Koronale Entladung – Ursprung, Eigenschaften und Anwendung

Unter Bedingungen stark inhomogener elektromagnetischer Felder kann an Elektroden mit einer starken Krümmung der Außenflächen in manchen Situationen eine Koronaentladung – eine unabhängige elektrische Entladung in einem Gas – beginnen. Als Spitze kann eine für dieses Phänomen geeignete Form dienen: Spitze, Draht, Ecke, Zahn usw.

Die Hauptbedingung für den Beginn der Entladung besteht darin, dass in der Nähe der scharfen Kante der Elektrode eine relativ höhere elektrische Feldstärke vorhanden sein muss als im Rest des Weges zwischen den Elektroden, wodurch eine Potentialdifferenz entsteht.

Für Luft unter normalen Bedingungen (bei atmosphärischem Druck) beträgt der Grenzwert der elektrischen Intensität 30 kV/cm; Bei einer solchen Spannung erscheint an der Elektrodenspitze ein schwaches koronaartiges Leuchten. Aus diesem Grund wird die Entladung Koronaentladung genannt.

Eine solche Entladung ist dadurch gekennzeichnet, dass Ionisationsprozesse nur in der Nähe der Koronaelektrode auftreten, während die zweite Elektrode völlig normal, also ohne Bildung einer Korona, erscheinen kann.

Koronaentladungen können manchmal unter natürlichen Bedingungen beobachtet werden, beispielsweise auf Baumkronen, wenn dies durch das Verteilungsmuster des natürlichen elektrischen Feldes begünstigt wird (vor einem Gewitter oder während eines Schneesturms).

Die Bildung einer Koronaentladung verläuft auf folgende Weise. Ein Luftmolekül wird versehentlich ionisiert und ein Elektron wird emittiert.

Das Elektron erfährt in einem elektrischen Feld nahe der Spitze eine Beschleunigung und erreicht genug Energie, um es zu ionisieren, sobald es auf seinem Weg auf das nächste Molekül trifft und das Elektron wieder abhebt. Die Zahl der geladenen Teilchen, die sich in einem elektrischen Feld nahe der Spitze bewegen, nimmt lawinenartig zu.

Wenn die scharfe Koronaelektrode eine negative Elektrode (Kathode) ist, wird die Korona in diesem Fall als negativ bezeichnet und eine Lawine von Ionisierungselektronen bewegt sich von der Spitze der Korona zur positiven Elektrode. Die Erzeugung freier Elektronen wird durch thermionische Strahlung der Kathode erleichtert.

Wenn eine von der Spitze ausgehende Elektronenlawine den Bereich erreicht, in dem die Stärke des elektrischen Feldes für eine weitere Lawinenionisierung nicht mehr ausreicht, rekombinieren die Elektronen mit neutralen Luftmolekülen und bilden negative Ionen, die dann im Bereich außerhalb der Spitze zu Stromträgern werden Krone. Die negative Korona hat ein charakteristisches gleichmäßiges Leuchten.

Für den Fall, dass die Quelle der Korona eine positive Elektrode (Anode) ist, ist die Bewegung der Elektronenlawinen auf die Spitze gerichtet und die Bewegung der Ionen ist von der Spitze nach außen gerichtet. Sekundäre Photoprozesse in der Nähe der positiv geladenen Spitze erleichtern die Reproduktion der lawinenauslösenden Elektronen.

Weit entfernt von der Spitze, wo die elektrische Feldstärke nicht ausreicht, um eine Lawinenionisation sicherzustellen, bleiben die Stromträger positive Ionen, die sich in Richtung der negativen Elektrode bewegen. Die positive Korona zeichnet sich durch Streamer aus, die sich von der Spitze in verschiedene Richtungen ausbreiten, und bei höheren Spannungen nehmen die Streamer die Form von Funkenkanälen an.

Korona ist auch an den Drähten von Hochspannungsleitungen möglich, und hier führt dieses Phänomen zu Stromverlusten, die hauptsächlich für die Bewegung geladener Teilchen und teilweise für Strahlung aufgewendet werden.

Korona auf den Leitern der Leitungen entsteht, wenn die Feldstärke auf ihnen den kritischen Wert überschreitet.

Korona verursacht das Auftreten höherer Harmonischer in der Stromkurve, die aufgrund der Bewegung und Neutralisierung von Raumladungen den störenden Einfluss von Stromleitungen auf Kommunikationsleitungen und die aktive Komponente des Stroms in der Leitung stark verstärken können.

Wenn wir den Spannungsabfall in der koronalen Schicht ignorieren, können wir davon ausgehen, dass der Radius der Drähte und damit die Kapazität der Leitung periodisch zunimmt und diese Werte mit einer Frequenz schwanken, die doppelt so groß ist wie die Frequenz des Netzwerks (die). (die Periode dieser Änderungen endet in der Halbperiode der Betriebsfrequenz).

Da atmosphärische Phänomene einen erheblichen Einfluss auf den Energieverlust mit der Korona in der Leitung haben, sollten bei der Berechnung der Verluste folgende Hauptwetterarten berücksichtigt werden: Schönwetter, Regen, Frost, Schnee.

Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, werden die Leiter der Stromleitung je nach Spannung der Leitung in mehrere Teile geteilt, um die lokale Spannung in der Nähe der Leiter zu reduzieren und die Bildung von Korona grundsätzlich zu verhindern.

Durch die Trennung der Leiter nimmt die Feldstärke aufgrund der größeren Oberfläche der getrennten Leiter im Vergleich zur Oberfläche eines einzelnen Leiters gleichen Querschnitts ab und die Ladung auf den getrennten Leitern nimmt zu in einer kleineren Anzahl als die Oberfläche der Leiter.

Kleinere Drahtradien führen zu einem langsameren Anstieg des Koronaverlusts. Die geringsten Koronaverluste werden erzielt, wenn der Abstand zwischen den Leitern in der Phase 10 bis 20 cm beträgt. Allerdings besteht die Gefahr einer Eisbildung auf dem Phasenleiterbündel, die zu einem starken Anstieg des Winddrucks auf der Leitung führt Der Abstand beträgt 40-50 cm.

Darüber hinaus werden auf Hochspannungsübertragungsleitungen Anti-Corona-Ringe verwendet, bei denen es sich um Ringkerne aus einem leitfähigen Material, meist Metall, handelt, die an einer Klemme oder einem anderen Hochspannungs-Hardwareteil befestigt werden.

Die Aufgabe des Koronarings besteht darin, den Gradienten des elektrischen Feldes zu verteilen und seine Maximalwerte unter die Koronaschwelle zu senken, wodurch die Koronaentladung vollständig verhindert wird oder zumindest die zerstörerischen Auswirkungen der Entladung von der wertvollen Ausrüstung auf die übertragen werden Ring.

Praktische Anwendung findet die Koronaentladung in elektrostatischen Gasreinigern sowie zur Erkennung von Rissen in Produkten.In der Kopiertechnik zum Laden und Entladen von Fotoleitern und zum Übertragen von Farbpulver auf Papier. Darüber hinaus kann die Koronaentladung dazu verwendet werden, den Druck im Inneren einer Glühlampe zu bestimmen (anhand der Größe der Korona bei identischen Lampen).