Динамика наелектрисања короне у цилиндричноj геометриjи услед атмосферских пражњења

Abstract

Корона jе парциjално пражњење коjе се jавља у нехомогеном електричном пољу у ваздуху на атмосферском притиску. Представља спољни део канала атмосферског пра- жњења и jавља се око жичаних проводника у присуству пренапона. Удари атмосферских пражњења су jедан од наjчешћих узрока кварова на надземним водовима и разводним по- строjењима. Када атмосферско пражњење удари у надземни вод, ударни талас пренапона се простире дуж проводника. Инjектована струjа атмосферског пражњења jе последица неутрализациjе наелектрисања у корона омотачу током фазе повратног удара. Поред тога, корона коjа се формира око проводника надземног вода jе ефекат коjи наjвише утиче на временску зависност импулса током простирања. Долази до смањења амплитуде и стрми- не импулса, што се се узима у обзир приликом проjектовања заштите. Дисертациjа се бави изучавањем корона пражњења у цилиндричноj геометриjи, каквo постоjи код канала ат- мосферског пражњења и високонапонских жичаних проводника. Разматраће се динамика наелектрисања корона пражњења коjе се jавља при негативном поларитету напона, с об- зиром да негативна силазна атмосферска пражњења чине већину свих пражњења између облака и земље. За анализу расподеле наелектрисања унутар канала атмосферског пражњења током повратног удара коришћен jе генералисани модел са путуjућим струjним извором. Прет- постављено jе да унутар корона омотача постоjе две зоне наелектрисања чиjе су грани- це одређене радиjалним електростатичким пољем коjе има доминантан утицаj. Уведена jе нова генерална функциjа радиjалне расподеле наелектрисања унутар зона. Валидност усвоjених модела jе проверавана поређењем са резултатима мерења блиског електричног поља до коjих су раниjа истраживања дошла у експериментима вештачки изазваних ат- мосферских пражњења. Показано jе да се поjава премашаjа позитивног електричног поља може обjаснити разматрањем рефлексиjа струjних импулса од земље. Извршена jе про- вера претпоставке да jе електрично поље унутар канала у претежно радиjалном правцу и спроведена jе процедура оптимизациjе вредности полупречника канала атмосферског пражњења, како би се узео у обзир утицаj вертикалног електричног поља. Инжењерски модели короне коjи се користе за процену укупног генерисаног наелек- трисања у зависности од примењеног напона се засниваjу на феноменолошком опису фи- зичких процеса током пражњења. Ради провере физиких претпоставки коjе се наjчешће усваjаjу, коришћен jе детаљан физички дрифт-дифузиони модел кинетике честица. Реша- вањем jедначина континуитета за честице коjе учествуjу у пражњењу, долази се до про- сторне расподеле и временске зависности концентрациjа честица и електричног поља око жице. Зависност генерисаног наелектрисања од примењеног напона (QV крива) добиjена дрифт-дифузионим моделом jе показала добро слагање са резултатима мерења у експери- ментима спроведеним у раниjим истраживањима. Приказана jе детаљна теориjска анализа процеса пражњења коjи jе подељен у три фазе. Показано jе да се дрифт-дифузиони модел може имплементирати код прорачуна простирања ударног таласа дуж надземног вода. Притом се мора извести модификациjа вредности коефициjената jонизациjе, како би се узео у обзир ефекат стримера коjи представљаjу танка филаментарна пражњења.

Corona is a partial discharge that occurs in nonuniform electric field in air under atmospheric pressure. Corona sheath represents the outer part of the lightning channel and the corona discharge is generated around wire conductors in the presence of overvoltages. Lightning strike is one of the most significant cause of failures on power lines and substations. When the lightning strikes the overhead wire, surge wave starts to travel along the transmission line. Injected lighting current is the consequence of the charge neutralization inside the corona sheath during the return stroke phase. Besides, corona discharge around the wire is the most significant effect that causes the distortion of the travelling pulse. Decrease of the pulse amplitude and steepness is considered during protection design. In this dissertation, corona discharge is studied in cylindrical geometry of lightning channel and wires. The charge dynamics in the corona of the negative polarity will be analyzed, since the negative downward lightning is the most frequent type of the discharges between clouds and ground. Generalized travelling current source model is used for the analysis of the charge distribution inside the lightning channel during the return stroke. It is hypothesized that there are two zones of charges in the corona sheath, with the boundaries determined by the dominant radial electrostatic field. New generalized function for the radial distribution of charge inside the zones is introduced. Validity of the adopted models is checked by the comparison with the results of the measured near electric field in the triggered lightning experiments which were performed by Miki. It is showed that the positive electric field overshoot can be explained by considering current reflections from the ground. The assumption that the electric field inside the lightning channel is predominantly in the radial direction is checked and the procedure for determining the lightning channel radius considering vertical electric field is developed. Engineering models of the corona discharge which are used for the estimation of the total generated charge depending on the voltage magnitude are based on a phenomenological description of the physical processes. The detailed physical drift-diffusion model for the particle kinetics is used to investigate the validity of the most common assumptions adopted in the formulation of engineering models. The radial distribution and time dependence of the particles’ concentrations and the electric field are obtained by solving the continuity equations for the particles participating in the discharge. Total generated charge dependence versus voltage magnitude (QV curve) showed good agreement with the results of the experiments performed by Cooray and Noda. Detailed theoretical analysis of the three stage discharge process is presented. It is showed that the drift-diffusion model can be implemented for the calculation of the travelling surge wave along the overhead wire. For that, the modification of the ionization coefficient value must be performed in order to take into account the effect of the thin filamentary discharges called streamers.