Koronový výboj - Corona discharge

Dlouhá expozice fotografie koronového výboje na izolační větvi nadzemního elektrického vedení 500 kV . Koronové výboje představují pro energetické společnosti značnou ztrátu energie .
Koronový výboj kolem vysokonapěťové cívky
Koronový výboj z lžíce připojené k vysokonapěťovému terminálu Tesla cívky .
Velké koronové výboje (bílé) kolem vodičů napájených transformátorem 1,05 milionu voltů v laboratoři USA NIST v roce 1941

V elektrické energie, je koronový výboj je elektrický výboj způsoben ionizací z A tekutiny , jako je vzduch, obklopující vodič nesoucí vysokého napětí. Představuje místní oblast, kde vzduch (nebo jiná tekutina) prošel elektrickou poruchou a stal se vodivým, což umožňuje náboji nepřetržitě unikat z vodiče do vzduchu. Koróna se vyskytuje v místech, kde síla elektrického pole ( gradient potenciálu ) kolem vodiče přesahuje dielektrickou pevnost vzduchu. Často je vnímána jako namodralá záře ve vzduchu přiléhající k špičatým kovovým vodičům s vysokým napětím a vyzařuje světlo stejným mechanismem jako plynová výbojka .

V mnoha aplikacích vysokého napětí je koróna nežádoucím vedlejším účinkem. Koronový výboj z vysokonapěťových elektrických přenosových vedení představuje ekonomicky významné plýtvání energií pro veřejné služby. U vysokonapěťových zařízení, jako jsou televizory s katodovými trubicemi , rádiové vysílače , rentgenové přístroje a urychlovače částic , může únik proudu způsobený korónami představovat nežádoucí zatížení obvodu. V ovzduší koróny vytvářejí plyny, jako je ozón (O 3 ) a oxid dusnatý (NO), a naopak oxid dusičitý (NO 2 ), a tedy kyselina dusičná (HNO 3 ), pokud je přítomna vodní pára . Tyto plyny jsou korozivní a mohou degradovat a křehnout okolní materiály a jsou také toxické pro člověka a životní prostředí.

Koronové výboje lze často potlačit vylepšenou izolací, koronovými prstenci a výrobou vysokonapěťových elektrod v hladkých zaoblených tvarech. Řízené koronové výboje se však používají v různých procesech, jako je filtrace vzduchu, kopírky a generátory ozónu .

Úvod

Různé formy korónového výboje z různých kovových předmětů. Všimněte si, zejména na posledních dvou obrázcích, jak se výboj koncentruje v bodech na objektech.

Korónový výboj je proces, kterým proud protéká z elektrody s vysokým potenciálem do neutrální tekutiny, obvykle vzduchu, ionizací této tekutiny tak, aby kolem elektrody vznikla oblast plazmy . Vytvořené ionty nakonec přenesou náboj do blízkých oblastí s nižším potenciálem nebo se rekombinují a vytvoří neutrální molekuly plynu.

Když je potenciální gradient (elektrické pole) v bodě tekutiny dostatečně velký, tekutina v tomto bodě ionizuje a stává se vodivou. Pokud má nabitý předmět ostrý bod, bude síla elektrického pole kolem tohoto bodu mnohem vyšší než jinde. Vzduch v blízkosti elektrody se může ionizovat (částečně vodivý), zatímco oblasti vzdálenější nikoli. Když se vzduch v blízkosti bodu stane vodivým, má za následek zvětšení zdánlivé velikosti vodiče. Protože je nová vodivá oblast méně ostrá, ionizace nemusí přesahovat tuto místní oblast. Mimo tuto oblast ionizace a vodivosti si nabité částice pomalu najdou cestu k opačně nabitému předmětu a jsou neutralizovány.

Spolu s podobným kartáčovým výbojem je koróna často nazývána „jednoelektrodový výboj“, na rozdíl od „dvouelektrodového výboje“ -elektrického oblouku . Koróna se tvoří pouze tehdy, když je vodič dostatečně široce oddělen od vodičů s opačným potenciálem, že mezi nimi nemůže přeskočit oblouk. Pokud je geometrie a gradient takové, že ionizovaná oblast pokračuje v růstu, dokud nedosáhne jiného vodiče s nižším potenciálem, vytvoří se mezi nimi vodivá dráha s nízkým odporem, což má za následek elektrickou jiskru nebo elektrický oblouk , v závislosti na zdroji elektrické pole. Pokud zdroj nadále dodává proud, jiskra se vyvine do souvislého výboje nazývaného oblouk.

