بخشی از مقاله
چکیده -
افزایش روز افزون مصرف برق موجب افزایش جریان های کرونا می شود . اندازه گیری و بررسی جریانهای کرونا به دلیل دشواریها و اختلاف بین دستگاههای اندازه گیری، همواره ابهامات گوناگون مواجه بوده است. برای درک مکانیزم های فیزیکی و برای توجیه نتایج آزمایشگاهی ، مدل سازی کامپیوتری تخلیه بار الکتریکی کرونا توسط نرم افزار Comsol Multiphysics در این مقاله ارائه شده است .
هدف این است که برخلاف نتایج آزمایشگاهی، مدل های کامپیوتری توضیحی موجه درباره فیزیک کرونا برای شرایط مشخص ارائه کنند .این بررسی کامل و توضیح ریاضی مدل شبیه سازی، استفاده بسیار زیادی برای حل مسائل طراحی تجهیزات HV در مقیاس بزرگ خواهند داشت.
- 1 مقدمه
تخلیه کرونا تخلیه ای الکتریکی است که معمولا همراه با نویز ریپل و درخشش است . در صورت وجود میدان الکتریکی غیر یکنواخت، این پدیده در سیستم های دو یا چند الکترودی که حداقل یک الکترود زمین شده است و الکترود دیگر در معرض پتانسیل بالا قرار دارد، رخ میدهد . میدان الکتریکی به وجود آمده بین الکترودها باید به اندازه کافی بالا باشد تا موجب یونیزاسیون پوشش عایقی اطراف الکترودهای پتانسیل بالا - فشار قوی - و زمین شود . همراه با رخ دادن کرونا، شکل گیری گاز یونیزه شده ضعیف - پلاسما - رخ می دهد . توزیع میدان ، فرایند یونیزاسیون را در ناحیه یونیزاسیون ، نزدیک به الکترود فشار قوی محدود می کند ، در حالی که ناحیه باقیمانده بین دو الکترود تحت تسلط توده الکترون و یون و فرایند تبدیل است .
به منظور انجام مطالعات آزمایشگاهی و شبیه سازی ، تخلیه کرونا معمولا در میدان های الکتریکی غیر یکنواخت در صفحه برقگیر - میله ای - یا الکترود استوانه ای هم محور صورت میگیرد . این نوع از تخلیه میتواند در تجهیزات فشار قوی که در معرض ولتاژ فشار قوی هستند نیز ظاهر شود. این موضوع بیشتر به خاطر طراحی ضعیف است و منجر به عملکرد نادرست تجهیز و در نتیجه خطای دائمی می شود . نویز قابل شنیدن و با فرکانس رادیویی نیز تاثیر نامطلوب دیگر کرونا است . زمانی که تجهیزات در فضای سربسته نصب شده اند، ازون و NOx تولید شده در هوا به عنوان محصولات جانبی کرونا نیز ممکن است جان انسان را به خطر بیندازند. برای طراحی و پیاده سازی مدل شبیه سازی مناسب از کرونا که اجازه تحلیل داده های اندازه گیری شده کرونا را برای سیستم استوانه ای هم محور مقیاس بزرگ بدهد، مراحل زیر مورد توجه این مقاله قرار گرفته اند:
* مطالعه شیوه مدلسازی کرونای موجود
* پیاده سازی مدل کامپیوتری
* شبیه سازی کرونا تحت ولتاژهای مثلثی در سیستم الکترود مقیاس بزرگ
* بازبینی نتایج شبیه سازی در برابر جریانهای کرونای اندازه گیری شده
* بررسی پارامترهای موثر بر جریانهای کرونا
- آزمایش روی کرونا در هوا تحت ولتاژ متناوب
اخیرا مجموعه ای از آزمایش های تحقیقاتی برای بررسی رفتار بارهای الکتریکی در کرونا تحت شرایط کنترل شده انجام شده اند . برای این آزمایش ، تخلیه بار الکتریکی ، در سیستم های صنعتی الکترود هم محور مقیاس بزرگ انجام شده است . الکترود داخلی مورد استفاده یک سیم ظریف با قطر d=0/26mm بود . الکترود بیرونی یک محفظه فلزی استوانه ای با قطر D=1000mm است . علاوه بر محفظه بیرونی قطر Dout=2/5m برای حذف صدا در اندازه گیری ها استفاده می شود . ارتفاع سیستم هم محور موازی 2/5 متر بود . با این ابعاد الکترود، یک توزیع میدان الکتریکی بسیار بالای ناهمگن به دست می آید . اندازه جریان در الکترود زمین به وسیله الکتروموتور کیتلی 6517 آمپر ایجاد شده است و با استفاده از اسیلوسکوپ لکروی ثبت شده است . شکل اصلی سیستم آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است.
