Διερεύνηση της κρουστικής εκκένωσης κορώνα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς

Abstract

Surge corona characteristics on overhead transmission lines are investigated. Using computational models that consider the ionization processes in corona discharge, the corona inception field of conductors typically utilized in overhead transmission lines is estimated. The interactive effects of line conductor geometry, voltage polarity as well as atmospheric conditions on corona inception field are assessed and discussed based on the ionization area around the conductor. An empirical model for the straightforward estimation of the corona inception field of line conductors is introduced, accounting well for the effects of conductor geometry, voltage polarity and atmospheric conditions. The proposed model is a useful tool for designing overhead transmission lines, allowing for the evaluation of corona activity as well as for the estimation of the surface irregularity factor of line conductors in service. Corona characteristics under steady or slowly varying electric fields should not extend to the case of surge corona. Thus, inception and growth characteristics of surge corona on cylindrical conductors, as affected by the spatial and temporal variations of the electric field, as well as atmospheric conditions, are investigated. Surge corona on line conductors may initiate and grow in various modes, namely glow, intermittent or stable streamer discharge. These modes are associated with different temporal variations of growth characteristics, critically dependent on the wavefront steepness of the electric field stress. Based on experimental data, a model for estimating surge corona inception and growth characteristics is introduced. The proposed model can be easily implemented in surge studies for the estimation of the attenuation and distortion of overvoltage surges propagating on overhead transmission lines. In transient studies, neglecting corona effects on surges propagating along line conductors and incoming to the connected substations may result in over-designed insulation systems and means for overvoltage protection. Thus, knowledge of surge corona characteristics is essential for improving the design of insulation systems and reliability of power systems.

Σκοπό της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της κρουστικής εκκένωσης κορώνα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς. Αρχικά διερευνήθηκε η έναυση της εκκένωσης κορώνα κυλινδρικών αγωγών υπό συνθήκες συνεχούς ή βραδέως μεταβαλλόμενης ηλεκτρικής καταπόνησης. Εκτιμήθηκε το πεδίο έναυσης κορώνα τυπικών αγωγών εναέριων γραμμών μεταφοράς μέσω ενός θεωρητικού μοντέλου το οποίο ενσωματώνει κριτήρια έναυσης εκκένωσης κορώνα βασιζόμενα στην ανάπτυξη μιας κρίσιμης ηλεκτρονικής στιβάδας στην περιοχή ιονισμού γύρω από τον αγωγό. Αποσαφηνίστηκαν οι επιδράσεις της γεωμετρίας του αγωγού, της πολικότητα της τάσης καταπόνησης και των ατμοσφαιρικών συνθηκών στο πεδίο έναυσης της εκκένωσης και αναπτύχθηκε ένα εμπειρικό μοντέλο προσδιορισμού του, το οποίο αποτελεί εύχρηστο εργαλείο αξιολόγησης της δραστηριότητας κορώνα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς καθώς και εκτίμησης του συντελεστή ανομοιομορφίας των αγωγών σε λειτουργία. Τα χαρακτηριστικά της εκκένωσης κορώνα υπό συνεχή ή βραδέως μεταβαλλόμενη ηλεκτρική καταπόνηση ωστόσο, δεν επεκτείνονται καθολικά στην περίπτωση της κρουστικής ηλεκτρικής καταπόνησης. Συνεπώς στη συνέχεια διερευνήθηκε συστηματικά η επίδραση της κατανομής του πεδίου, της κυματομορφής της υπέρτασης (πολικότητα, εύρος και κλίση του μετώπου) και των ατμοσφαιρικών συνθηκών στα βασικά χαρακτηριστικά έναυσης και ανάπτυξης της εκκένωσης κορώνα γύρω από κυλινδρικούς αγωγούς υπό συνθήκες κρουστικής καταπόνησης. Προσδιορίστηκαν οι διαφορετικές μορφές έναυσης της κρουστικής εκκένωσης κορώνα γύρω από κυλινδρικούς αγωγούς και αποσαφηνίστηκαν οι συνθήκες υπό τις οποίες η έναυση της κρουστικής κορώνα γίνεται με τη μορφή αίγλης, σποραδικών νηματίων ή ευσταθούς εκκένωσης νηματίου. Στο πλαίσιο της διατριβής διερευνήθηκαν μέσω συστηματικών πειραμάτων κλίμακας τα χαρακτηριστικά έναυσης και ανάπτυξης της κρουστικής εκκένωσης κορώνα. Στη βάση αυτών των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και πειραματικών δεδομένων της διεθνούς βιβλιογραφίας αναπτύχθηκε μοντέλο εκτίμησης των βασικών χαρακτηριστικών έναυσης και ανάπτυξης της κρουστικής εκκένωσης κορώνα γύρω από κυλινδρικούς αγωγούς. Μέσω της εφαρμογής του προτεινόμενου μοντέλου, δείχθηκε η δυνατότητα εκτίμησης της εξασθένισης και παραμόρφωσης των οδευόντων κυμάτων υπέρτασης σε εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, η διατριβή συμβάλλει στην ακριβέστερη εκτίμηση των εισερχόμενων υπερτάσεων στους διασυνδεδεμένους υποσταθμούς και κατά συνέπεια στην ορθότερη διαστασιολόγηση των μονώσεων και των μέσων προστασίας έναντι υπερτάσεων, συνεισφέροντας σημαντικά στην πιο αξιόπιστη και οικονομική λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας.