پدیده کرونا

پديده كرونا در اطراف خطوط فشار قوي كه جريان متناوب دارند باعث مقداري تلفات الكتريكي و در شديدترين حالت منجر به قوس الكتريكي و تخليه كامل مي شود. مهمترين علامت آن بوجود آمدن هاله اي نوراني اطراف خطوط فشار قوي است . كرونا در واقع يونيزه شدن نيتروژن هوا است و علت وجود تلفات انرژي ايجاد نور و حرارت در اطراف سطح هادي است . نشانه هاي كرونا شامل نور كه بسته به شدت كرونا طول موج آن از مادون قرمز تا ماوراي بنفش تغيير مي كند. نشانه‌هاي ديگر صداي جرقه‌هاي كوچك الكتريكي و تشكيل گاز ازن (كه بوي آن در محيط اطراف قابل تشخيص است) و بوجود آمدن اسيدنيتريك در اثر تركيب نيتروژن جدا شده از هوا با رطوبت موجود در هوا است كه به صورت گرد سفيد اطراف سيم ها نمايان مي شود.
اگر ولتاژ متناوبی را بین دو هادی که در نزدیکی یکدیگر قرار دارند اعمال کنیم و آن را به تدریج افزایش دهیم به وضعیتی می رسیم که پدیدهی کرونا اتفاق می افتد.
اگر سطح هادی ناهموار باشد در لبه ها و نقاط تیزتر به علت افزایش چگالی بار، کرونا شدیدتر خواهد بود و پرتو نور ساطع شده درخشان تر است . همچننی اگر فاصله بین هادیها بسیار کم باشد(کمتر از قطر یکی از آنا) قبل از تشکیل کرونا جرقه صورت می گیرد.

علت بوجود آمدن پدیده کرونا :
 

وقتی ولتاژ متناوب که شکل موج سینوسی دارد به حد ولتاژ کرونا برسد ( ولتاژ یونیزاسیون عایق گازی) به علت یونیزه شدن گاز جریان یونیزاسیون به جریان عادی هادیها اضافه می شود و باعث غیر سینوسی شدن شکل موج جریان می شود که این موج غیر سینوسی به خاطر داشتن هارمونی های بالا باعث ایجاد پارازیت وتداخل رادیویی و اغتشاش در مدارهای مخابراتی مجاور آن می شود.

عوامل موثر بر کرونا:
 

1- شرایط جوی:
 

عواملی مانند چگالی هوا، میزان رطوبت ، باران ، طوفان و صاعقه ها شدید که ولتاژ شکست هوا را تغییر می دهند بر وقوع کرونا موثر هستند . صاعقه های شدید باعث ایجاد ذرات باردار در هوا می شود و این ذرات باردار به علت وجود میدان در اطراف هادیها جمع می شوند و باعث پایین آمدن ولتاژ کرونا می شوند.

2-شرایط هادی ها :
 

