Koronakisülés kísérleti körülmények között nagyfeszültségű vezeték körül

A koronakisülés (vagy csendes kisülés) az elektromos áram egy megjelenési formája, amely normál atmoszferikus nyomású gázokban jön létre, erős, inhomogén elektromos tér jelenlétében, ha a feszültséggradiens az elektromosan töltött felület egy pontján meghaladja a gáz ionizációjához szükséges, az adott konkrét körülmények között érvényes értéket, de nem haladja meg az átütési feszültséget (ez utóbbi esetben „hangos” kisülés: szikrázás vagy elektromos ív jön létre). Légköri körülmények között a koronakisüléshez nagyjából pár száz kV/m-es feszültséggradiens szükséges, azonban ez a határérték a levegőt ionizáló tárgy alakjától is jelentősen függ.

A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik, ún. „hideg plazma” jön létre; a távolabbi gáz eredeti állapotában marad. Jellemző kísérőjelenség a halvány, derengő (a földi légkörben a polaritástól függő kékesfehér vagy pirosas színű, a leggyakrabban csak sötétben látható) fény és a sziszegő, halkan sercegő hang. A legenyhébb esetekben a fényhatás szinte teljesen eltűnik, és csak a sercegő hang marad. Konkrét megjelenésének jellemzői függenek a környezet páratartalmától, az elektródák alakjától, a polaritástól, a frekvenciától, az elektródák közötti rés nagyságától és a gáz összetételétől. Nem csak látható (illetve hallható) megnyilvánulása van, észlelhető rádiófrekvenciás zavar formájában is, amit a nagyfeszültségű távvezetékek mentén éppen az ilyen hibák felderítéséhez használnak fel (a távvezetékeknél a jelenség energiaveszteséggel jár, és további hibák okozója lehet).

Elektromos jellemzői a viszonylag nagy elektromos feszültség mellett kialakuló kis áramerősség, valamint a szikrázás hiánya (ezzel szemben az elektromos szikra éles, vakító fénnyel és erős hanggal jár – lásd pl.: villám). Szikrázás vagy elektromos ív akkor jön létre, ha a nagy feszültséggradiens miatt létrejövő elektromosan vezető gáz annyira kiterjed, hogy az elektródák közötti teret teljesen kitölti.

Számtalan történelmi feljegyzésből mint Szent Elmo tüze ismert, ami jellemzően a hajók árbócán jelent meg, általában viharos időben.

Keletkezése, előállítása

A koronakisülés többnyire olyan geometria esetén jön létre, amiben az egyik elektródának kicsi a görbületi sugara (például egy tű hegye vagy egy vezeték hegyes vége), míg a másiknak nagy (ez sima felület vagy akár a földfelszín is lehet). A kis görbületi sugár biztosítja a nagy feszültséggradienst a plazma előállításához.

A nagyfeszültségű távvezetékek koronakisülése természetes, de nemkívánatos jelenség, mert energiaveszteséget okoz, az alkatrészeket rongálja, és különféle zajokat kelt. A jelenség ellen az elektródaként viselkedő alkatrészek alakjának módosításával, a távolságok növelésével védekeznek (például ún. „koronagyűrű”-vel). Itt a jelenség elsődleges kiváltó oka a rossz időjárás (eső, hó, köd, pára).

A koronakisülés hatását a nagyfeszültségű távvezetékek létesítésének már a korai időszakában felismerték, és ezek tervezésénél figyelembe vették, mivel a kisülésből fakadó veszteség volt a megvalósítás elsődleges korlátja. A mai napig ez jelenti a 300 kV alatti vezetékeknél a korlátozó tényezőt. A 300 kV és 800 kV közötti távvezetékek működésével az elektromágneses zavarok csökkentése vált meghatározó céllá. A 800 kV feletti feszültségek esetén a hallható hang csökkentése a fő szempont a másik két paraméter előtt. A veszteséget 1 km-es vezetékszakaszra vetítve szokták megadni. A veszteség jó időben általában elhanyagolható, de rossz idő esetén akár több száz kilowatt is lehet kilométerenként!

Az elektromágneses zavar frekvenciaspektruma az 1 Hz-től a 10 MHz-es tartományig terjed. Ez folyamatos zavarokat okoz a rövid- és középhullámú rádióvételben, a televíziónál pedig rövid ideig tartó impulzusok formájában jelentkezik.

A vezeték közelében hallható hang frekvenciája a vonal váltakozó áramának megfelelő frekvenciától kezdődően (Európában 50 Hz) egészen az ultrahangokig terjed.

Egyenáramú táplálás esetén sokkal kisebb zaj keletkezik mindkét tartományban a váltóáramhoz viszonyítva.^[1][2]

Napjainkban a távvezetékeken kívül leggyakrabban repülőgépek szárnyvégein látható koronakisülés.

Mesterséges előállítása történhet tűelektródák között, illetve kerámia vagy üveg felületén. Előállításához nagyfeszültség (>10 kV) szükséges.

Pozitív és negatív koronakisülés

A koronakisülés lehet pozitív és negatív. Az elnevezés a hegyes csúcs polaritásától függ: ha ez pozitív a laposabb felülethez képest, pozitív koronakisülésről beszélünk, ha ez negatív, akkor negatív koronakisülésről van szó. Váltakozó áram esetén a körülményektől függően mindkét fajta kisülés létrejöhet, míg egyenáramnál csak az egyik.

A kétféle koronakisülés fizikai működése alapvetően eltér. Ennek oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege lényegesen különbözik, aminek következtében normál légköri nyomáson és hőmérsékleten csak az elektronok ionizálódnak megfelelő mértékben.

Ezt a különbséget használják ki ózon előállításánál, mivel a negatív koronakisülés sokkal több ózont állít elő a pozitív koronához képest.

A negatív koronakisülés színe inkább pirosas, míg a pozitív koronakisülésé kékesfehér.^[3]

Felhasználása

Számtalan ipari és kereskedelmi felhasználási területe közül néhány:

• gyógyítás (fertőtlenítés, bőrgyógyászat)
• ipari ózonelőállítás
• Kirlian-fotográfia
• légkondicionáló berendezés
• káros szerves anyagok eltávolítása a légkörből (mint pl. rovarirtók, oldószerek, kémiai fegyverek)
• polimerek oldhatóságának javítása (pl. nyomtatóban alkalmazott festék esetén)
• fénymásológép
• ionizációs légtisztító berendezés
• nitrogénlézer
• tömegspektrométer
• szilárdtest hűtés elektronikus alkatrészek számára

Jegyzetek

Források

• http://dictionary.reference.com/browse/corona+discharge?jss=0
• http://science.howstuffworks.com/st-elmo-fire1.htm