Коронный разряд это: теория ионизации, схема, механизмы, особенности

теория ионизации, схема, механизмы, особенности

Содержание

• 1 Теория ионизации воздуха
• 2 Схема возникновения коронного разряда
• 3 Электрическая дуга
• 4 Механизмы ионизации
• 5 Особенности коронного разряда

Коронный разряд – это процесс ионизации воздуха вдоль провода под действием сильных электромагнитных полей.

Теория ионизации воздуха

Ионизацию воздуха заметили давно, но не сумели правильно истолковать. С появлением в середине XVIII века первых электростатических генераторов разряд стал обычным явлением. Даже успели попробовать на себе жестокое действие лейденской банки. Истинные опыты с электричеством начались после изобретения Вольтой гальванического источника энергии.

Первую в мире дугу получил в 1802 году русский учёный с запоминающейся фамилией Петров. Он предсказал возможность использования сего для целей освещения. Сильную досаду вызывает факт, что весь учёный мир обратил внимание на явление. И оказывалось ясно, куда в действительности течёт электрический ток. Ведь отрицательный угольный электрод заострялся под действием дуги, а на аноде образовывалась небольшая ямка. Учёный мир увидел в этом правоту Бенджамина Франклина: заряды наращивают отрицательный угольный стержень, будучи положительны. И лишь к началу XX века, когда опыты с катодными лучами дали первые результаты, стало понятно, что 100 лет назад совершена большая ошибка.

При горении дуги пять шестых светового потока даёт анод. Его температура в стандартных физических опытах составляет 4000 градусов Цельсия. Это на 1000 больше, нежели у катода, дающего 10% светового потока. Прочее берётся от дуги непосредственно, за счёт мерцания ионизированного газа. При столь высоких температурах начинают плавиться даже керамика и вольфрам. Сварку изобрели гораздо позже, с 80-х годов (XIX века) электрод угольный, позже Н.Г. Славянов предложить использовать металлический.

Опыт Павлова повторил Дэви, прочие дугой пока не занимались. С его подачи началось исследование разряда в среде газа. Обнаружены первые линейчатые спектры. Фарадей и Уитстон в 30-х годах изучали разряд в разреженных газах. Видя усердие англичан, иностранный инженер, принявший российское подданство, Якоби попробовал применить угольный стрежень для освещения улиц Санкт-Петербурга (1846 год). Но анод быстро выгорал, увеличивая искровой промежуток, и лампа гасла. Ситуацию решил Яблочков, это уже случилось через 30 лет, когда век угольных разрядников подходил к концу. Они находили применение в узких областях долгое время, к примеру, при освещении неба в период Второй мировой войны и отражения вражеских налётов.

Катушка Румкорфа (ориентировочно 1846 год) окончательно убедила людей, что высокое напряжение способно создать искру, а Никола Тесла показал, что при помощи экрана Фарадея даже простой смертный сумеет направлять молнии в нужном направлении. Языки пламени в ночном небе над башней Ворденклиф называют самым невероятным коронным разрядом в истории человечества, если не считать устроенного позднее великим изобретателем на крышах Нью-Йорка.

Схема возникновения коронного разряда

Точного определения коронного разряда в литературе не встречается. По простой причине нежелания авторов разбираться с темой и обилием дублирующейся информации, упускающей смысл из содержания. Определение коронного разряда, данное в начале, тоже нельзя назвать физически точным. Корректная трактовка большинством читателей не воспримется из-за наличия специфических особенностей. В физике принято прохождение тока через воздух делить на три участка, видных на графике:

1. Первый подчиняется закону Ома для участка цепи и прямой. Здесь протекание тока возможно за счёт внешней ионизации: пламенем, ультрафиолетом, радиоактивным или высокочастотным излучением. Первые два фактора уже были известны Вольте (до открытия «животного электричества» Гальвани), предлагавшему снимать статический заряд с резины электрофоруса лучами Солнца или свечой.
2. Второй участок находится в области насыщения. Учёные говорят, что ток остаётся сравнительно постоянным, заряды при движении между электродами активно рекомбинируют. И при растущей разнице потенциалов ничего не меняется. Пока напряжение не достигнет третьего участка.
3. При высокой разнице потенциалов начинается лавинообразный процесс ударной ионизации. Электроны обретают столь высокую скорость, что выбивают электроны из молекул газа. На этом участке ток быстро растёт с повышением разницы потенциалов, возможно возникновение электрической дуги.