اگرچه آزمایش آرایش هم محور با آزمایش ولتاژهای DC و AC اجرا شده است، آزمایش AC با محدوده فرکانس متنوع از 1 هرتز تا 50 هرتز، مورد خوبی برای بررسی جریان است. ولتاژ AC اعمال شده به شکل مثلثی به بزرگی 20 کیلوولت بود . مشخصه های ولتاژ B جریان ثبت شده برای تحلیل دقیق در مرحله شبیه سازی استفاده شده اند . مشخصه های ولتاژ _ جریان فرکانس های انتخابی در شکل 2 نشان داده شده است .همان طور که مشهود است ، ولتاژ مثلثی اعمال شده به سیستم الکترود هم محور ، منتج به شکل مشخصه ولتاژ _ جریان تخلیه الکتریکی کرونا AC "شبیه به پروانه " می شود.
- تشریح مدل
- مدل هیدرودینامیک
در این قسمت روش مدل سازی تخلیه بار الکتریکی کرونا توضیح داده شده است . برای سادگی همه روابط ، شامل پارامترهای به دست آمده از مشاهده و تجربه و مراجع آنها در قسمت 3.3 آورده شده اند . سیستم فیزیکی تخلیه بار الکتریکی کرونا می تواند به وسیله معادله تعادل توضیح داده شود . شکل کلی این قبیل از معادلات به صورت زیر است:
که n بیانگر غلظت نوع ذره، T بیانگر شار، و S جمله مربوط به منبع برق است .همهی متغیرهای به کار رفته در - 1 - توابعی از زمان و مکان هستند. شار T در - 1 - شامل دو عبارت است ، که سرعت های ساطع شدن و رانده شدن نامیده میشوند.
شار رانده شدن در - 2 - به وسیله ʽ مشخص شده است و با میدان الکتریکی E اعمال شده متناسب است . عبارت ساطع شدن در - 2 - به وسیله گرادیان غلظت ذره و ضریب پخش شدگی D مشخص شده است.
شکل 1: دستگاه الکترود هم محور برای آزمایش
شکل 2: مشخصه های جریان B ولتاژ به دست آمده از آزمایش ها
عبارت منبع برق در - 1 - برای واکنش های متعددی که در پلاسمای کرونا اتفاق می افتد، حساب می شود . با خلاصه سازی معادله پیوستگی برای هر نوع ذره و با محاسبه سرعت های جریان ذره، مدل نهایی هیدرودینامیک میتواند به وسیله سه معادله زیر توضیح داده شود:
زیرنویس های e ، p و n به ترتیب الکترونها، یونهای مثبت و منفی T0 و P0 مقادیر دما و فشار مرجع هستند، T و P مقادیر فعلی آنهارا مشخص میکند. حاصلضرب ʽE است که سرعت رانده شدن هستند.
- محاسبه جریان تخلیه بار الکتریکی
ضریب پخش شدگی برای یونهای مثبت و منفی در - 2 - توسط رابطه زیر تعریف شده است:
که T دمای یون متناظر، kB ثابت بولتزمن و q بار الکتریکی ابتدایی است. میدان تابع دمای یون توسط رابطه زیر بیان می شود:
mi و m به ترتیب جرم مولکولی و یونی هستند، Tg دمای هوا و سرعت رانده شدن یون در میدان الکتریکی است.
از آنجا که میدان الکتریکی بین الکترودها توسط انحراف بار الکتریکی فضای بین الکترودها آزمایش میشود، با حل معادله پویسون محاسبه شده است:
همانطور که قبلا ذکر شد عبارات منبع الکتریکی - 3 - ، - 4 - و - 5 - ، مجموع واکنش های مربوطه در مدتی هستند هک ذره به وجود می آید یا از بین می رود .تعدادی از پارامترها در مدل به فشار و دمای هوا بستگی دارد . این پارامترها، چگالی گاز N و قابلیت حرکت - موبیلیتی - یون هستند . در - 10 - معادله ای صحیح برای چگالی گاز آمده است:
جریان الکترود زمین شامل چندین عبارت است .عبارت اول جریان هدایتی نامیده می شود ، که توسط حرکت ذرات در طول فاصله بین الکترودها ایجاد شده است و از آمپرمتر به زمین جریان دارد و به صورت زیر بیان می شود:
عبارت دیگر جریان مجموع جریان جابه جایی است .خود این جریان ممکن است به دو عبارت دیگر تقسیم شود، که عبارت خازنی و عبارت بار الکتریکی نامیده می شوند . عبارت اول هنگامی وجود دارد که مشتق زمانی ولتاژ اعمال شده بزرگتر از صفر باشد . عبارت دوم هنگامی وجود دارد که حرکت ذرات در فاصله هوایی بین الکترودها برقرار باشد که این امر علت ایجاد تغییر میدان الکتریکی میباشد .این دو جزء جریان جابه جایی در - 13 - توضیح داده شده اند.
