ظاهرة الكورونا Corona phenomenon الاسباب والحلول

قد يهمك أيضا

تعرف على ظاهرة الكورونا والاسباب والحلول 

تعتبر الكورونا من أبرز المشاكل التى تواجه العوازل عامة . وهذه الظاهرة عبارة عن حدوث تفريغ جزئى Partial Discharge لوسط عازل أو مرور تيار متسرب من الموصل الأصلى إلى الهواء الجوي المحيط به بصورة عشوائية نتيجة تأين الهواء المحيط ، وتعتبر هذه الظاهرة مؤشرا لحدوث انهيار محتمل للعزل (كلمة العزل تتضمن أيضا الهواء كنوع من العوازل).

وتحدث هذه الظاهرة عندما يتجاوز شدة المجال الكهربى electric field عند سطح الموصل الحد المعروف بـ disruptive potential gradient وهو الحد الذى يساوى فى حالة الهواء الجوى 30Kv /cm  ( مع ملاحظة أن هذه القيمة تتغير مع الضغط الجوى ولذا فمشكلة الكورونا أكثر وضوحا فى الأماكن المرتفعة عن سطح الأرض) ويترتب على ذلك أن يصبح الهواء المحيط بالموصل ليس عازلا كاملا بل تصبح له درجة من درجات التوصيل a conductive plasma فقط فى منطقة محيطة بالموصل. لكن قد تزداد هذه الطبقة الموصلة مع الوقت حتى ينكسر العزل بين الموصلات ويحدث انهيار كامل من خلال شرارة كهربية.

والمجال الكهربى عموما يزداد عند الأسطح الحادة لأن التغير فى قيمة الجهد يكون كبيرا وليس تدريجيا كما فى الأسطح الملساء ومن ثم ترتفع قيمة kV/cm بقيم كبيرة تتسبب فى بروز هذه الظاهرة بوضوح أكبر .

ومن ثم فدائما هناك مسافة كافية بين موصلات خطوط النقل لتجنب الوصول لهذه القيمة. ولكن قد تجد ظروف معينة تجعل المجال الكهربى المسلط على الهواء يت ا زيد ، وعندها يبدأ الوسط العازل )هواء / زيت / أو غيره( فى التأين) .

وتحدث ظاهرة (التفريغ الجزئى) Partial Discharge أو الكورونا فى أى وسط عازل بالقرب من جهود كهربية فى الخدمة، سواء كان ذلك خطوط النقل أو فى أى عازل آخر مثل الزيت مثلا داخل ال CB ، ففى حالة خطوط النقل يتأين الهواء المحيط حول موصلات الجهد العالي وتزداد الظاهرة وضوحا كلما كان سطح الموصل غير منتظم وأيضا كلما زادت الرطوبة والتلوث فى الوسط العازل حيث تزداد نسبة ذرات الهواء المتأين حول الموصل .

ويمكن ملاحظة ذلك على خطوط النقل الكهربى كوميض لامع مائل للزرقة  (شكل 1-1)، وتكون هذه الظاهرة مصحوبة بصوت أزيز وإنتاج غاز الأوزون وهذه الظاهرة تسمى Partial Discharge  أى يحدث تفريغ جزئى داخل العازل وهو يعتبر مقدمة للانهيار فى العزل Breakdown.

الشكل 1 -1 ظاهرة الكورونا

وبالطبع ينتج عن وجود هذه الظاهرة حدوث مفاقيد للقدرة الكهربية تسمى Corona Losses. تتمثل فى هالة من الضوء يميل للون البنفسجى أو الأزرق ، والصوت المصاحب للظاهرة إضافة إلى حدوث تداخلات مع موجات

الراديو Radio Interference.

وهذه معادلة تقريبية للجهد الذى تبدأ عنده الكورونا بالظهور . وواضح أنها تعتمد على درجة خشونة السطح وعلى قطر الموصل وبعده عن بقية الموصلات الحاملة للجهد.

أسباب ظاهرة الكورونا :

 ارتفاع الجهد الكهربى :

فمن أهم أسبابها ارتفاع الجهد على الخطوط وبالتالى يزداد شدة المجال وتزداد احتمالية تأين الذرات حول الموصل.

 انخفاض شدة العزل : 

ومن أسبابها أيضا انخفاض شدة العزل نتيجة تلوث أو رطوبة مثلا . تذكر أن المجال الكهربى يتأثر بقيمة الجهد ولا علاقة له بقيمة التيار ومن ثم فالظاهرة لا تتأثر بقيمة التيار فى الخطوط.

 تقارب الموصلات : 

ومن أسبابها أيضا تقارب المسافات بين الأجزاء الحاملة للجهد.

 عدم انتظام المجال الكهربى : 

مع التأكيد على أن أكثر الأماكن تأثرا بهذه الظاهرة هى الأماكن غير المنتظمة السطح حيث يصبح توزيع المجال فيها غير منتظم فيزداد فى نقاط (يحدث فيها التأين) ويقل فى نقاط أخرى .

الحلول الممكنة لظاهرة الكورونا :

1 - الحل الأمثل هو زيادة مساحة مقطع الموصل وبالتالى يقل قيمة المجال على سطح الموصل (راجع المعادلة السابقة لحساب الجهد الذى يبدأ عنده حدوث الكورونا ، و ستجد أن قيمة نصف القطر فى مقام المعادلة ، بمعنى كلما زاد  نصف القطر كلما كبر الجهد الذى يحدث عنده بداية التفريغ) .

وأحد طرق زيادة المقطع هو استخدام الا bundled conductors وذلك بجعل موصل ال Phase الواحدة عبا رة عن موصلين أو أكثر ثم عمل short circuit على هذه الموصلات شكل (1-2 ) ، وبالتالى يزيد المقطع المكافئ لكل موصل ومن ثم يقل المجال المحيط به فلا تتأين ذرات الهواء.

(شكل 1-2) Bundle Conductors

2 - زيادة المسافة الفاصلة بين الفازات لتقليل شدة المجال أيضا ولكن ذلك سيؤدى إلى زيادة حجم البرج وارتفاع التكلفة .

3 - ولأن هذه الظاهرة ليست فقط معتمدة على المجال الكهربي ولكنها تتأثر بشدة بشكل الأسطح الحاملة للتيار ، وبصفة عامة يجب تجنب الأسطح الحادة فى خطوط النقل وغيره لتجنب الارتفاع فى ال Voltage Gradient ، ولذا يستعمل مثلا وسائل تعليق للموصل لها حواف مستديرة الشكل بدلا من الحواف الحادة rounded rather than sharp edges ، وكذلك الحال أيضا بالنسة لل Spacers وخامد الاهتزازات (لاحظ الصور السابقة لهذه العناصر).

4 - وبالتاكيد يجب تجنب الارتفاع فى الجهد لأنه أحد أهم الأسباب الرئيسية.

5 - استخدام ما يعرف بـ Corona Rings ، فمن ما سبق يتبين أن أحد أهم أسباب هذه الظاهرة هو عدم انتظام السطح وهذا ما يحدث عند تعليق الموصل بسلسلة العزل فتكون نقطة الاتصال معرضة أكثر من غيرها لحدوث الكورونا بسبب السطح الحاد فى التغير ، ولعلاج ذلك توضع الحلقات كما فى الصورة متصلة بالموصل المعدنى الحامل للجهد فإذا ظهرت الكورونا فإنها تظهر على الحلقات وليس على أطباق العازل ومن ثم فقد تم حماية العزل. 

وتستخدم هذه الحلقات (شكل 3 - 1) أيضا مع مانعات الصواعق Lightning Arrestor وكذلك تستخدم فى أطراف ال CB والمحولات لنفس الغرض وهو حماية أطراف العزل من التغير المفاجى فى الجهد أو التغير المفاجئ فى الشكل والذى ينتج عنه قيمة مرتفعة لل Voltage gradient , kV/cm والتى تتسبب فى ظاهرة الكورونا.

شكل (3-1) Partial Flashover on corona rings

وهذه الحلقات تتصل مباشرة بالموصل كما ذكرنا عند نقطة اتصاله بسلسلة العزل لأنها أخطر منطقة معرضة للكورونا ، ويمكن القول أن هذه الحلقات تغير شكل المجال الكهربى بحيث لا يصبح قادرا على تأيين ذرات الهواء المحيطة بالموصل أو العزل. فالا Gradient, kV/cm أصبح ضعيفا بسبب كبر القيمة الموجودة فى المقام لأن المجال الكهربى أصبح محيطا بحلقة قطرها واسع وليس بنقطة اتصال صغيرة ومن ثم صغرت قيمته.

توزيع جهد التشغيل على سلسلة العازل :

في حالة استخدام أكثر من قرص Disc في السلسلة String ، كما هو الحال فى شبكات الجهد المرتفع فعندها نظريا سيتم توزيع فرق الجهد على العوازل الموجودة بالسلسلة بالتساوي بمعنى لو كان جهد الشبكة يساوي 500 كيلو فولت فهذا يعني أن الجهد على سلسلة العزل المكونة من 20 قرص مثلا سوف يساوى 25KV/disc و هذا طبقا لقانون توزيع الجهد كما في الجزئين يسار الشكل 4-1. حيث يمثل كل قرص وكأنه مكثف وبالتالى يكون لدينا مجموعة من الـ Series Capacitors وهو تمثيل حقيقى فالمكثف ليس سوى لوحين معدنيين بينهما عازل وعليهما فرق للجهد ، وهو الحاصل هنا بين النقاط المعدنية.

