Wyładowanie koronowe - pochodzenie, charakterystyka i zastosowanie

W warunkach silnie niejednorodnych pól elektromagnetycznych, na elektrodach o dużej krzywiźnie powierzchni zewnętrznych, w niektórych sytuacjach może rozpocząć się wyładowanie koronowe — niezależne wyładowanie elektryczne w gazie. Jako końcówka może działać kształt odpowiedni do tego zjawiska: końcówka, drut, narożnik, ząb itp.

Głównym warunkiem wystąpienia wyładowania jest to, że w pobliżu ostrej krawędzi elektrody musi występować stosunkowo większe natężenie pola elektrycznego niż w pozostałej części drogi między elektrodami, co powoduje powstanie różnicy potencjałów.

Dla powietrza w normalnych warunkach (przy ciśnieniu atmosferycznym) wartość graniczna natężenia elektrycznego wynosi 30 kV / cm; przy takim napięciu na końcu elektrody pojawia się słaba poświata przypominająca koronę. Dlatego wyładowanie nazywa się wyładowaniem koronowym.

Takie wyładowanie charakteryzuje się występowaniem procesów jonizacji tylko w pobliżu elektrody koronowej, podczas gdy druga elektroda może wyglądać zupełnie normalnie, to znaczy bez tworzenia się korony.

Wyładowania koronowe można czasami zaobserwować w warunkach naturalnych, na przykład na wierzchołkach drzew, gdy sprzyja temu rozkład naturalnego pola elektrycznego (przed burzą lub podczas śnieżycy).

Powstawanie wyładowań koronowych przebiega w następujący sposób. Cząsteczka powietrza zostaje przypadkowo zjonizowana i emitowany jest elektron.

Elektron doświadcza przyspieszenia w polu elektrycznym w pobliżu końcówki i osiąga wystarczającą energię, aby go zjonizować, gdy tylko napotka następną cząsteczkę na swojej drodze i elektron ponownie wystartuje. Liczba naładowanych cząstek poruszających się w polu elektrycznym w pobliżu końcówki wzrasta jak lawina.

Jeśli ostra elektroda koronowa jest elektrodą ujemną (katodą), w tym przypadku korona będzie nazywana ujemną, a lawina elektronów jonizacyjnych przesunie się od końcówki korony do elektrody dodatniej. Generowanie wolnych elektronów jest ułatwione przez promieniowanie termionowe katody.

Kiedy lawina elektronów przemieszczająca się z końcówki dociera do obszaru, w którym siła pola elektrycznego nie jest już wystarczająca do dalszej jonizacji lawinowej, elektrony rekombinują z obojętnymi cząsteczkami powietrza, tworząc jony ujemne, które następnie stają się nośnikami prądu w obszarze poza korona. Ujemna korona ma charakterystyczną jednolitą poświatę.

W przypadku, gdy źródłem korony jest elektroda dodatnia (anoda), ruch lawin elektronów skierowany jest w stronę końcówki, a ruch jonów skierowany jest na zewnątrz końcówki. Wtórne fotoprocesy w pobliżu dodatnio naładowanej końcówki ułatwiają reprodukcję elektronów wyzwalających lawiny.

Daleko od wierzchołka, gdzie natężenie pola elektrycznego nie jest wystarczające do zapewnienia lawinowej jonizacji, nośnikami prądu pozostają dodatnie jony przemieszczające się w kierunku elektrody ujemnej. Dodatnia korona charakteryzuje się serpentynami, które rozchodzą się w różnych kierunkach od końcówki, a przy wyższych napięciach serpentyny przybierają postać kanałów iskrowych.

Korona może również występować na przewodach linii wysokiego napięcia i tutaj zjawisko to prowadzi do strat energii elektrycznej, która jest zużywana głównie na ruch naładowanych cząstek i częściowo na promieniowanie.

Korona na przewodach linii występuje, gdy natężenie pola na nich przekracza wartość krytyczną.

Korona powoduje pojawienie się wyższych harmonicznych na krzywej prądu, co może gwałtownie zwiększyć zakłócający wpływ linii elektroenergetycznych na linie komunikacyjne i składową czynną prądu w linii, z powodu ruchu i neutralizacji ładunków przestrzennych.

Jeśli pominiemy spadek napięcia w warstwie koronowej, to możemy przyjąć, że promień drutów, a co za tym idzie, pojemność linii okresowo wzrasta i wartości te wahają się z częstotliwością 2 razy większą niż częstotliwość sieci (tzw. okres tych zmian kończy się w połowie okresu częstotliwości roboczej).

Ponieważ zjawiska atmosferyczne mają znaczący wpływ na straty energii z koroną w linii, przy obliczaniu strat należy wziąć pod uwagę następujące główne rodzaje pogody: ładna pogoda, deszcz, mróz, śnieg.

Aby zwalczyć to zjawisko, przewody linii elektroenergetycznej są podzielone na kilka części, w zależności od napięcia linii, aby zmniejszyć lokalne napięcie w pobliżu przewodów i zasadniczo zapobiec tworzeniu się wyładowań koronowych.

W wyniku rozdzielenia przewodów natężenie pola maleje ze względu na większą powierzchnię rozdzielonych przewodów w porównaniu do pola powierzchni pojedynczego przewodu o tym samym przekroju, a ładunek na rozdzielonych przewodach wzrasta w mniejszej liczbie razy niż powierzchnia przewodników.

Mniejsze promienie drutu powodują wolniejszy wzrost utraty korony. Najmniejsze straty koronowe uzyskuje się, gdy odległość między przewodami w fazie wynosi 10 — 20 cm, jednak ze względu na niebezpieczeństwo oblodzenia wiązki przewodów fazowych, co doprowadzi do gwałtownego wzrostu naporu wiatru na linię , odległość wynosi 40-50 cm.

Ponadto w liniach przesyłowych wysokiego napięcia stosowane są pierścienie antykoronowe, które są toroidami wykonanymi z materiału przewodzącego, zwykle metalu, który jest przymocowany do zacisku lub innej części sprzętu wysokiego napięcia.

Rolą pierścienia koronowego jest rozłożenie gradientu pola elektrycznego i obniżenie jego maksymalnych wartości poniżej progu koronowego, zapobiegając w ten sposób całkowitemu wyładowaniu koronowemu lub przynajmniej przeniesieniu destrukcyjnych skutków wyładowania z cennego sprzętu na pierścień.

Wyładowania koronowe znajdują praktyczne zastosowanie w elektrostatycznych oczyszczaczach gazów, a także do wykrywania pęknięć w produktach.W technice kopiowania — do ładowania i rozładowywania fotoprzewodników oraz do przenoszenia proszku barwiącego na papier. Ponadto wyładowania koronowe można wykorzystać do określenia ciśnienia wewnątrz żarówki (na podstawie wielkości korony w identycznych lampach).