The initial stages of the onset of a corona discharge in a wet porous oxide layer during the passage of a high voltage c.pdf Введение До 30% от общих потерь при передаче электроэнергии по высоковольтным проводам с напряжением 300 кВ и выше составляют потери мощности на коронный разряд [1, 2]. Один из методов подавления коронного разряда - нанесение покрытий [3, 4]. Современным и перспективным методом формирования неорганических покрытий является микроплазменное оксидирование [5, 6], условия которого подобны тем, которые возникают во время коронного разряда на высоковольтных проводах при передаче по ним электрического тока [7, 8]. Для определения эффективности работы оксидных покрытий в области снижения потерь на коронный разряд особый интерес представляет рассмотрение начальной стадии возникновения коронного разряда, физических и химических процессов, возникающих на границе раздела фаз при прохождении импульсного электрического тока через поверхность металлического проводника, на котором находится пленка электропроводящей жидкости, для двух случаев: 1) когда металлическая поверхность проводника покрыта пористыми оксидными покрытиями, поры которых заполнены жидкостью (атмосферной влагой в виде дождя, тумана, талого снега и др.); 2) когда поверхность металлического провода гладкая и влажная. Моделирование начальной стадии возникновения коронного разряда определяет напряжение возникновения коронного разряда на пористой влажной поверхности, потери мощности при передаче энергии при возникновении коронного разряда и характеристики покрытий. Цели работы - исследование методом математического моделирования начальной стадии возникновения коронного разряда при прохождении переменного электрического тока высокого напряжения через металлические проводники с нанесенными пористыми оксидными покрытиями; оценка снижения потерь мощности на коронный разряд покрытиями, поры которых заполнены жидкостью. Моделирование возникновения коронного разряда В основу моделирования начальной стадии возникновения коронного разряда на влажной пористой поверхности положены следующие утверждения: 1. Строение оксидных слоев, прилежащих к поверхности металла, отличается от структуры и свойств окружающей среды. Жидкости и газы имеют внутреннее трение, поэтому на границе раздела фаз металл - влажный пористый оксидный слой имеется неперемешиваемый (или слабо перемешиваемый) пограничный гидродинамический слой [5-8]. Пористые влажные слои оксидных материалов в своих порах имеют неперемешиваемую жидкость. 2. Высокое напряжение запускает электрохимические реакции на границе раздела фаз металл - влажный пористый оксидный слой, которые приводят к изменению концентраций ионов на границе металл - влажный пористый оксидный слой и в пограничном слое жидкости на границе металл - жидкость. Эти процессы - последовательные. 3. Скорость электрохимической реакции зависит от потенциала. В рассматриваемом случае потенциал достигает 60 кВ и более. При столь высоких напряжениях реализуются все электродные реакции, причем в результате этих реакций получаются нейтральные атомы, молекулы или ионы, не участвующие в переносе заряда. Электрохимическая реакция быстрая, процесс переноса электричества не лимитирует. Лимитирующая стадия - стадия доставки ионов в пограничном слое жидкости путем диффузии и миграции. Другие виды переноса ионов в порах (конвекция и излучение) исключены. 4. Сила электрического тока в жидкости, находящейся в порах, определяется подвижностью и производной концентрации ионов, участвующих в электродной реакции. 5. Моделирование процесса прохождения электрического тока в жидкости, находящейся в порах, будет проводиться без учета сил расклинивающего давления, что справедливо при размерах пор, превышающих величину толщины двойного электрического слоя в 2 и более раза. 6. Описание диффузионно-миграционного механизма основано на уравнениях Фика, в которых коэффициент молекулярной диффузии Dм заменен на эффективный коэффициент диффузии Dэ. Справедливость такого подхода обоснована ранее [5, 6]. За напряжение принято напряжение на границе 1-3 (рис. 1). Рис. 1. Строение границы металл - влажный пористый оксидный слой (а) и металл - жидкость (б): 1 - металл, 2 - оксидный слой, 3 - пограничный слой жидкости, 4 - пора 7. При моделировании не рассмотрены электрические характеристики пористых оксидных материалов. Принято, что их электрическая прочность - высокая. Жидкость, проникающая в пору - это вода (дождь, туман, талый снег и др.), металл основы - алюминий (или другой вентильный металл - Ti, Zr, Mg и др.), покрытие - слой неорганического неметаллического пористого оксидного материала. Строение границы приведено на рис. 1. При положительно заряженной поверхности провода (аналог анода в электрохимической системе) на границе раздела фаз металл - влажный пористый оксидный слой основными протекающими на аноде электрохимическими реакциями будут выделение кислорода в результате электролиза воды и разряд ионов металла. Концентрация и подвижность ионов в пограничном слое жидкости определяют плотность, сопротивление и напряженность электрического поля, поэтому в основу моделирования положен поиск концентрационных распределений ионов в пограничном слое. Концентрационное распределение ионов при лимитирующей стадии доставки посредством диффузии и миграции ионов к поверхности границы раздела фаз в условиях отсутствия конвективного переноса определяется вторым законом Фика: , , . (1) Решение уравнения, описывающее распределение концентрации анионов внутри пор, имеет вид: , (2) где x - расстояние до поверхности металла, см; Dэ - эффективный коэффициент диффузии в жидкости, см2/с; t - длительность импульса тока, с; Со - объемная концентрация ионов, моль/л. Концентрация кислорода в воде принята 0.044 моль/л, коэффициент диффузии кислорода принят Dэ = 2.5•10-5 см2/с. На основании уравнения (2) смоделировано относительное концентрационное распределение ионов (С/Со) в зависимости от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла (рис. 2). Рис. 2. Зависимость относительного концентрационного распределения ионов (С/Со) от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла при Dэ = 2.5•10-5 см2/с При длительности импульса, равной 0.01 с (соответствует половине периода при частоте тока 50 Гц), концентрационные изменения затрагивают слои толщиной 15 мкм (рис. 2) - это сумма толщины пограничного слоя и толщины пористого покрытия, наиболее эффективно снижающая потери на коронный разряд. Распределение плотности тока в пограничном слое пористого оксидного покрытия, поры которого заполнены жидкостью, определяется уравнением , (3) где z - заряд иона (количество носителей заряда); F - постоянная Фарадея, Кл/моль; d1 - пористость (в случае гладкой влажной поверхности d1 = 1); Cо - концентрация, моль/л. Распределение удельного сопротивления в пограничном слое жидкости (r0) определяется подвижностью и распределением концентрации носителей заряда по толщине приэлектродного слоя: , (4) где ρ - удельное сопротивление при концентрации 1 моль/л. Падение напряжения U0 во влажном пористом покрытии определяется выражением , (5) где U1 - напряжение на границе 1; U3 - напряжение на границе 3 (рис. 1). Поскольку концентрационные изменения происходят в слое до 15 мкм при длительности импульса 0.01 с (50 Гц), распределение толщины покрытия определим в 15 мкм. Падения напряжения в зависимости от расстояния до поверхности металла, пористости и длительности импульса определяется соотношением (6) Падение напряжения в слое 15 мкм получено экспериментально из прямых измерений оголенного алюминиевого провода диаметром 5.5 мм и такого же провода с покрытием по отличию величины начала коронного разряда на поверхностях в одинаковых условиях. Оно соответствует 3.59 кВ (см. образец 1-3 в табл. 2); Ма - коэффициент (Ма = 600 для провода диаметром 5.5 мм). Интегрирование велось от 3•10-8 см (длина химической связи в молекуле воды) до 0.0015 см (толщина покрытия). Таким образом: (7) где U0 - задающее напряжение провода, В; Up - напряжение на границе воздух - влажный пористый оксидный слой, В. На основании уравнения (7) смоделировано распределение напряжения в пленке жидкости, расположенной на гладкой поверхности