شرایط فیزیکی هادیها که باعث تغییر ولتاژ کرونا می شود به سه دسته تقسیم می شود :
هر چه هادیها بزرگتر باشد سطح خارجی آنها بزرگتر می شود و شدت میزان به ازای واحد سطح کمتر می شود با کم شدن شدت میدان ولتاژ کرونا نیز افزایش می یابد.
وقتی کرونا بوجود می آید و هوای اطراف هادیها را یونیزه می کند، یونها در اطراف سطح هادیها جمع می شود و لایه نازکی از هادی را بوجود می آورند وسطح هادی را افزایش می دهند و از بیشتر شدن اثر کرونا جلوگیری می کند.
البته متناسب با زیاد شدن شعاع هادیها فاصله ی آنها نیز باید بیشتر شود و اگر به اندازه کافی از هم فاصله نداشته باشند قبل از وقوع کرونا جرقه کامل ایجاد می شود.
هر چه ناهمواری سطح هادیها بیشتر باشد به علت شدت بیشتر میدان در لبه ها و نقاط نوک تیز ، کرونا در آن نقاط در ولتاژ پایینتری رخ می دهد . در هادیهای چند رشته به خاطر این که بین رشته ها ناهمواری ایجاد می شود در نقاط تیزتر آن کرونا زودتر اتفاق می افتد.
با عبور جریان از هادیها دمای آن بالا می رود و باعث می شود شبنهای ریز ناشی از رطوبت هوا تبخیر شود و در نتیجه ناهمواری سطح کاهش پیدا می کند و ولتاژ کرونا افزایش می یابد.
کرونا مزیت هایی را نیز دارد که مهمترین آن ، این است که هنگام برخوردصاعقه شدید با خطوط انتقال برق مانند یک شیر اطمینان عمل می کند و ولتاژ اضافه ی ناشی از صاعقه به صورت تلفات کرونا از بین می رود . بنابراین غلب ولتاژ خط را طوری طراحی می کنند که به ولتاژ بحرانی کرونا نزدیک باشد تا با برخورد صاعقه بلافاصله کرونا تشکیل شود.
مکانیزم شکست و تخلیه الکتریکی را می توان به سه شکل شکست در عایق های جامد، مایع و گاز تقسیم بندی کرد:

-عایق جامد:
 

این عایق ها نسبت به انواع مایع و گاز کاربرد بیشتری دارد زیرا هم از نظر مکانیکی و هم از نظر الکتریکی دارای مقاومت بیشتری نسبت به انواع مایع و گاز هستند و استفاده از آنها راحت تر است . اما اینعایق ها یک اختلاف یا ایراد نسبت به انوع دیگر دارند بدین معنی که پس از وقوع شکست و تخلیه الکتریکی به خاطر تغییر شکل فیزیکی و ایجاد حفره ی دائمی دیگر قابل استفاده نخواهد بود . اما انواع مایع وگاز پس از شکست دوباره به حالت اولیه بر می گردندو قابل استفاده خواهند بود.
مکانیزم شکست در عایق های جامد را می توان به پنج دسته تقسیم کرد که شامل شکست ذاتی، شکست الکترومکانیکی، شکست حرارتی، شکست فرسودگی و شکست لبه ها هستند.

1- شکست ذاتی:
 

در این شکست که عادی ترین نوع آن است اگر عایق در یک میدان الکتریکی بالاتراز حد تحمل خود قرار بگیرد دچار شکست وتخلیه الکتریکی می شود که این ماکزیمم ولتاژ قابل تحمل عایق به نوع آن بستگی دارد.
از عواملی که باعث می شود این ولتاژ شکست کاهش پیدا کند می توان وجود ناخالصی و حرارت را نام برد.
وقتی ذرات ناخالصی که معمولاً تحت تاثیر میدان زودتر از خود عایق الکترون از دست می دهد، در عایق وجود داشته باشد باعث می شود الکترون های عایق بیشتر شود و عایق زودتر دچار شکست شود . البته از دست دادن الکترون به معنای جدایی کامل آن از اتم نیست بلکه الکترون به تراز انرژی بالاتری به نام تراز هدایت منتقل می شود . وجود حرارت هم سطح انرژی الکترون ها را بالا می برد.

2- شکست الکترومکانیکی:
 

وقتی یک عایق جامد در یک میدان الکتریکی قوی قرار می گیرد بر آن نیروی جاذبه مکانیکی وارد می شود و از دو طرف به عایق فشار وارد می شود وبسته به میزان مقاومت مکانیکی آن قطر عایق کاهش پیدا می کند و ولتاژ شکست عایق کمتر می شود.

3- شکست حرارتی:
 

در عایق ها و نیمه هادیها (برخلاف هادی ها) با افزایش درجه حرارت مقاومت الکتریکی کم می شود و جریان بیشتری از آن عبور می کند . دو علت برای بالا رفتن دما وجود دارد :
1- وجود جریان اندکی که از عایق می گذرد چون هیچ عایقی نمی تواند به طور مطلق جلوی عبور جریان را بگیرد.
2- جدا شدن مرکز تجمع الکترون و بارهای مثبت اتم به خاطر وجود میدان است (پلاریزاسیون) زیرا با قرار گرفتن در میدان برای این که ابر الکترونی به سمت قطب مثبت میدان متمایل شود اتم از میدان مقداری انرژی کسب می کند و گرم تر می شود.
اگر حرارت ایجاد شده در عایق سرعت تولید بیشتری نسبت به حرارتی که عایق به محیط اطراف منتقل می کند داشته باشد و یا دمای محیط اطراف هم به خاطر دفع گرمای عایق بالا رود عایق گرم تر می شود و در نتیجه جریان بیشتری را از خود عبور می دهد و روند گرم شدن آن سریعتر میشود تا جایی که حرارت و جریان به سرعت افزایش یافته وباعث شکست عایق و ایجاد قوس الکتریکی در آن می شود .
اگر ولتاژ اطراف عایق از نوع متناوب باشد به دلیل تغییر جهت دائم میدان الکتریکی در هم نیم سیکل ولتاژ AC ، ابر الکترونی باید جهت خود را عوض کند و با هر بار تغییر جهت ، مقداری انرژی از میدان کسب می کند . بنابراین دمای یک عایق در برابر ولتاژ AC ،نسبت به ولتاژ DC با سرعت بیشتری بالا می رود.

4- شکست فرسودگی:
 

فرسودگی عایق معمولاً به صورت حفره ها و یا فضاهای خالی پراکنده در داخل آن نمایان می شود که این حفره ها ممکن است بسیار کوچک باشد البته وجود حفره در عایق سالم و نو نیز قابل انکار نیست زیرا هر چقدر هم کیفیت ساخت عایق بالا باشد باز هم حفره هایی درون آن وجود خواهد داشت .
در داخل این حفره ها یا گاز(معمولاً هوا) یا مایع (معمولاً آب) است که هر دوی این حد شکستی کمتر از عایق های جامد دارند . پس در میدانی که عایق جامد به راحتی می تواند تحمل کند گاز یا مایع درون حفره نمی تواند تحمل کند و دچار شکست می شود . این نوع شکست مقطعی است و فقط مختص محدوده حفره می شود اما با هر شکست و تخلیه الکتریکی هر حفره ، آن حفره بزرگتر می شود و به تدریج حفره ها به هم متصل می شود و عایق دچار روند فرسودگی می شود تا اینکه این حفرهها به صورت یک رشته کامل در تمام طول عایق در آید و عایق دچار شکست و تخلیه کامل شود.

5- شکست در لبه ها :
 

هنگامی که یک عایق تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد ، شدت میدان در لبه های عایق بیشتر است و می تواند باعث ایجاد جرقه هایی در ناحیه لبه ها شود که این جرقه های سطحی به تدریج باعث خوردگی و از بین رفتن عایق می شود و به داخل آن نفوذ می کند . این نوع شکست به صورت شاخه ای به درون عایق پیشروی می کند ، تا آنکه باعث ایجاد قوس الکتریکی کامل و خرابی عایق می شود.
- تخلیه الکتریکی سطحی: این نوع تخلیه هنگامی صورت می گیرد که عایق جامد در تماس با عایق گازی یا مایع باشد . یعنی عایق جامد تمام فضایی را که میدان در آن تاثیر می گذارد پر نکرده باشد و چون ولتاژ شکست عایق گازی معمولاً کمتر از عایق های جامد است شکست ابتدا در عایق گازی به وجود می آید ، اما این شکست تخلیه الکتریکی فقط در قسمتی از عایق جامد یا عایق گازی در تماس است اتفاق می افتد و در قسمتهای فقط گازی تخلیه صورت نمی گیرد، زیرا اولا در سطح عایق جامد همیشه ناهمواری هایی وجود دارد و چون در نقاط فرورفتگی شدت میدان بیشتر است زود شکست صورت می گیرد و گاز یونیزه میشود . ثانیاً در سطح جامد همیشه ناخالصی هایی وجود دارد (مانند گرد و غبار) که این ناخالصیها و آلودگی ها معمولا ولتاژ شکستی پایین تر از عایق گازی دارد و باعث می شود که فصل مشترک عایق جامد وگاز زودتر از عایق گازی دچار تخلیه و شکست شود.
عایق های گازی: مهمترین شرایط ایجاد جریان الکتریکی در یک گاز وجود الکترونهای آزاد و یونهای مثبت در آن گاز است و تا وقتی تمام مولکولها یا اتمهای یکگاز خنثی باشند جریانی از آن ها عبور نخواهند کرد . اما اگر به دلیلی حتی برای مدت بسیار کوتاه الکترونها از اتمها با مولکول جدا شود بلافاصله تبدیل به هادی می شود.
یک عایق گازی هنگامی که دچار شکست می شود که یک نیروی خارجی که توانایی جدا کردن الکترون را داشته باشد بر آن وارد می شود و گاز دچار پدیده یونیزاسیون شود.
انواع یونیزاسیون شامل یونیزاسیون ضربه ای، نوری، حرارتی و سطحی می باشد .

1- یونیزاسیون ضربه :
 

اگر ذره ای مثل الکترون یا یک اتم پر انرژی با یک اتم یا مولکول خنثی در گاز برخورد کند انرژی خود را به آن اتم یا مولکول می دهد و اگر این انرژی آنقدر باشد که توانایی جدا کردن الکترون را از اتم خنثی داشته باشد آن را تبدیل به یون می کند . ذره ی برخورد کننده اگر از نوع الکترون یا یون باشد انرزی خود را می تواند از میدان کسب کند و نیز ممکن است برخورد در چند مرحله انجام شود یعنی بار اول ذره انرژی کافی برای جدا کردن الکترون را نداشته باشد و چون انرژی خود را به الکترون می دهد الکترون انرژی کمتری برای جدایی کامل نیاز دارد تا اینکه با برخوردی دیگر به طور کامل از اتم جدا می شود.

2- یونیزاسیون نوری:
 

عامل دیگری که می تواند به الکترون انرژی لازم برای جدا شدن را بدهد ، امواج الکترومغناطیس با فرکانس بالا یا همان فوتون پر انرژی می باشد . مهمترین منبع برای یونیزاسیون نوری برگشت یونها و مولکولهای تحریک شده به وضعیت عادی است زیرا وقتی یک یون به اتم خنثی تبدیل می شود و نیز هنگامی که اتم یا مولکول تحریک شده به وضعیت عادی برگردد دچار افت انرژی یم شود و قسمتی از این انرژی را به صورت فوتون از دست می دهد . موارد دیگری مانند پرتوهای کیهانی ویا اشعه ماورای بنفش خورشید نیز هستند که باعث می شود گازها مقدار کمی الکترون آزاد داشته باشد.

3- یونیزاسیون حرارتی:
 

طبیعتاً هر چه دمای گاز بالاتر رود سرعت حرکت مولکولهای آن هم زیادتر و در نتیجه تعداد برخوردها بیشتر می شود اما دمایی که بتواند منجر به یونیزه شدن گاز شود دمای بسیار بالایی (چندین هزار درجه است ) که در حالت عادی به این دما نمی رسد . یکی از مواردی که می تواند گاز را تا این حد گرم کند قوس الکتریکی است .

4- یونیزاسیون سطحی:
 

این پدیده در سطح تماس بین عایق گازی و الکترودهایی که در دو طرف آن قرار گرفته است به وجود می آید ، طوری که دیگر الکترون آزاد مربوط به گاز نیست بلکه الکترون از سطح الکترودها خارج می شود . البته تحت شرایط خاصی این اتفاق می افتد، چون نیروی بین شبکه یونی فلز و الکترودهای آزاد اجازه خروج الکترون را نمی دهد و باید الکترون انرژی لازم برای غلبه بر این نیرو را به دست آورد .
الف- فوتو هایی که دارای انرزی بیشتر از انرژی آزاد سازی باشند در صورت برخورد با الکترون ها می توانند آنها را از سطح فلز آزاد کنند . البته هیچ وقت تمام فوتونهای برخوردی این کار را انجام نمی دهند بلکه مقداری از آنها باز تابیده می شوند و مقداری نیز صرف گرم کردن فلز می شود.
ب- بمباران سطح کاتد توسط یونهای اتمهای تحریک شده هم می تواند منجر به خروج الکترون از سطح الکترود شود . یونها هنگام بوجود آمدن دارای انرژی جنبشی هستند که این انرژی هنگام برخورد با کاتد به الکترون منتقل و باعث جدا شدن آن از سطح کاتد می شود . حتی یونهایی که انرژی کافی ندارد هم هنگام برخورد با انتقال انرژی پتانسیل خود باعث جدا شدن الکترون می شوند(نحوه ی این نوع انتقال به درستی مشخص نشده ولی آزمایش آن را به ثبات رسانده)
از بین انواع یونیزاسیون نوع ضربه ای از اهمیت بالاتری برخوردار است زیرا نوع حرارتی نیاز به دمای خیلی بالا دارد .مانند دمای قوس الکتریکی کا گازها در این دما قرار ندارند . نیز گازها معمولاً در برابر امواج مغناطیسی با طول موج پایین قرار نمی گیرند و یونیزاسیون سطحی نیز نیاز به میدان الکتریکی خیلی قوی دارد تا به یون انرژی کافی بدهد.
- پدیده بهمن الکترونی و تخلیه الکتریکی تانزند 1:
اگر به دو الکترود که بین آنها یک گاز قرار دارد منبع ولتاژی نصب کنیم جریان بسیار کمی برقرار می شود . علت برقراری این جریان وجود تعداد کمی الکترونآزاد است که در اثر یونیزاسیون اندک نوری و یا سطحی بوجود آمده اند . حال اگر این اختلاف پتانسیل زیاد شود، به خاطر افزایش سرعت این الکترونها و یونها هنگام رسیدن به آند و کاتد جریان عبوری کمی بیشتر می شود . اما از این حدی دیگر تغییری در جریان پیش نمی آید .با افزایش خیلی بیشتر اختلاف پتانسیل به حدی می رسیم (ولتاژ شکست گاز) که الکترونهای آزاد انرژی کافی برای جدا کردن الکترونهای اتم های خنثی و ایجاد یونیزاسیون ضربه ای پیدا می کند که باعث می شود تعداد الکترونهای آزاد بیشتر شود.
الکترونهای جدید نیز با دریافت انرژی از میدان در برخورد با اتمهای ایجاد الکترون می کند پس با افزایش ولتاژ تعداد الکترون ها به صورت تصاعدی زیاد می شود و ناگهان بهمنی از الکترون پدید می آید که باعث می شود جریان با سرعت زیادی افزایش پیدا کند و تخلیه کامل صورت می گیرد.
این نوع تخلیه الکتریکی را غیر مستقیم هم می گویند چون یک عامل خارجی(همان منبع ولتاژ) باعث ایجاد آن شده و در صورت قطع آن تخلیه انجام نمی شود.
تخلیه الکتریکی مستقل: اگر با ادامه ی عملیات قبل ولتاژ را باز هم بالاتر ببریم یونهایی که بهکاتد می رود آنقدر از میدان الکتریکی انرژی کسب می کنند که می توانند الکترونهایی اضافه می توانند الکترونهای بیشتری را آزاد کنند و روند باز هم به صورت تصاعدی پیش می رود تا جایی که عایق تبدیل به هادی شود . اگر منبع ولتاژ را قطع کنیم با زهم یونیزاسیون سطحی ادامه خواهد داشت و تخلیه قطع نمی شود .
شکست در عایقهای مایع: در مورد شکست وتخلیه الکتریکی عایق های مایع اطلاعات کمتری نسبت به نوع جامد وگاز وجود دارد . به طور کلی شکست عیاقهای مایع را می توان به شکست الکترونی ، شکست در اثر ذرات ناخالص جامد، شکست در اثر حبابهای ناخالص گازی و شکست در اثر قطرات مایعات دیگر تقسیم بندی کرد.

1- نظریه شکست الکترونی:
 

کاملاً شبیه تخلیه تانزند در گازها است که در صورت برقراری میدان الکتریکی سه مرحله دارد. اول یک جریان کم از آن عبور می کند که همان الکترونهای آزاد و ناخالصی ها باعث آن می شود سپس با افزایش میدان ، جریان مقداری بیشتر شده و ثابت می ماند.
سپس با افزایش خیلی زیاد ولتاژ به علت رسیدن انرژی الکترونها به مقدار کافی برای جادا کردن الکترون جدید جریان به سرعت زیاد می شود و تخلیه ثانوی بر اثر جدا شدن الکترون از کاتد هم به وقوع می پیوندد.

2- شکست در اثر ذرات ناخالصی جامد:
 

وجود ذرات ناخالصی جامد نظیر براده ی آهن و یا بقایای الیاف یا ذراتی که از صافی خالص سازی عایق به جا مانده می تواند باعث پایین تر آمدن ولتاژ شکست شود . هنگامی که عایق در یک میدان الکتریکی قرار گیرد این ذرات معلق به صورت منظم درجهت خطوط میدان قرار می گیرد و به صورت زنجیره ای متصل به هم بین دو الکترود قرار می گیرد و باعث می شود تخلیه به صورت جرقه های ریز بین این ذرات قرار بگیرد . اثر این جرقه ها دمای آن نقاط بالا رفته و در اثر تجزیه عایق مایع به وسیله جرقه و گرما مولکولهای آب تولید می شود که وجود رطوبت خود باعث ایجاد تخلیه الکتریکی می شود.

3- شکست در اثر حبابهای ناخالص گازی:
 

تخلیه های جزیی که ممکن است بر اثر مواردی مثل ناهمواری های الکترودها( در نقاط فرورفتگی و لبه ها که میدان قوی تر است ) باعث گرم شدن عایق و تجزیه آن می شود که باعث به وجود آمدن حبابهای گازی در عایق می شود.
این حبابها به صورت محلول یا غوطه ور در مایع یا چسبیده به سطح کاتد تشکیل می شود . البته موارد دیگری مثل تغییر درجه حرارت و یا هم زدن مایع نیز می تواند باعث حباب می شود . معمولاً چون شدت میدان داخل حبابها بیشتر از داخل عایق است (به خاطر آنکه حبابها از جنس گاز هستند ) و نیز استقامت الکتریکی حبابها کمتر از عایق مایع است حبابها زودتر دچار شکست می شوند و جرقه و تخلیه الکتریکی در داخل آن بوقوع می پیوندد.
جرقه های داخل حباب باعث گرم تر شدن مایع اطراف آنها و تبخیر آن می شود که در نتیجه حبابهای گازی بیشتری تولید می شود و این روند آنقدر ادامه می یابد که حبابها با قرار گرفتن درجهت میدان تشکیل یک زنجیره وحفره ی گازی بین دو الکترود بدهند و باعث تخلیه الکتریکی کامل می شود.

4- شکست در اثر ناخالصی قطرات مایع دیگر:
 

ناخالصی های مایع مثل ناخالصی های جامد عمل می کنند که مهمترین آنها آب یا همان رطوبت است . ذکر این نکته لازم است که این ناخالصی ها وقتی به صورت محلول هستند کمتر از حالت شناور بودن قطرات به عایق آسیب می رسانند.
ارسال توسط کاربر محترم سایت : mashhadizadeh
/ج