في نظام الطاقة.
  

• تأثير القشرة (التأثير القشري):
  تأثير الجلد هو سلوك أو ميل التيار المتناوب للتدفق عبر السطح (الطبقة الخارجية) للموصل، بدلاً من قلب السلك في خطوط نقل نظام الطاقة.
  

في هذا السيناريو، تكون كثافة التيار بالمجمل، على القرب من سطح السلك أو الموصل وتنخفض مع زيادة الأعماق في الموصل، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الموصل، وبالتالي زيادة فقد الطاقة الكلي في نظام الطاقة (خطوط النقل بشكل عام).

نظرية تكوين الاكليل – الهالة:

يوجد بعض التأين دائماً في الهواء بسبب الأشعة الكونية والإشعاعات فوق البنفسجية والنشاط الإشعاعي، لذلك،في ظل الظروف العادية، يحتوي الهواء حول الموصلات على بعض الجسيمات المتأينة (أي الإلكترونات الحرة و + خمسة أيونات)، والجزيئات المحايدة.

عندما يتم تطبيق p.d، بين الموصلات، يتم إعداد التدرج المحتمل في الهواء والذي سيكون له قيمة قصوى عند أسطح الموصلات، تحت تأثير التدرج المحتمل، تكتسب الإلكترونات الحرة الموجودة سرعات أكبر، وكلما زاد الجهد المطبق زاد التدرج المحتمل وزادت سرعة الإلكترونات الحرة.

عندما يصل التدرج المحتمل على سطح الموصل إلى حوالي 30 كيلو فولت لكل سم (قيمة قصوى)، تكون السرعة التي تكتسبها الإلكترونات الحرة كافية لضرب جزيء محايد بقوة كافية لطرد إلكترون واحد أو أكثر منه.

ينتج عن ذلك أيون آخر وواحد أو أكثر من الإلكترونات الحرة، والتي بدورها تتسارع حتى تصطدم بجزيئات محايدة أخرى، وبالتالي تنتج أيونات أخرى، وبعد ذلك فإن عملية التأين تكون تراكمية، نتيجة هذا التأين هو أن الهالة تتكون أو تحدث شرارة بين الموصلات.

النموذج الرياضي لتأثير كورونا:

تأثير الإكليل أو التفريغ الهالي، هو ظاهرة تنتج عن تفريغ جزئي في الهواء (أو في أي سائل) ناتج عن تأين البيئة عندما يتدفق التيار الكهربائي في موصل وعندما يكون تدرج المجال الكهربائي قوياً بدرجة كافية لتأين البيئة، ولكنها ليست قوية بما يكفي لتسبب انهيار العازل أو الانحناء بين الموصلات.

هذه الظاهرة التي تتميز بتوهج (غالباً بلون أزرق / بنفسجي)، تحدث بشكل أساسي في الخطوط العلوية، بالقرب من عوازل التعليق والإجهاد، عندما تكون المسافة بين الموصلات أكبر بكثير من أقطار الموصلات.

بشكل عام للموصلات المتوازية في الهواء يكون هناك تأثير الهالة عندما تكون سماكة الموصل (D/r < 5.85)، حيث أن r: هو نصف قطر الموصلات، D: هي المسافة بين الموصلات.

عند دراسة تأثير الإكليل، من المهم تقييم الحد الأدنى لقيمة الجهد بين الأطوار أو بين طور واحد والمحايدة(أو الأرض)، والتي يحدث لها تأثير الهالة.

يسمى هذا الجهد الجهد التخريبي (الحرج)، إذا كان (r (cm، هو نصف قطر الموصل، فإن (d (cm، هي المسافة بين الموصل والمحايدة (أو الأرض)، و(U (V، هي تدرج المجال الكهربائي E (تدوين رياضي: grad E)، الجهد التخريبي (الحرج) الذي سنسميه G، يتم حسابه بواسطة المعادلة التالية:

G = (U / (r x ln (d/r)) [V/m] 

حيث يمثل ln اللوغاريتم الطبيعي لحدوث تأثير الإكليل، ومن الضروري أن تكون G مساوية أو أكبر من جهد اضطراب الهواء، وذلك عند الضغط الجوي (1.01325 × 105 باسكال = 1 ضغط جوي = 760 مم زئبق)، عند درجة حرارة 25 درجة مئوية تكون يساوي (30 كيلو فولت / سم)، مع الأخذ في الاعتبار القيمة القصوى لـ U أو (21.2 كيلو فولت / سم)، مع الأخذ في الاعتبار قيمة جذر متوسط التربيع لقيمة U.

عند تحديد G0 لقيمة (grad (E، التي تخضع للحالة المذكورة مسبقاً، يتم حساب القيمة الحرجة لجهد الانقطاع (Uc) بالمعادلة:

Uc = G0 x r x ln (d/r) [kV/phase]

تختلف كثافة الهواء أيضاً باختلاف ظروف درجة الحرارة والضغط الجوي؛ ومن الممكن التعبير عن هذا الاختلاف بعامل δ، والذي يتم حسابه بواسطة المعادلة لضغط معين (P (Pa، ودرجة الحرارة (θ (C.

δ = (3.92 x 1.01325×105 x P) / ((273 + θ) x 760)

نظرًا لكون (G’0)، قيمة grad E المطابقة للظروف الجوية الجديدة، يتم حساب قيمتها بالمعادلة:

G’0 = δ x G0

مصطلحات مهمة تتعلق بكورونا:

تلعب ظاهرة الهالة دوراً، مهماً في تصميم خط النقل العلوي، لذلك من المفيد مراعاة المصطلحات التالية المستخدمة كثيراً في تحليل تأثيرات الإكليل:

• الجهد المعطل الحرج:
  

إنه الحد الأدنى من الجهد المحايد الطور الذي يحدث فيه الإكليل، نضع في الاعتبار موصلين بنصف قطر r (سم) ومتباعدان بمقدار d (سم)، إذا كان V هو جهد الطور المحايد، فسيتم إعطاء التدرج المحتمل على سطح الموصل من خلال:

g =[V/r loge(d/r)]volts/cm

• الجهد البصري الحرج:
  

إنه الحد الأدنى من الجهد المحايد الطور الذي يظهر عنده توهج الإكليل على طول موصلات الخط، لقد لوحظ أنه في حالة الموصلات المتوازية، لا يبدأ توهج الإكليل عند الجهد التخريبي (Vc)، ولكن عند جهد أعلى (Vv)، يسمى الجهد الحرج المرئي.

يتم إعطاء القيمة الفعالة للطور المحايد للجهد الحرج البصري من خلال الصيغة التجريبية التالية:

حيث mv هو عامل عدم انتظام آخر له قيمة (1 · 0) للموصلات المصقولة، و (0 · 72 إلى 0 · 82) للموصلات الخشنة.

العوامل التي تؤثر على كورونا:

تتأثر ظاهرة الهالة بالحالة الفيزيائية للغلاف الجوي، وكذلك بظروف الخط، فيما يلي العوامل التي يعتمد عليها الاكليل:

• الغلاف الجوي:
  

نظرًا لأن الإكليل يتشكل بسبب تأين الهواء المحيط بالموصلات، فإنه يتأثر بالحالة الفيزيائية للغلاف الجوي، في الطقس العاصف يكون عدد الأيونات أكثر من المعتاد، وبالتالي تحدث الهالة بجهد أقل بكثير مقارنة بالطقس المعتدل.

• حجم الموصل:
  

يعتمد تأثير الهالة على شكل وظروف الموصلات، سيؤدي السطح الخشن وغير المنتظم إلى مزيد من الإكليل لأن عدم استواء السطح يقلل من قيمة جهد الانهيار، وبالتالي فإن الموصل الذي تقطعت به السبل له سطح غير منتظم، وبالتالي يؤدي إلى مزيد من الإكليل من الموصل الصلب.

• التباعد بين الموصلات:
  

إذا كان التباعد بين الموصلات كبيراً جداً مقارنة بأقطارها، فقد لا يكون هناك أي تأثير للهالة؛ وذلك لأن المسافة الأكبر بين الموصلات تقلل من الضغوط الكهروستاتيكية على سطح الموصل، وبالتالي تجنب تكوين الهالة.

• خط الجهد:
  

يؤثر جهد الخط بشكل كبير على الهالة، إذا كانت منخفضة، فلا يوجد تغيير في حالة الهواء المحيط بالموصلات، وبالتالي لا يتشكل الهالة، ومع ذلك إذا كان لجهد الخط قيمة لدرجة أن الضغوط الكهروستاتيكية المطورة على سطح الموصل تجعل الهواء حول الموصل موصلاً فإن الإكليل يتشكل.

فقدان الطاقة بسبب كورونا:

دائمًا ما يكون تكوين الهالة مصحوباً بفقدان الطاقة الذي يتبدد في شكل ضوء وحرارة وصوت وتفاعل كيميائي، عند تجاوز الجهد المعطل، يتم إعطاء فقدان الطاقة بسبب الإكليل من خلال:

طرق تقليل تأثير الهالة – الاكليل:

لقد لوحظ أن تأثيرات الهالة الشديدة بدأت عند جهد تشغيل يبلغ 33 كيلو فولت أو أعلى، لذلك يجب إجراء تصميم دقيق لتجنب الهالة على المحطات الفرعية أو قضبان الحافلات المصنفة لـ 33 كيلو فولت والجهد العالي، وإلا فقد يتسبب الهواء شديد التأين في حدوث وميض في العوازل أو بين المراحل، مما يتسبب في تلف كبير للمعدات.

يمكن تقليل تأثيرات الهالة بالطرق التالية:

• عن طريق زيادة حجم الموصل:
  

من خلال زيادة حجم الموصل، يتم رفع الجهد الذي يحدث عنده الإكليل وبالتالي تقل تأثيرات الهالة بشكل كبير، هذا هو أحد أسباب استخدام موصلات ACSR التي لها مساحة مقطع عرضي أكبر في خطوط النقل.

• عن طريق زيادة تباعد الموصلات:
  

من خلال زيادة التباعد بين الموصلات، يتم رفع الجهد الذي يحدث عنده الإكليل وبالتالي يمكن التخلص من تأثيرات الهالة، ومع ذلك لا يمكن زيادة التباعد كثيراً وإلا فقد تزيد تكلفة الهيكل الداعم، على سبيل المثال: الأذرع المتقاطعة الأكبر والدعامات إلى حد كبير.

مزايا وعيوب تأثير كورونا:

تأثيرات كورونا على خطوط الاتصال، للكورونا مزايا وعيوب عديدة، في التصميم الصحيح للخط العلوي للجهد العالي، يجب تحقيق توازن بين المزايا والعيوب، وفيما يلي مزايا وعيوب كورونا.

• المزايا:
  

بسبب تكوين الهالة، يصبح الهواء المحيط بالموصل موصلاً وبالتالي يزداد القطر الافتراضي للموصل، ويقلل القطر المتزايد من الضغوط الكهروستاتيكية بين الموصلات، كما يقلل كورونا من الآثار العابرة بسبب الطفرات الكهربائية.

• السلبيات:
  

كورونا مصحوب بفقدان للطاقة، وهذا يؤثر على كفاءة نقل الخط، كما ينتج الأوزون عن طريق الإكليل وقد يتسبب في تآكل الموصل بسبب التأثير الكيميائي.
التيار المرسوم بواسطة الخط الناتج عن الإكليل هو غير جيبي، وبالتالي يحدث انخفاض الجهد غير الجيبي في الخط، قد يتسبب ذلك في حدوث تداخل استقرائي مع خطوط الاتصال المجاورة.