металла, в зависимости от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла (рис. 3). Для расчетов взята только восходящая часть - полуволна синусоиды, поэтому в модели длительность импульса равна 0.01 с. На рис. 4 смоделировано распределение плотности тока, рассчитанное по уравнению (3), в пленке жидкости, расположенной на поверхности пористого оксидного слоя, в зависимости от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла. Рис. 3. Распределение падения напряжения в пленке жидкости, расположенной на гладкой поверхности металла, в зависимости от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла: U1 = 60 кВ, Dэ = 2.5•10-5 см2/с, F = 96500 Кл/моль, d1 = 0.15 Рис. 4. Распределение плотности тока в пленке жидкости, расположенной на поверхности пористого оксидного слоя, в зависимости от длительности импульса тока и от расстояния до поверхности металла: Cо = 0.044 моль/л (концентрация кислорода в воде), Dэ = 2.5•10-5 см2/с, F = 96500 Кл/моль, d1 = 0.15 Потери мощности на коронный разряд при передаче электрической энергии определяются произведением напряжения на силу тока для разного строения поверхности (рис. 1): , (8) где U0 - задающее напряжение провода. Для определения эффективности работы оксидных покрытий в области снижения потерь мощности на коронный разряд рассчитаем распределение потерь мощности в пористом оксидном слое, пропитанном жидкостью, в зависимости от пористости покрытия W (рис. 5). Рис. 5. Распределение потерь мощности на коронный разряд в зависимости от толщины влажного пористого слоя покрытия (15-18 мкм) и длительности импульса тока: Cо = 0.044 моль/л, Dэ = 2.5•10-5 см2/с, F = 96500 Кл/моль, d1 = 0.15 Распределение потерь мощности на коронный разряд в пористом влажном слое покрытия в зависимости от его толщины (в диапазоне от 15 до 18 мкм) и длительности импульса тока для провода диаметром 5.5 мм представлено на рис. 5. Как следует из рис. 5, достаточное снижение потерь мощности на коронный разряд может быть получено при толщине покрытия до 15-18 мкм и при длительности импульса тока 0.01 с (длительность полупериода). Эффективность защиты от потерь мощности на коронный разряд (N, %) при передаче электрической энергии по проводам определяется отношением средних потерь мощности за время прохождения импульса на границе провода с влажным пористым наноструктурным неметаллическим неорганическим покрытием к средней потери мощности на границе с влажным металлическом проводом без покрытия: . (9) Численные расчеты позволяют говорить о снижении потерь мощности на коронный разряд до 80% для образцов провода диаметром 5.5 мм при пористости покрытия 0.15 при одинаковом исходном напряжении 60 кВ. Следует ожидать, что быстрые электродные реакции, происходящие в водной среде при высоком напряжении, приводят к уменьшению концентраций ионов (переносчиков заряда), увеличению сопротивления, что способствует появлению запирающего слоя в жидкости в порах покрытия и в пограничном слое. Моделирование (рис. 2 - 5) показало, что для уменьшения потерь мощности на коронный разряд при передаче электрической энергии в случае возникновения коронного разряда при длительности импульса 0.01 с нужно сформировать пористое покрытие толщиной до 20 мкм, которое может создать запирающий слой 3-4 кВ при воздействии импульсного напряжения. Нанесение пористых оксидных покрытий Для формирования покрытий использован импульсный источник питания «Корунд» [5]. Поскольку увеличение толщины формируемого на поверхности металла оксидного слоя сопровождается изменением сквозной пористости, проведены исследования образцов с различной толщиной покрытий, которая регулировалась длительностью импульса тока и продолжительностью нанесения покрытия. Известно [6], что в результате гальваностатического микроплазменного оксидирования получаются линейные поры, в результате импульсного - искривленные. На рис. 6 представлены микрофотографии поверхности и шлифов покрытий, полученных на алюминии в режиме микроплазменного импульсного (U = 440 В, ν = 50 Гц, τ = 100 мкс, t = 10 мин; рис. 6, а, б) оксидирования на установке «Корунд» в электролите, содержащем 15 г/л NaOH, 13 г/л H3PO4 (85%), 35 г/л H3BO3, 10 г/л NaF, и гальваностатического (U = 440 В, ν = 50 Гц, t = 10 мин; рис. 6, в) оксидирования. Рис. 6. Микрофотографии поверхности и шлифов покрытий, полученных в микроплазменных импульсном (а, б) и гальваностатическом (в) режимах [6] Поры покрытия, полученного в импульсном режиме (рис. 6, а, б), имеют сложный вид (разветвленные); не все поры, которые видны на поверхности, сквозные. Поры покрытия, сформированного в гальваностатическом режиме (рис. 6, в), прямые (линейные) [6] и также не все, сквозные. В обоих случаях поры распределены квазиравномерно. Электрофизические свойства покрытий Напряжение возникновения коронного разряда и потери мощности на коронный разряд при передаче электрической энергии регистрировали на базе лабораторной установки высокого напряжения (действующее напряжение - до 100 кВ) инженерной школы энергетики Томского политехнического университета. Для проверки эффективности покрытий в области снижения потерь на коронный разряд и для проверки разработанных моделей взяты провода диаметром 5.5 мм марки АС 300/39 ГОСТ 839.80 с микроплазменным покрытием, образец сравнения - новый провод АС 300/39 без покрытия. Провод устанавливали в крепления штатива; диаметр провода - 5.5 мм, расстояние между проводом и «землей» - 23.8 см. Провод вытягивали, регулируя положение крепежных механизмов штатива. Условия работы с проводом диаметром 5.5 мм при напряжении 75 кВ соответствуют среднеэксплуатационному напряжению проводов ВЛ 500 (290 кВ) диаметром 32 мм. Напряжение возникновения коронного разряда регистрировали осциллографом «GW Instek GOS-620FG» в момент появления гистерезиса вольт-кулоновой характеристики. В качестве величины напряжения возникновения коронного разряда принято напряжение, зарегистрированное на панели осциллографа. Потери мощности на коронный разряд (в процентах) оценивали при действующих значениях напряжения 60 и 75 кВ по площади вольт-кулоновой характеристики для проводов с покрытиями, сформированными в различных условиях, по сравнению с проводом без покрытия. Напряжения 60 и 75 кВ выбраны из соображений надежного измерения потерь по площади гистерезиса вольт-кулоновой характеристики, максимально близкого к напряжению возникновения коронного разряда. Измерения проводились пятикратно для последующего расчета погрешности. Наиболее важными считали данные по потерям мощности при небольших отклонениях от напряжения возникновения коронного разряда, поскольку эксплуатация провода предполагает снижение напряжения при возникновении коронного разряда. Первоначально регистрировали электрофизические характеристики каждого провода с сухой поверхностью. Поскольку основные потери на коронный разряд происходят во влажной среде, поверхность каждого провода увлажняли и вновь проводили соответствующие измерения. Увлажненные провода изменяли цвет от светло-белого к серому. Следует ожидать повышения смачиваемости из-за уменьшения поверхностного натяжения при увеличении напряжения в соответствии с законами Липпмана [7, 8], однако такие исследования в условиях высоких напряжений провести не представилось возможным. Увлажнение проводов с покрытием, полученных в режиме анодирования до 100 В, показало, что провода не смачиваются. При анодировании получаются поры малого диаметра. Малый диаметр пор приводит к увеличению расклинивающего давления за счет взаимовлияния двойных электрических слоев стенок пор, что усложняет проникновение жидкости в поры; возникает другой механизм появления коронного разряда в виде пробоя через воздушный промежуток в порах. Оценка напряжения возникновения коронного разряда и потерь мощности на коронный разряд для проводов диаметром 5.5 мм Напряжения возникновения коронного разряда на сухих и влажных поверхностях проводов с покрытиями различной толщины, а также на проводе без покрытия, сведены в табл. 1. Таблица 1 Напряжение возникновения коронного разряда на сухих и влажных проводах диаметром 5.5 мм с покрытием и без покрытия Маркировка Режим формирования покрытий (Uнач.ср ± Δ), кВ сухой провод (Uнач.