لكن هذا غير متحقق في الواقع والسبب هو وجود تلك الوصلات الحديدية التي تربط كل قرص Disc بما قبله و بما بعده في السلسلة ، فهذه الوصلات الحديدية ينشأ بينها و بين حديد البرج مكثفات أخرى تسمى 1 Shunt Capacitors, C كما فى الشكل الأيمن 4-1.

الشكل (4-1) توزيع الجهد على سلسلة العزل

فيتغير توزيع التيار ليصبح كما فى أقصى يمين الشكل السابق. و من ثم يصبح التيار المتسرب خلال السلسلة فى حالة افتراض وجود النوعية الثانية من المكثفات ليس متساويا على كل الأق ا رص كما في الحالة المثالية الأولى، بل يصبح التيار الأكبر هو التيار المار في ال Disc الأقرب إلى الموصل ثم يقل التيار بعد ذلك و من ثم فلم يعد التيار متساويا على كل مسافة و هذا يعني أن بعض أقراص السلسلة ستتعرض لإجهاد كهربي أكثر من غيرها و ربما يحدث لها إنهيار أو على الأقل يحدث خلالها Flashover بسهولة.

رفع كفاءة توزيع الجهد

ونظرا لأن الجهود غير متساوية على عوازل السلسلة الواحدة فقد استخدم مصطلح كفاءة السلسلة أو ما يعرف بـ String Efficiency لتحديد حجم الفرق بين أعلى جهد يظهر على القرص الأول من أجزاء السلسلة من ناحية الموصل و هو القرص المعرض لأعلى جهد ، و بين الجهد الكلي الواقع على ال String مع ملاحظة أن الجهد يتناقص على الأقراص التالية.

حيث أن: كفاءة السلسلة التى بها عدد n من الأطباق يساوى

واضح أن كفاءة السلسلة تقل بزيادة عدد الأطباق نتيجة للتوزيع غير المتماثل للجهد ، فعلى سبيل المثال لو كان الـ Flashover Voltage على عزل ما يساوى 78 ك ف وكان لدينا ثلاث سلاسل مختلفة بها 5 و 10 و 15طبق بالسلسلة على التوالي ، فعندئذ سيكون جهد الـ Flashover Voltage على لسلاسل الثلاثة يساوى 685 و 490 و 280 ك ف على الترتيب (واضح أنه كلما ا زد الطول قلت الكفاءة) ، فلو كانت الجهود متساوية لأمكن فى هذه الحالة استخدام 4 و 7 و 9 عوازل . 

وبالتالى إذا استطعنا أن نجعل الجهد متساويا على كل أطباق السلسلة فعندئذ يمكن استخدام سلسلة أقصر وأقل تكلفة.

والجدول التالى يعطى بعض النتائج العملية لاختبارات تمت على سلسلة عزل تتزايد عدد الأطباق فيها تدريجيا حتى تصل إلى عشرة أطباق وفى كل مرة نحسب الكفاءة فى حالتين : العازل جاف والعازل رطب والنتائج كما يلى:

[S.O.V. = Spark-over Voltage]

علاج انخفاض كفاءة سلسلة العزل :

ولعلاج مشكلة المكثفات الناشئة التى تسببت فى عدم تساوى الجهد يمكن نظريا إلغاء هذه المكثفات بزيادة طول ذراع البرج ومن ثم تصبح قيمة هذه الـ Shunt Capacitors مهملة لكن بالطبع هذا حل مكلف بسبب ارتفاع تكلفة تصنيع البرج.

والحل الأمثل الواقعى المستخدم هو أن تضاف الحلقات المعدنية التي نراها في 5 - 1 والمعروفة باسم  Guard Rings و هذه الحلقات تنشئ مكثفات معاكسة من الجهة الأخرى كما في الصورة 6 - 1 ، و من ثم فإنها تلغي بدرجة كبيرة تأثير Shunt Capacitors السابقة و تقرب الصورة مرة أخرى إلى الحالة المثالية .

الشكل (5-1) guarding ring

الشكل 6-1

أسلوب ال Insulation Coordination

وهناك حل ثالث لهذه المشكلة بجعل ال Capacitance لأطباق العوازل غير متساوية بل متغيرة بنسب التيارات المارة بها وهذا يعنى أن الطبق المجاور للموصل ستكون له أكبر Self-Capacitance فى السلسلة ومن ثم تتساوى الجهود على أطباق العوازل لأن الجهد سيتناسب عكسيا مع ال Self-Capacitance للطبق ، وبالتالى يقل الجهد على الطبق المجاور للخط ويزيد على الطبق فى نهاية السلسلة من ناحية البرج ، وهذا يعنى أننا عالجنا الخلل السابق فى توزيع الجهد . وتعرف هذه الطريقة بتنسيق العوازل Insulation Coordination

الموضوع : منقول للفائدة من كتاب هندسة القوى الكهربائية للمؤلف أ.د محمود الجيلاني