Koronový výboj se tvoří pouze tehdy, když elektrické pole (potenciální gradient) na povrchu vodiče překročí kritickou hodnotu, dielektrickou pevnost nebo rušivý gradient potenciálu tekutiny. Ve vzduchu při atmosférickém tlaku je to zhruba 30 kilovoltů na centimetr, ale to s tlakem klesá, takže korona je ve vysokých výškách spíše problémem. Koronový výboj se obvykle tvoří ve vysoce zakřivených oblastech na elektrodách, jako jsou ostré rohy, vyčnívající body, hrany kovových povrchů nebo dráty malého průměru. Vysoké zakřivení způsobuje v těchto místech vysoký potenciální gradient, takže se vzduch rozpadá a tvoří zde nejprve plazmu . Na ostrých bodech ve vzduchu může koróna začínat na potenciálech 2–6 kV. Aby se potlačila tvorba korony, terminály na vysokonapěťových zařízeních jsou často konstruovány s hladkými zaoblenými tvary velkého průměru, jako jsou koule nebo torusy, a koronové prstence se často přidávají do izolátorů vysokonapěťových přenosových vedení.

Coronas může být pozitivní nebo negativní . To je určeno polaritou napětí na vysoce zakřivené elektrodě. Pokud je zakřivená elektroda vzhledem k ploché elektrodě kladná , má kladnou korónu ; pokud je negativní, má negativní korónu . (Další podrobnosti viz níže.) Fyzika pozitivních a negativních koron se výrazně liší. Tato asymetrie je výsledkem velkého rozdílu v hmotnosti mezi elektrony a kladně nabitými ionty , přičemž pouze elektron má schopnost podstoupit významný stupeň ionizující nepružné kolize za běžných teplot a tlaků.

Důležitým důvodem pro zvažování koron je produkce ozónu kolem vodičů, které procházejí koronovými procesy ve vzduchu. Negativní koróna generuje mnohem více ozonu než odpovídající pozitivní koróna.

Aplikace

Koronový výboj má řadu komerčních a průmyslových aplikací:

Coronas lze použít ke generování nabitých povrchů, což je efekt používaný při elektrostatickém kopírování ( fotokopírování ). Mohou být také použity k odstraňování částic ze vzduchových proudů tak, že se vzduch nejprve nabije a poté se nechá procházet nabitým proudem hřebenem se střídavou polaritou, aby se nabité částice uložily na opačně nabité desky.

Volné radikály a ionty generované při koronových reakcích lze použít k vyčištění vzduchu určitých škodlivých produktů prostřednictvím chemických reakcí a lze je použít k výrobě ozónu .

Problémy

Coronas může generovat slyšitelný a vysokofrekvenční šum, zejména v blízkosti vedení pro přenos elektrické energie . Proto je zařízení pro přenos energie navrženo tak, aby minimalizovalo tvorbu korónového výboje.

Koronový výboj je obecně nežádoucí v:

V mnoha případech mohou být korony potlačeny korónovými prstenci , toroidními zařízeními, která slouží k šíření elektrického pole na větší plochy a snižují gradient pole pod prahem koróny.

Mechanismus

Koronový výboj nastává, když je elektrické pole dostatečně silné, aby vyvolalo řetězovou reakci; elektrony ve vzduchu se srážejí s atomy dostatečně tvrdými na to, aby je ionizovaly, čímž vzniká více volných elektronů, které ionizují více atomů. Níže uvedené diagramy v mikroskopickém měřítku ilustrují proces, který vytváří korónu ve vzduchu vedle špičaté elektrody nesoucí vysoké záporné napětí vzhledem k zemi. Proces je:

  1. Neutrální atom nebo molekula v oblasti silného elektrického pole (jako je gradient vysokého potenciálu v blízkosti zakřivené elektrody) je ionizována přirozenou událostí prostředí (například je zasažena částicí ultrafialového fotonu nebo kosmického záření ), k vytvoření kladného iontu a volného elektronu .
    Zahájení vybíjení Corona. Svg
  2. Elektrické pole urychluje tyto opačně nabité částice v opačných směrech, odděluje je, brání jejich rekombinaci a každému z nich dodává kinetickou energii.
  3. Elektron má mnohem vyšší poměr náboj/hmotnost, a proto je zrychlen na vyšší rychlost než kladný ion. Získává dostatek energie z pole, které když zasáhne jiný atom, ionizuje ho, vyrazí další elektron a vytvoří další kladný ion. Tyto elektrony se zrychlují a kolidují s jinými atomy, čímž vytvářejí další páry elektron/kladný iont, a tyto elektrony se srazí s více atomy v procesu řetězové reakce, kterému se říká elektronová lavina . Pozitivní i negativní koróny se spoléhají na laviny elektronů. V kladné koróně jsou všechny elektrony přitahovány dovnitř směrem k blízké kladné elektrodě a ionty jsou odpuzovány směrem ven. V negativní koróně jsou ionty přitahovány dovnitř a elektrony jsou odpuzovány směrem ven.
    Elektrická porucha Corona. Svg
  4. Záře koróny je způsobena tím, že se elektrony rekombinují s kladnými ionty za vzniku neutrálních atomů. Když elektron klesne zpět na původní úroveň energie, uvolní foton světla. Fotony slouží k ionizaci ostatních atomů, čímž se udržuje tvorba elektronových lavin.
    Údržba koronového výboje. Svg
  5. V určité vzdálenosti od elektrody se elektrické pole sníží natolik, že již neposkytuje elektronům dostatek energie k ionizaci atomů při jejich srážce. Toto je vnější okraj koróny. Mimo to se ionty pohybují vzduchem, aniž by vytvářely nové ionty. Vnější pohybující se ionty jsou přitahovány k protilehlé elektrodě a nakonec se k ní dostanou a spojí se s elektrony z elektrody, aby se znovu staly neutrálními atomy a dokončily obvod.

Termodynamicky je koróna velmi nerovnovážný proces, který vytváří netermální plazmu. Lavinový mechanismus neuvolňuje dostatek energie na to, aby plyn v oblasti korony obecně ohřál a ionizoval, jak se vyskytuje v elektrickém oblouku nebo jiskře. Pouze malý počet molekul plynu se účastní lavin elektronů a jsou ionizovány, přičemž mají energie blízké ionizační energii 1–3 ev, zbytek okolního plynu se blíží teplotě okolí.

Počáteční napětí koronového nebo počátečního napětí koróny (CIV) lze nalézt pomocí Peekova zákona (1929), formulovaného z empirických pozorování. Pozdější práce odvodily přesnější vzorce.

Pozitivní korony

Vlastnosti

Pozitivní koróna se projevuje jako rovnoměrná plazma po celé délce vodiče. Často to lze vidět zářící modro/bíle, ačkoli mnoho emisí je v ultrafialovém záření. Rovnoměrnost plazmy je způsobena homogenním zdrojem sekundárních lavinových elektronů popsaným níže v části mechanismu . Se stejnou geometrií a napětím se zdá o něco menší než odpovídající negativní koróna, kvůli nedostatku neionizující oblasti plazmy mezi vnitřní a vnější oblastí.

Pozitivní koróna má mnohem nižší hustotu volných elektronů ve srovnání s negativní koronou; možná tisícina elektronové hustoty a setina celkového počtu elektronů. Elektrony v kladné koróně jsou však koncentrovány blízko povrchu zakřiveného vodiče, v oblasti vysokého potenciálního gradientu (a proto mají elektrony vysokou energii), zatímco v záporné koróně je mnoho elektronů ve vnějším , oblasti dolního pole. Pokud tedy mají být elektrony použity v aplikaci, která vyžaduje vysokou aktivační energii, pozitivní korony mohou podporovat větší reakční konstantu než odpovídající negativní korony; ačkoli celkový počet elektronů může být nižší, počet elektronů s velmi vysokou energií může být vyšší.

Coronas jsou efektivními producenty ozónu ve vzduchu. Pozitivní koróna generuje mnohem méně ozonu než odpovídající negativní koróna, protože reakce, které produkují ozon, jsou relativně nízkoenergetické. Proto větší počet elektronů negativní korony vede ke zvýšené produkci.

Za plazmou, v unipolární oblasti , je tok nízkoenergetických kladných iontů směrem k ploché elektrodě.

Mechanismus

Stejně jako u negativní korony je pozitivní koróna iniciována exogenní ionizační událostí v oblasti s vysokým potenciálním gradientem. Elektrony vzniklé ionizací jsou přitahovány k zakřivené elektrodě a kladné ionty z ní odpuzují. Tím, že dochází k nepružným srážkám stále blíže k zakřivené elektrodě, jsou další molekuly ionizovány v lavině elektronů.

V pozitivní koróně jsou sekundární elektrony pro další laviny generovány převážně v samotné tekutině, v oblasti mimo oblast plazmy nebo laviny. Jsou vytvořeny ionizací způsobenou fotony emitovanými z tohoto plazmatu v různých de-excitačních procesech, ke kterým dochází v plazmě po srážkách elektronů, tepelná energie uvolněná v těchto srážkách vytváří fotony, které jsou vyzařovány do plynu. Elektrony vzniklé ionizací molekuly neutrálního plynu jsou poté elektricky přitahovány zpět k zakřivené elektrodě, přitahovány do plazmy, a tak začíná proces vytváření dalších lavin uvnitř plazmy.

Negativní korony

Vlastnosti

Negativní koróna se projevuje nejednotnou koronou, která se liší podle povrchových vlastností a nepravidelností zakřiveného vodiče. Často se jeví jako trsy koróny na ostrých hranách, počet trsů se mění podle síly pole. Forma negativních koron je výsledkem zdroje sekundárních lavinových elektronů (viz níže). Zdá se, že je o něco větší než odpovídající kladná koróna, protože elektrony se mohou odchýlit z ionizující oblasti, a tak plazma pokračuje v určité vzdálenosti za ním. Celkový počet elektronů a hustota elektronů je mnohem větší než u odpovídající kladné koróny. Mají však převážně nižší energii, protože jsou v oblasti s nižším potenciálním gradientem. Proto zatímco u mnoha reakcí bude zvýšená hustota elektronů zvyšovat reakční rychlost, nižší energie elektronů bude znamenat, že reakce, které vyžadují vyšší energii elektronů, mohou probíhat nižší rychlostí.

Mechanismus

Negativní korony jsou ve stavebnictví složitější než pozitivní korony. Stejně jako u pozitivních koron, založení korony začíná exogenní ionizační událostí generující primární elektron, následovanou elektronovou lavinou.

Elektrony ionizované z neutrálního plynu nejsou užitečné při udržování negativního koronového procesu generováním sekundárních elektronů pro další laviny, protože obecný pohyb elektronů v negativní koróně je směrem ven od zakřivené elektrody. U negativní korony je místo toho dominantním procesem generujícím sekundární elektrony fotoelektrický efekt z povrchu samotné elektrody. Výstupní práce elektronů (energie potřebná pro uvolnění elektronů z povrchu), je podstatně nižší, než ionizační energie vzduchu při standardní teplotě a tlaku, což je více liberální zdrojem sekundárních elektronů za těchto podmínek. Opět platí, že zdrojem energie pro osvobozování elektronů je foton s vysokou energií z atomu v plazmatickém těle relaxující po excitaci z dřívější kolize. Použití ionizovaného neutrálního plynu jako zdroje ionizace je v negativní koróně dále omezeno vysokou koncentrací kladných iontů shlukujících se kolem zakřivené elektrody.

Za jiných podmínek může kolize pozitivních druhů se zakřivenou elektrodou také způsobit uvolnění elektronů.

Rozdíl mezi pozitivními a negativními korónami, pokud jde o generování sekundárních elektronových lavin, spočívá v tom, že v pozitivní koróně jsou generovány plynem obklopujícím oblast plazmy, novými sekundárními elektrony cestujícími dovnitř, zatímco v záporných korony jsou generovány samotnou zakřivenou elektrodou, novými sekundárními elektrony cestujícími ven.

Dalším rysem struktury negativních koron je, že když se elektrony unášejí ven, setkávají se s neutrálními molekulami a s elektronegativními molekulami (jako je kyslík a vodní pára ) se spojují a vytvářejí negativní ionty. Tyto záporné ionty jsou poté přitahovány k kladné nezakřivené elektrodě, čímž se dokončí „obvod“.

Elektrický vítr

Koronový výboj na Wartenbergově kole

Ionizované plyny produkované korónovým výbojem jsou urychlovány elektrickým polem a vytvářejí pohyb plynu nebo elektrického větru . Pohyb vzduchu spojený s výbojovým proudem několika stovek mikroampér může sfouknout malý plamen svíčky přibližně do 1 cm od místa výboje. Větrník s radiálními kovovými paprsky a špičatými špičkami ohnutými tak, aby směřovaly po obvodu kruhu, lze otáčet, pokud je pod napětím korónovým výbojem; rotace je způsobena diferenciální elektrickou přitažlivostí mezi kovovými paprsky a oblastí štítu vesmírného náboje, která obklopuje špičky.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy