Διερεύνηση του φαινομένου της εκκένωσης κορώνα σε γραμμές μεταφοράς

Abstract

The salient characteristics of corona discharge on overhead transmission lines have been investigated. This was achieved with the aid of corona inception models that were developed based on the physical processes involved in electrical discharges and take into account the form of corona discharge (glow or streamer). Thus, insight into the corona inception mechanism, as influenced by the geometric field distribution around the stressed electrode, form and polarity of the applied voltage and atmospheric conditions, has been gained. The estimated corona inception characteristics have been assessed and discussed through comparisons with literature experimental data and also validated against results obtained through scale model experiments by using the coaxial cylindrical electrode arrangement. Approximate expressions for the estimation of the corona inception field strength under steady or slowly varying electric fields have been proposed, which account accurately for the effects of voltage polarity, conductor radius and atmospheric conditions. An empirical expression has been proposed for the irregularity factor of stranded conductors, accounting well for the effects of conductor geometry and relative air density. Corona inception voltage of bundle conductors can be satisfactorily estimated by using the maximum value of the geometric field strength on the surface of the bundle conductors and the corona inception field strength of a single conductor of the same radius. Under DC voltages higher than the threshold value required for corona inception, corona current, thus also the associated power losses, can be well estimated through an approximate expression that considers the amplitude and polarity of the applied voltage, conductor geometry, outer cylinder radius and relative air density. The developed corona inception models can be used for the assessment of the characteristics of corona discharge on overhead transmission lines; this was shown for typical 150 kV overhead lines of the Hellenic transmission system. Under slowly varying overvoltages and standard atmospheric conditions, the corona inception voltage was found about 60% higher than the maximum value of the phase-to-ground voltage of the transmission lines. The irregularity factors of the line conductors can be estimated on the safe side by using the empirical expression derived based on scale model experiments. Corona inception voltages higher than that estimated under slowly varying overvoltages can be obtained under fast-front overvoltage surges with steepness higher than a threshold value; the latter, as also the rate of increase of corona inception voltage with overvoltage steepness, depends mainly on the conductor radius. This dependence of the corona inception voltage on the steepness of the overvoltage waveform must be considered in insulation coordination studies, where the attenuation and distortion of overvoltage surges propagating along overhead transmission lines due to corona effects is concerned.

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά της εκκένωσης κορώνα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς. Αναπτύχθηκαν θεωρητικά μοντέλα για την εκτίμηση των βασικών χαρακτηριστικών της εκκένωσης κορώνα κατά την έναυσή της, στη βάση των φυσικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα κατά την έναρξη και ανάπτυξη των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Τα μοντέλα αυτά λαμβάνουν υπόψη τις διαφορετικές μορφές της εκκένωσης κορώνα κατά την έναυσή της (αίγλη ή νημάτιο), καθώς και την εξάρτηση αυτών από την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από το φορτισμένο ηλεκτρόδιο, το είδος και την πολικότητα της τάσης καταπόνησης και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα των μοντέλων συζητήθηκαν στη βάση πειραματικών δεδομένων και θεωρητικών αποτελεσμάτων της βιβλιογραφίας και επαληθεύτηκαν μέσω εργαστηριακών πειραμάτων κλίμακας σε ομοαξονικά διάκενα αγωγού-κυλίνδρου. Αυτό συνετέλεσε στην αποσαφήνιση του μηχανισμού έναυσης της εκκένωσης κορώνα σε αγωγούς υπό συνεχείς ή βραδέως μεταβαλλόμενες καθώς και υπό κρουστικές τάσεις καταπόνησης. Το πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα υπό συνεχείς ή βραδέως μεταβαλλόμενες τάσεις, όπως αυτό εξαρτάται από την πολικότητα της τάσης καταπόνησης, την ακτίνα του αγωγού και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, μπορεί να εκτιμηθεί με ακρίβεια μέσω προσεγγιστικών σχέσεων. Προτάθηκε εμπειρική σχέση για το συντελεστή ανομοιομορφίας πολύκλωνων αγωγών συναρτήσει της γεωμετρίας του αγωγού και της σχετικής πυκνότητας του αέρα. Η τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα σε αγωγούς δέσμης μπορεί να προσδιοριστεί ικανοποιητικά μέσω της τιμής του μεγίστου γεωμετρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών και του πεδίου έναυσης ενός μονού αγωγού ίδιας ακτίνας. Υπό συνεχείς τάσεις καταπόνησης υψηλότερες της οριακής τάσης έναυσης, το ρεύμα της εκκένωσης κορώνα, άρα και οι συσχετιζόμενες απώλειες, μπορεί να εκτιμηθεί ικανοποιητικά μέσω προσεγγιστικής σχέσης, που λαμβάνει υπόψη την πολικότητα και την τιμή της τάσης καταπόνησης, τη γεωμετρία του αγωγού, την ακτίνα του εξωτερικού κυλίνδρου καθώς και τη σχετική πυκνότητα του αέρα. Ακόμη, δείχθηκε η δυνατότητα εκτίμησης των βασικών χαρακτηριστικών της εκκένωσης κορώνα σε γραμμές μεταφοράς μέσω εφαρμογής των θεωρητικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν σε τυπικές εναέριες γραμμές 150 kV του ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η ελάχιστη τάση έναυσης της εκκένωσης κορώνα υπό βραδέως μεταβαλλόμενες υπερτάσεις και κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες εκτιμήθηκε περίπου 60% υψηλότερη από τη μέγιστη τιμή της φασικής τάσης της γραμμής. Η εμπειρική σχέση του συντελεστή ανομοιομορφίας που προέκυψε μέσω πειραμάτων κλίμακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την «ασφαλή» εκτίμηση του συντελεστή ανομοιομορφίας των αγωγών των εναέριων γραμμών μεταφοράς. Υψηλότερες τάσεις έναυσης σε σχέση με αυτή που αντιστοιχεί σε βραδέως μεταβαλλόμενες υπερτάσεις μπορούν να προκύψουν υπό ταχέως μεταβαλλόμενες υπερτάσεις με κλίση μετώπου μεγαλύτερη από μία οριακή τιμή, η οποία, καθώς και η αύξηση της τάσης έναυσης με την κλίση μετώπου της κυματομορφής της υπέρτασης, εξαρτώνται κυρίως από την ακτίνα του αγωγού της γραμμής. Τα συμπεράσματα αυτά πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στις μελέτες συντονισμού μονώσεων, όπου ενδιαφέρει η εκτίμηση της απόσβεσης και παραμόρφωσης των οδευόντων κυμάτων υπέρτασης στις εναέριες γραμμές μεταφοράς λόγω της εκκένωσης κορώνα.