Разряд, наблюдаемый визуально, называется искровым и возникает после начала второго роста кривой. Вначале присутствует тихий разряд, глазу не заметный. Его часто называют несамостоятельным, нужен внешний ионизирующий фактор, чтобы поддержать движение носителей. Понижение напряжения вызывает немедленную рекомбинацию всех носителей.

Искровой разряд отмечается при напряжениях, где возможна лавинообразная ионизация. Искры проскакивают с частотой от 400 Гц и выше, что сопровождается различимым шумом. Напряжение после каждого разряда падает, чем обусловлено наличие свободного интервала. Визуально искры сливаются в одну. Подвидами указанного типа ионизации считаются родственные разряды:

• Кистевой разряд похож на ладонь сказочного скелета. Образуется между острием и заряженной поверхностью. Заметно на нейтрализаторах электрофорной машины, изоляторах ЛЭП. Ионизация начинается со стороны острия, в этом месте напряжённость поля увеличена, заряды стекают в пространство, чем порождается лавинообразный процесс.
• Коронный разряд вспыхивает между несколькими участками одного провода. Вызван ударной ионизацией воздуха. Своеобразные изломанные зубцы подобны молниям. Их причудливую траекторию учёные объясняют тем, что процесс ионизации распространяется по пути наименьшего сопротивления, в силу изотропности газа невозможно предсказать точный путь. Корона порой плавная и бывает положительной или отрицательной.

Коронный разряд ведёт к потере энергии на линии ЛЭП и происходит непрерывно, что различимо на слух как низкочастотный гул и треск. В дождливую погоду сопротивление провода падает, возможно появление языков ионизированного воздуха в виде маленьких молний, идущих вдоль провода или шаров. Коронный разряд используется в фильтрах очистки воздуха (ионизаторах, люстрах Чижевского), улавливая частицы дыма, пыли, заставляя их оседать.

Электрическая дуга

Сказанное выше не позволяет точно понять электрическую дугу. При определённом значении напряжения начинается ударная ионизация воздуха. Если разница потенциалов падает, ток не меняется либо растёт (см. газоразрядные лампы и люминесцентные лампы). Это так называемый участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Процесс, идущий между электродами, именуется дугой. Разряд разжигается высоким напряжением и сближением стержней, а затем идёт самостоятельно.

Известно, что сварщик стучит электродом по детали, чтобы начать ударную ионизацию. Потом электрод удаляется, а дуга остаётся, не гаснет. Напряжение тоже низкое. В этом заключается особенность дуги. Это объясняет, почему открытые линии ЛЭП не несут вольтаж выше 2 МВ. А дальше начинается коронный разряд, возникает дуга, чтобы потушить, приходится приложить немало усилий.

Тесла строил башню Ворденклиф, чтобы добиться передачи энергии посредством коронного разряда. Созданной дуге предписывалось лететь на приёмник, а оттуда излучаться дальше, вокруг всего Земного шара. По замыслу Теслы требовалось построить передатчики, ловившие языки молний. Безопасность обеспечивалась высокой частотой напряжения (радиодиапазон).

Суммируя, нужно заметить, что электрическая дуга по-иному называется самостоятельным разрядом, процесс может поддерживаться.

Механизмы ионизации

Коронный разряд образуется на геометрических изломах вследствие повышенной напряжённости поля в этой области. На указанном принципе работают нейтрализаторы и стекатели. Явления, наблюдаемые при газовом разряде, количественно описываются двумя коэффициентами Таунсенда:

• Альфа: коэффициент объёмной ионизации. Численно это количество ионизаций, производимых электроном на дистанции 1 см.
• Гамма: описывает процесс ионизации на границе катод-газ. Здесь электроны покидают поверхность и начинают шествие вдоль силовых линий поля. Равен отношению покидающих катод электронов к числу падающих сюда ионов за единицу времени.

Оба коэффициента растут вместе с разницей потенциалов. После несамостоятельного разряда отмечается лавинообразная ионизация с образованием меж электродами облака положительного заряда. Этот момент соотносится с возникновением короны. Дальнейшее повышение напряжения приводит к нарушению стационарности положительного облака, и ток начинает колебаться в районе конкретного значения.

Изложенное называется теорией Роговского и поясняет, где возникает корона, как образуется искрение. Все определяется полётом электронов и пространственным распределением заряда. Главный признак – не происходит короткого замыкания цепи при коронном разряде, как происходит при искрении (кратковременно) или дуге (постоянно).

Коэффициент альфа определяет удалённость свечения от электрода. Гамма скорее характеризует геометрическую форму поверхности и разницу потенциалов, приведшую к появлению разряда.

Особенности коронного разряда

Коронный разряд обычно возникает в месте с наименьшим радиусом кривизны. Если это линия, максимальная вероятность образования проявляется на механическом дефекте. Область наиболее частого возникновения заряда называется коронирующей, либо коронирующим электродом. Проводник – под положительным или отрицательным потенциалом. Соответственно, различают и короны аналогичного рода (см. выше).

Положительный и отрицательный разряд отличаются внешним видом. В первом случае свечение равномерное, во втором имеются эпицентры по поверхности провода. Механизм процесса меж электродами:

1. В начале возникает несамостоятельный разряд. Это происходит за счёт случайного действия: капли дождя, порыв ветра и пр.
2. Если разница потенциалов продолжит расти, образуется слабое свечение в районе провода, сопровождаемое еле слышным потрескиванием. Вызывающее напряжение называется критическим, либо начальным.
3. При дальнейшем росте разницы потенциалов (напряжение искрового пробоя) ток растёт по квадратичному закону, свечение становится сильнее. Начинают проскакивать искры со всевозрастающей частотой.
4. Тотальное увеличение разницы потенциалов вызывает дуговой разряд, проявляющийся как короткое замыкание цепи. Его горение сложно остановить.

Важно! Критическое и искровое напряжение отличаются для положительной и отрицательной короны.

Итак, коронный разряд в лабораторной установке является предшественником искрового, а искровой – дугового. На практике при номинальном напряжении сети электрики не слишком беспокоятся о защите. Возможно повысить вольтаж на 10% без особого ущерба, если в указанной местности не бывает частой непогоды, преимущественно песчаных бурь.

Если расстояние между электродами слишком мало, коронный разряд не образуется: после несамостоятельного немедленно идёт искровой. Провода в ЛЭП стараются разнести на дистанцию, применяют керамические изоляторы. Коронный разряд часто заменяется кистевым, если присутствует ярко выраженное острие. Оба лишь формальное обозначение идентичного явления.

Коронный разряд | это… Что такое Коронный разряд?

У этого термина существуют и другие значения, см. Разряд.

Коронный разряд на зубцах металлической шестерни

Коронный разряд на обмотке высоковольтной катушки

Коро́нный разря́д — это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.

Возникает при сравнительно высоких давлениях (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряжённость поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название).

На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью сокращения потерь на общую корону применяется расщепление проводов ЛЭП на 2, 3, 5 или 8 составляющих, в зависимости от номинального напряжения линии [для уменьшения тока в проводнике]. Составляющие располагаются в углах правильного многоугольника (или на диаметре окружности, в случае расщепления на 2 составляющих), образуемого специальной распоркой.

В естественных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах — т. н. огни святого Эльма.

Применение

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).

Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.

Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа — это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

Иногда можно использовать так называемый «системный» способ уменьшения потерь мощности на корону. В зависимости от обстоятельств (температура, влажность и т. д.) диспетчер уменьшает напряжение в линии до определенной величины.

В связи с этим задаются наименьшие допустимые сечения по короне:

• 110 кВ — 70 мм² (сейчас рекомендуется использовать сечение 95 мм²).
• 150 кВ — 120 мм².
• 220 кВ — 240 мм².

См. также

• Тлеющий разряд
• Искровой разряд
• Дуговой разряд
• Газовый разряд
• Эффект Кирлиан

Литература

• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3
• http://www.energo-info.ru/images/pdf/Kutuzova.pdf

Коронный разряд – его последствия и методы их снижения

Передача электроэнергии обычно имеет дело с очень высокими напряжениями, поскольку большое количество электроэнергии должно передаваться от электростанций к центрам нагрузки. При таком высоком напряжении появляется эффект, называемый коронным эффектом . Поскольку этот коронный эффект приводит к потере электрической энергии, его также называют коронным разрядом

.

Что такое коронный эффект в линии электропередачи?

Вы когда-нибудь слышали шипящий звук, стоя под высоковольтной линией электропередачи? Этот шипящий звук вызван коронным разрядом . Коронный разряд обычно сопровождается шипением или треском, слышимым шумом, визуальным фиолетовым свечением, выделением озона вокруг проводника, потерей мощности и радиопомехами.

При приложении разности потенциалов между двумя проводниками в воздухе создается градиент потенциала (или электрическое поле). Этот градиент потенциала максимален на поверхностях проводников. Под действием этого градиента потенциала имеющиеся в воздухе свободные электроны приобретают большие скорости. Некоторые свободные электроны всегда присутствуют в воздухе из-за космических лучей, УФ-излучения и т. д. Чем больше приложенное напряжение, тем больше градиент потенциала и, следовательно, больше скорость свободных электронов.

Когда градиент потенциала на поверхности проводника достаточно велик (около 30 кВ/см), существующие свободные электроны сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха с достаточной скоростью, чтобы выбить из него один или несколько электронов. Следовательно, происходит кумулятивная ионизация воздуха вблизи поверхностей проводников. Ионизированный воздух является частично проводящим. Электрический разряд возникает из-за ионизированного воздуха, что приводит к коронному разряду. А если проводники находятся достаточно близко друг к другу, воздушная изоляция пробивается и через искру возникает электрический разряд.

Минимальное напряжение фазы-нейтрали, при котором начинается коронный разряд, называется

критическим напряжением пробоя . А минимальное напряжение фазной нейтрали, при котором появляется визуальное свечение короны на всем протяжении проводников, называется визуальным критическим напряжением .

Факторы, влияющие на корону

• Атмосфера: Как уже объяснялось, корона образуется из-за ионизации воздуха. В воздухе всегда есть свободные электроны (что означает, что воздух в небольшой степени предварительно ионизирован). Однако в штормовую погоду количество свободных электронов больше, чем в нормальных условиях. В таком случае корона возникает при гораздо меньшем напряжении.
• Размер проводника: Коронный разряд также зависит от формы и размера проводников. Неровности на поверхности проводника концентрируют электрическое поле в определенных местах, что приводит к коронному разряду в этих местах. Таким образом, многожильный проводник дает больше коронного разряда, чем одножильный проводник с гладкой поверхностью. Кроме того, проводники большого диаметра имеют меньший градиент электрического поля на поверхности. Следовательно, проводники большого диаметра создают меньшую корону, чем проводники малого диаметра.
• Расстояние между проводниками: Увеличенное расстояние между проводниками снижает электрические напряжения между ними. И, следовательно, чем больше расстояние между проводниками, тем меньше образование короны.
• Сетевое напряжение: Как уже объяснялось, чем меньше сетевое напряжение, тем меньше ионизация окружающего воздуха. Коронный разряд начинает происходить, когда напряжение становится выше минимального критического напряжения, называемого критическим напряжением пробоя.

Как уменьшить коронный разряд?

Коронный разряд всегда сопровождается потерей мощности (которая рассеивается в виде звука, света, тепла и химического воздействия). Хотя это составляет небольшой процент от общих потерь, потери мощности из-за коронного разряда становятся значительными в плохих или влажных погодных условиях. Коронный разряд можно уменьшить следующими способами:

• Путем увеличения размера проводника: Как объяснялось выше, чем больше диаметр проводника, тем меньше коронный разряд.
• Путем увеличения расстояния между проводниками: Чем больше расстояние между проводниками, тем меньше корона.
• Использование пучков проводов: Использование пучков проводов увеличивает эффективный диаметр проводника. Это приводит к уменьшению коронного разряда.
• Использование коронирующих колец: Электрическое поле больше там, где кривизна проводника резкая. Поэтому коронный разряд возникает сначала на острых концах, кромках и углах. Чтобы смягчить это, коронирующие кольца используются на клеммах оборудования очень высокого напряжения, например, на вводах трансформатора очень высокого напряжения (коронный разряд также происходит в высоковольтном оборудовании). Коронирующее кольцо электрически соединено с высоковольтным проводником, охватывающим точки, в которых может возникнуть коронный разряд. Это значительно снижает градиент потенциала на поверхности проводника, так как кольцо распределяет заряд по более широкой площади благодаря своей гладкой округлой форме.

Коронный разряд на коронном кольце ВЛ 500 кВ Источник изображения: Wikimedia commons

Коронный разряд | Коронный разряд для модификации поверхности

В мире производства для производства конкретных продуктов предпочтение отдается конкретным материалам. Хотя эти материалы могут иметь положительные характеристики, такие как пластичность, прочность и термостойкость, например, они могут не иметь поверхностной энергии, необходимой для того, чтобы хорошо воспринимать клеи, покрытия, краски или печать. Если эти процедуры не прилипают должным образом, они отслаиваются, отслаиваются и терпят неудачу. В результате получается некачественный продукт.

Низкая поверхностная энергия некоторых материалов часто приводит к плохой адгезии красок, клеев и покрытий, поскольку они обладают значительно высокой поверхностной энергией. Для достижения оптимальной адгезии жизненно важно, чтобы поверхностная энергия основного материала была равна или превышала поверхностную энергию вещества, которое на него наносится, такого как клей или краска. К счастью, коронный разряд можно использовать для эффективной активации поверхности, чтобы сделать ее более восприимчивой к покрытию.

Что такое коронный разряд?

Коронный разряд — это метод модификации поверхности, в котором используется низкотемпературная плазма коронного разряда для изменения свойств поверхности. Плазма короны генерируется путем подачи высокого напряжения на электрод с острым концом, где образуется плазма. Линейный массив электродов часто используется для создания светящейся голубовато-фиолетовой завесы коронной плазмы, через которую проходит обрабатываемый материал. Это вызывает активацию поверхности материала, увеличивая его поверхностную энергию за счет бомбардировки ионами плазмы.

Плазменная обработка проводится двумя основными способами: вакуумной и атмосферной плазмой. Вакуумная плазма использует вакуумный насос для удаления большей части воздуха из камеры, создавая среду с низким давлением, способствующую ионизации оставшегося воздуха или газов с помощью сильного электрического поля, создающего плазму.

Коронный разряд представляет собой атмосферную плазму, не требующую вакуума. Производится за счет электрического возбуждения воздуха или газов, когда они проходят через сопло при окружающей атмосфере или нормальном давлении с использованием импульсной электрической дуги, генерируемой высоковольтным разрядом, что позволяет применять плазменную обработку непосредственно в процессе производственной сборки. Без использования вакуумной камеры очень длинные изделия могут быть легко обработаны за короткое время непосредственно перед склеиванием, склеиванием или нанесением покрытия.

Какие материалы и изделия могут получить пользу от коронного разряда?

Обработка коронным разрядом очень эффективна практически для любого формата поверхности, включая объемные объекты, листы и рулонные материалы, которые обрабатываются в формате полотна. Коронные разряды широко используются для обработки различных материалов и продуктов в производстве пластиковой пленки, экструзии и переработке, в том числе:

• Полипропилен
• Поливинилхлорид (ПВХ)
• Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)
• Полиэтилен
• Винил
• Бумага
• Заготовка картона

Существует несколько основных конфигураций систем обработки коронным разрядом, используемых для обработки материалов в форме полотна. Они определяются главным образом расположением диэлектрического материала на станции: обычные, голые рулоны, двойной диэлектрик и трансформируемые. Конфигурация, которая лучше всего подходит для данного приложения, зависит главным образом от обрабатываемого материала.

Обработка поверхности коронным разрядом — это эффективный и действенный процесс увеличения поверхностного натяжения широкого спектра материалов, деталей и упаковки с целью получения поверхности, более восприимчивой к краскам, покрытиям или клеям. Этот высокостабильный и контролируемый процесс продолжает адаптироваться для новых применений с использованием как стандартных, так и инновационных материалов.

Чтобы узнать больше об использовании плазмы в производстве, прочитайте нашу электронную книгу под названием «Руководство производителя по активации поверхности для улучшения адгезии».

 

 

Воздействие коронного разряда на поверхности

Поверхности, обработанные коронной плазмой, могут подвергаться различным воздействиям. Известно, например, что фторопласты, такие как фторированный этиленпропилен (ФЭП) или политетрафторэтилен (ПТФЭ), обладают улучшенной адгезией после обработки.