ср ± Δ), кВ влажный провод Длительность импульса, мкс U, В Продолжительность нанесения, мин Без покрытия - - - 53.32±0.20 49.94±1.60 1-1 200 400 5 53.74±0.62 52.32±0.41 1-2 200 10 53.62±0.57 52.86±0.29 1-3 200 15 54.76±0.54 53.46±0.57 2-1 100 10 54.22±0.22 50.66±1.17 2-2 100 15 54.08±0.41 50.16±0.92 3 150 10 55.34±0.45 54.80±0.72 4 50 15 53.84±0.26 53.46±0.57 Как видно из табл. 1, напряжение возникновения коронного разряда на проводе без покрытия начинается на 3 кВ раньше, чем на влажном проводе с покрытием. На проводах с покрытием напряжение возникновения коронного разряда на влажном проводе выше, чем на проводе без покрытия при всех реализованных режимах нанесения покрытия. Наибольшее напряжение возникновения коронного разряда зарегистрировано для провода, который оксидировали в течение 10-15 мин при длительности импульса 150-200 мкс. Потери мощности на коронный разряд за единицу времени при передаче электроэнергии напряжением 400 В по проводу диаметром 5.5 мм приведены в табл. 2. Таблица 2 Потери мощности на коронный разряд на проводах диаметром 5.5 мм за единицу времени Образец (мокрый провод) Режим формирования покрытий Uнач, кВ (r = 2.75 мм) Pотн, % (75 кВ) Pотн, % (60 кВ) Длительность импульса, мкс U, В Продолжительность нанесения, мин Без покрытия - - - 49.94 - - 1-1 200 400 5 52.32 4.00 3.0 1-2 200 10 52.86 11.50 15.0 1-3 200 15 53.46 4.00 18.5 2-1 100 10 50.66 0.77 8.0 2-2 100 15 50.16 4.00 11.0 3 150 10 54.80 2.50 20.0 4 50 15 53.46 14.00 17.0 Отличие между смоделированными (80%) и полученными экспериментально (20%) результатами по эффективности снижения потерь мощности на коронный разряд, вероятно, связано с тем, что сформированные покрытия имеют как сквозную, так и несквозную пористость. Электрическая прочность пористого материала при моделировании принята бесконечно высокой, а коэффициент диффузии равен молекулярному (можно ожидать отличие молекулярного коэффициента диффузии от эффективного при высоких напряженностях электрического поля). Анализ потерь мощности на коронный разряд на проводах с покрытиями по сравнению с проводом без покрытия позволяет сделать выводы, аналогичные, сделанным по результатам измерения напряжения возникновения коронного разряда. Лучший результат снижения потерь мощности (на 18-20% по сравнению с проводом без покрытия) получен при микроплазменной обработке провода в течение 10-15 мин при длительности импульса 150-200 мкс. Выводы 1. Быстрые физико-химические и электрохимические реакции, происходящие в заполненных жидкостью порах оксидного покрытия, уменьшают количество носителей заряда и скорость их доставки к поверхности металла диффузионно-миграционным механизмом, что увеличивает падение напряжения в порах. 2. Основные изменения концентрационного распределения ионов в начальный момент возникновения коронного разряда в жидкости, находящейся в порах оксидного покрытия, в условиях высоких напряжений переменного тока частотой 50 Гц распространяются на толщину 10-20 мкм, что позволяет определить толщину пористого оксидного покрытия в 10-20 мкм. 3. Расчет напряжения возникновения коронного разряда на влажном проводе без покрытия и на влажном проводе с покрытием позволил найти величины напряжения возникновения коронного разряда и оценить потери мощности на коронный разряд при передаче электроэнергии в случае возникновения коронного разряда. Моделирование соотношения потерь теоретически позволяет получить эффект снижения потерь на коронный разряд до 80%. 4. Разработаны электролит и режимы нанесения пористых оксидных покрытий толщиной 10-20 мкм с квазиравномерно распределенными порами диаметром 1-10 мкм, способных увеличить напряжение возникновения коронного разряда на 3 кВ при напряжении 60 кВ в проводах диаметром 5.5 мм. На практике, покрытия уменьшают потери мощности на коронный разряд при передаче электрической энергии в условиях сухой и влажной поверхности проводов на 20%. Авторы выражают огромную благодарность д.т.н., профессору Владиславу Федоровичу Важову и к.т.н., доценту Елене Вячеславовне Старцевой за консультации и помощь в проведении измерений.

Скачать электронную версию публикации