Зондові вимірювання поля коронного розряду змінного струму лінії електропередавання надвисокої напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут електродинаміки Національної академії наук України, Україна

Центр інформаційно-аналітичного та технічного забезпечення моніторингу об'єктів атомної енергетики НАН України, Київ, Україна

Зондові вимірювання поля коронного розряду змінного струму лінії електропередавання надвисокої напруги

В.В. Кучанський

канд. техн. наук, старший дослідник

старший науковий співробітник

Є.О. Зайцев

доктор техн. наук, старший науковий співробітник

завідувач відділу

Анотація

потужність напруженість електричний поле

Запропоновано методику вимірювань втрат потужності та енергії на корону на діючих лініях електропередач за допомогою антен. Теоретичні положення обґрунтовано коректним застосовністю відповідного математичного апарату при виводі формул і аналізі виразів. Проведено експериментальні роботи по вимірюванню напруженості електричного поля дротів ліній електропередавання надвисокої напруги.

Ключові слова: напруженість електричного поля, антена, втрати активної потужності, сумарний об'ємний заряд, ліній електропередавання надвисокої напруги.

Розвиток електроенергетики породив низку проблем пов'язаних із виникненням електричних полів (ЕП) та їх шкідливим впливом на обладнання. ЕП характеризуються багатьма параметрами, наприклад, такими як електричний потенціал, електричний заряд і щільність електричного заряду на поверхні, напруженість поля та ін. Однак найбільш інформативним параметром є напруженість ЕП. Модуль вектора напруженості ЕП або його складові можуть характеризувати вплив заряду на технологічні процеси [1 -3].

На відміну від багатьох відомих електричних величин, вимірювання параметрів напруженості низькочастотних ЕП виявилася задачею, яка на сьогодні є не вирішеною. У зв'язку з цим засоби вимірювання напруженості низькочастотних ЕП не представлені в номенклатурі приладів вимірювання електричних величин. Ця ситуація особливо характерна для засобів вимірювання ЕП промислової частоти на поверхні високовольтних ізоляторів та в безпосередній близькості до ліній електропередачі.

Для визначення напруженості ЕП на поверхні високовольтних ізоляторів та електротехнічного обладнання, розмішеного у безпосередній близькості до ліній електропередачі є два шляхи [3]: розрахунок чисельними методами ЕП із використанням спеціалізованого програмного забезпечення та проведення безпосередніх вимірювань параметрів ЕП на діючих об'єктах. Недоліком чисельного розрахунку ЕП є складність врахування різноманіття форм граничних поверхонь струмопровідних та заземлених частин реальних об'єктів. Використання фізичного моделювання обмежується складністю та високою вартістю виготовлення натурних або масштабних моделей [4,5,6]. Тому ні перший, ні другий шлях не можуть бути використані, як повноцінна заміна прямого вимірювання розподілу вектора напруженості ЕП у просторі та на поверхні електротехнічного обладнання на діючих об'єктах. У зв'язку з цим найбільш точним та перспективним методом вимірювання з точки зору практичного використання та отримання достовірних даних, які можуть бути використанні. як апостеріорні для визначення факторів, які впливають на ЕП є використання безпосереднього методу вимірювання напруженості ЕП на об'єктах.

На проводах повітряних ліній (ПЛ) крім нерівностей, обумовлених дротом верхнього повиву, завжди зустрічаються пошкодження поверхні (подряпини, задирки), забруднення (сліди мастила, частинки органічного та неорганічного походження), а також в залежності від сезону та погодних умов можуть епізодично з'являтися атмосферні відкладення (краплі дощу, роса, сніг, заморозь, іній). Це призводить до місцевого збільшення напруженості ЕП і, як наслідок, виникнення коронного розряду в окремих точках проводу.

Короною називається один із видів самостійного розряду в повітрі, що виникає на електродах малого радіусу при деякому значенні напруженості електричного поля на них. Зовнішніми проявами коронного розряду на проводах ПЛ є характерне потріскування та свічення в окремих місцях на поверхні проводів. Корона на проводах є основним джерелом радіоперешкод на ПЛ високої та надвисокої напруги та перешкод високочастотним каналам зв'язку. Корона призводить також до додаткових втрат електроенергії на ПЛ.

Характеристики радіоперешкод і втрат за наявності місцевої корони залежать головним чином від напруженості електричного поля на дроті, його діаметра, стану поверхні, метеорологічних умов і мають значний розкид параметрів ЕП.

Втрати потужності на корону на проводах діючих ліній електропередачі значно менші потужності, що передається по цих лініях, і їх можна порівняти з омічними втратами в проводах, а в ряді випадків вони є у кілька разів менші за останніх. Тому отримати величину втрат потужності на коронний розряд шляхом виділення величини його значення із значення величини сумарного струму лінії, виміряного класичними способами є практично неможливо [1-5].

Втрати потужності на коронний розряд, як відомо, пов'язані лише з поперечними струмами лінії - струмами між фазними проводами ПЛ та будь-яким із фазних проводів та землею. У цьому разі в роботі для вимірювання втрат на корону на лініях запропоновано застосування зондових вимірювань величин поля коронного розряду, які пропорційні цим струмам.

Основним фактором, що визначає втрати на коронний розряд на повітряних лініях, є відношення напруженості електричного поля на поверхні проводів до початкової напруженості корони. Невелика зміна цього відношення призводить до суттєвої зміни втрат на коронний розряд та виникнення радіоперешкод. Тому напруженість поля слід обчислювати з похибкою, яка знаходиться в межах 1 % [5-9].

Як відомо, теорія і методика зондових вимірювань у полі коронного розряду постійного струму є досить добре дослідженою сферою і широко використовуються в ряді лабораторій. На основі цієї теорії в [1,2] обґрунтовано можливість застосування зондових вимірювань і в полі коронного розряду змінного струму, що базується на компенсації із результату вимірювань струму зміщення на зонд.

Компенсація із результатів зондових вимірювань струму зміщення може бути досягнуто не тільки за допомогою диференціального зонда, але також і за застосуванні зонда з сіткою [1, 2]. Останній має ще й деякі інші переваги його практичного застосування, які основним чином викликані високою чутливістю зонда з сіткою за його використання як індикатора наявності об'ємного заряду в області досліджуваної поля. Це досягається конструкцією зонда з сіткою, яка є сіткою зшитою із зондом, оточеного з усіх боків додатковою сіткою, розташованою від нього на деякій відстані та електрично ізольованою від нього.

Зонди можуть мати різні форми, наприклад, плоскі, циліндричні або сферичні. Форму зонда обирають відповідно до конфігурації поля. Робота таких зондів базується на тому, що під час вимірювань від спеціального джерела на сітку подається змінна напруга, близька до потенціалу поля в досліджуваній точці, а на зонд - постійна напруга. Струм сітки, як і струм одиночного зонда, у разі зміни заряду буде мати дві складові -- іонний струм і струм зміщення. При різниці потенціалів зонду із сіткою буде дорівнювати нулю, а струм зонда матиме також дві складові. Однак, якщо проникність сітки невелика (сітка досить густа), то амплітуда струму на зонд та амплітуди його складових будуть значно меншими за амплітуд струму сітки.

У випадку введення між зондом та сіткою деякої постійної різниці потенціалів струм зміщення зонда практично не зміниться. Натомість значно зросте іонний струм за рахунок суттєвого збільшення градієнта електричного поля у просторі зонду. Іншими словами, матиме місце посилення іонного струму на зонд. Важливо відзначити, що посилення буде для потоку іонів лише одного знака, який визначається знаком напруги зонду.

Для доказу підсилювальної властивості зонда із сіткою, а також для вирішення питання про те, які фізичні величини можуть бути визначені, використаємо теорію звичайного одиночного зонда. Аналіз проведемо для зонда циліндричної форми. Вище наведене і обумовлює необхідність у вирішенні задачі дослідження рухливості іонів повітря за атмосферного тиску, тобто часу життя іонів мілісекундного діапазону. Для її вирішення, як зазначено вище, використовується зондова методика дослідження руху об'ємного заряду в циліндричному конденсаторі із додаванням до коронувального проводу змішаної напруги, що складається з постійної складової та змінної складової промислової частоти, амплітуда якої не перевищує 5-10% величини постійної складової напруги. За такої напруги корона на дроті існує у вигляді періодичних спалахів (1 раз за період), тобто створюється об'ємний заряд у вигляді окремих шарів або хвиль, що рухаються весь час в одному напрямку - до зовнішнього циліндра. У цьому разі, моменти утворення фронтів хвиль об'ємного заряду збігаються з моментами спалаху корони на дроті і можуть бути зафіксовані по осцилограмах вольт-амперних характеристик розряду. Ця обставина є суттєвою для знаходження часу життя іонів, рухливість яких визначається під час проведення експериментів.

На рис. 1 наведена схема розташування дроту 1 однофазної лінії та антени 2, яка точно в середині своєї довжини заземлена через вимірювальний елемент Z. Потенціал, наведений на ізольованій від землі антені за рахунок електромагнітного зв'язку з лінією, розподіляється по довжині антени таким чином, що його величина в середній точці антени дорівнює нулю. Тому за умови заземлення цієї точки через вимірювальний елемент 1 не протікатиме струм, який виникає в результаті дії магнітного поля лінії. Струм через цей елемент буде обумовлений лише електростатичним зв'язком антени та дроту.

Характерні для ліній електропередавання мінімальні значення висот підвісу проводів над землею становлять 7...8 м. За таких висот об'ємний заряд, який виникає в наслідок коронного розряду, розподілений в області G (рис. 1). Ця область має практично симетричний розподіл відносно осі проводу, тобто щільність об'ємного заряду, залежить тільки від відстані аналізованого елемента обсягу від осі проводу.

Заземлення антени 2, точно в середній точці її довжини через вимірювальний елемент р, дозволяє усунути протікання струмів, які викликані електромагнітним зв'язком між антеною і проводом, через які протікає робочий струм лінії. Отже, сумарна електростатична дія об'ємного заряду на антену еквівалентна дії такого ж за величиною лінійного заряду, розташованого на осі дроту.

За досить малої величини опору Z зв'язок між зарядом антени та сумарним зарядом дроту визначається наступним співвідношенням:

Висновок

Запропоновано метод вимірювання втрат потужності на коронний розряд на проводах ліній електропередачі, який на відміну від існуючих дозволяє вимірювати безпосередньо втрати на коронний розряд. Таким чином, є можливим вирішення завдання вимірювання електричних величин, що характеризують поперечне електричне поле лінії. Адже, втрати потужності на корону пов'язані лише з поперечним електричним полем лінії з відповідними йому поперечними струмами - струмами між фазними проводами ПЛ та будь-яким із фазних проводів та землею.

Список використаних джерел

1. Study on corona current measurement with probe suspended in the vertical static electric field https://ieeexplore.ieee.org/document/7368646.

2. A METHOD FOR PROBE STUDIES OF A D-C CORONA FIELD USING AN OSCILLOGRAPH https://apps.dtic.mil/sti/citations/tr/AD0295785.

3. Linear-geometry electric-field probe for DC corona measurements https://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/ip-smt_19941012.

4. Cylindrical probe measurements in a corona discharge https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0304388684900639.

5. Spherical probes for corona discharges. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0304388678900487.

6. Linear-geometry electric-field probe for DC corona measurements and application to field distribution in wire-to-plane geometry. https://www.epjap.org/articles/epjap/abs/1999/05/ap8018/ap8018.html.

7. Hunko, I., Kuchanskyi, V., Nesterko, A., Rubanenko, O.: Modes of electrical systems and grids with renewable energy sources - LAMBERT Academic Publishing, 2019, 184 p. ISBN 978-613-9-88956-3.

8. Hunko, I.O., Kuchanskyy, V.V., Nesterko, A.B.: Engineering sciences: development prospects in countries of Europe at the beginning of the third millennium: Collective monograph, vol. 2, p. 492. Izdevnieciba “Baltija Publishing”, Riga (2018). ISBN 978-9934571-63-3.

9. Zaitsev Ie., Levytskyi A., Bereznychenko V. Hybrid diagnostics systems for power generators faults: systems design principle and shaft run-out sensors. In: Power systems research and operation: Selected problems / editors: Kyrylenko O., Zharkin A. and other. Springer, 2021, P. 71-98. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-82926-1_4.

Размещено на Allbest.ru