Как сделать коронный разряд
На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны UH = UK при времени tx (рис. 1.12, а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (см. рис. 1.12, в). Из чехла короны положительные заряды выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (03). Процесс коронирования продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет Umax при t2. Несмотря на повышение U до Umax, напряженность на проводе остается постоянной и равной Ек из-за влияния объемного заряда. Затем напряжение начинает снижаться. Синхронно снижается и напряженность на проводе Еп> что приводит к погасанию короны. Но после погасания короны (после t2) в пространстве остается положительный внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (см. рис. 1.12, в). Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет ~40— 100 см. Разность потенциалов между проводом и 03 увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени /3. Еще до достижения t3 потенциал на проводе относительно 03 приобретает отрицательное значение (условно при /3). В момент времени t4 (см. рис. 1.12, а, в), когда напряжение достигает U0, которое зна-
Рис. 1.12. Корона на проводе при переменном напряжении:
а — изменение напряжения U во времени; 6 — изменение емкостного тока провода /с и тока короны /к во времени; в — чехол короны и объемные заряды в различные моменты времени чительно меньше UK, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю область, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит релаксация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего 03 (t5). Затем накапливается отрицательный 03 во внешней области (/6). Все это происходит за время от tA до /6 (см. рис. 1.12, а, в). В момент времени /6 (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются, и зажигание короны на обеих полярностях происходит при U0. Между проводом и землей есть емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостной ток ic (см. рис. 1.12, б):
Возникновение коронного разряда в момент t приводит к появлению тока короны /к, который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (см. рис. 1.12, б). Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, т.е. до времени t2 (или t4-t5, /6-/7).
При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше.
На характеристики коронного разряда — начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум — значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны.
Коронный разряд возникает при электрическом пробое газа; он может быть использован как химический катализатор. В таком разряде образуются свободные радикалы, способствующие химическим реакциям.
Газы в обычных условиях — хорошие электрические изоляторы. Но в достаточно сильном электрическом поле происходит пробой; молекулы газа ионизуются, и газ становится проводником. Если между грозовыми облаками и землей ударяет молния или между двумя электродами в лабораторной установке вспыхивает искра, то такой внезапный пробой создает искровой канал. Когда же между электродами помещен барьер в виде диэлектрика или изолятора, канал не образуется: препятствие мешает развиться разряду. Вместо горячей локализованной дуги между электродами появляется более холодное расплывчатое свечение.
При атмосферном давлении слабый синеватый разряд сразу указывает на неполный пробой газа; он и называется коронным разрядом (или короной). В электротехнике появление короны — сигнал бедствия. Если, например, высоковольтные линии начинают светиться в плохую погоду — это значит, что напрасно тратится электрическая энергия. Но коронный разряд может быть и полезным.
Мы проводим исследования по использованию короны в качестве катализатора с широким диапазоном действия.
Ионная и ковалентная связи
Любой электрический пробой в газах приводит к увеличению химической активности. Гроза выбрасывает на землю тонны азотной кислоты — продукта реакции, в которой участвуют азот, кислород и водяной пар атмосферы. Здесь электричество — молния — служит химическим катализатором. Это не должно нас удивлять: ведь все химические связи между атомами имеют электрическую природу.
В неорганических солях связь ионная. Одни атомы этих веществ имеют лишний электрон, а у других — его не хватает. Противоположно заряженные атомы притягиваются друг к другу. Соли можно разложить с помощью электролиза; ионы разных знаков при этом движутся к противоположным электродам.
В большинстве других молекул связь ковалентная. Притягивающиеся атомы делят между собой два орбитальных электрона. Ну, как будто бы два ядра завернуты в одну упаковку, образованную двумя электронами.
История. Новые возможности
Идея использовать коронные разряды в качестве катализатора была высказана впервые еще 100 лет тому назад. Однако создание коронных разрядов оказалось не простым делом. Взаимодействие высоковольтного разряда с веществом изолятора ставило, казалось, неразрешимые задачи: выход продукта сильно колебался, электрическое оборудование было ненадежным…
Информация, полученная в радиационной химии, подходит для исследований короны, так как в обоих случаях мы имеем дело со свободными радикалами, образованными электронным ударом. Радикал — часть молекулы, действующая как самостоятельная единица. Например, атом водорода — радикал; то же можно сказать о метильной группе (СНЧ), аминной группе (NН2) и ацетильной группе (СН3СО). Обычно радикалы связываются с другими атомами ковалентной связью и таким образом образуют молекулу. Если же связь разрушена, радикал остается с одним или с большим числом неспаренных электронов. В этих условиях радикал охотно соединяется с другим атомом или группой атомов. Он чрезвычайно активен и существует в свободном состоянии в лучшем случае доли секунды. Задача радиационной химии и химии коронного разряда — создавать свободные радикалы в таком окружении, которое позволяет с большой вероятностью образовывать желаемые молекулы.
Таким образом энергия короны более дешева, чем какая-либо другая доступная в настоящее время энергия активации электронами. Однако излучение высокой энергии обладает тем преимуществом, что оно проникает внутрь жидкостей и твердых тел. Коронный же разряд происходит лишь в газах и создает свободные радикалы только в газе или смеси газов. Однако свободные радикалы газовой фазы могут воздействовать и на молекулы жидкости или мелкоразмолотого твердого тела.
Как образуется коронный разряд. Как он действует
Инициаторы коронного разряда — небольшое число случайных электронов, которые всегда присутствуют в газах благодаря действию космических лучей или фона радиоактивных элементов. Если на газ наложить высокое напряжение (примерно от 10 до 15 киловольт), то электроны будут разгоняться в сильном электрическом поле по направлению к аноду. На своем пути они соударяются с молекулами газа и отталкиваются из-за большого различия масс, подобно тому как мяч для пинг-понга отскакивает от шара для игры в кегли. Затем движение электронов снова ускоряется (или умедляется). Иногда электрон имеет достаточно большую длину свободного пути, тогда он набирает большую энергию и при соударении с молекулой может преодолеть барьер отталкивания орбитальных электронов. При этом произойдет одно из двух явлений. В первом случае орбитальный электрон будет выбит из молекулы, образуется положительный ион и добавочный свободный электрон, который в свою очередь может соударяться с другой молекулой; однако чаще орбитальный электрон остается в молекуле, но переходит на нестабильную орбиту с большей энергией, образуя возбужденную молекулу. Вскоре в газе образуется много свободных электронов, положительных ионов, возбужденных молекул, много тепла и света, короче — развивается коронный разряд. Возбужденные молекулы не стабильны: они спонтанно распадаются на свободные радикалы. Весь процесс образования короны занимает приблизительно сто наносекунд. Он повторяется каждый раз, когда электрическое поле изменяет свое направление.
Синтез озона из кислорода — это типичная трехступенчатая реакция в короне. Электроны при соударении создают положительные ионы и возбужденные молекулы кислорода. Последние диссоциируют на свободные радикалы (атомы кислорода). Такие атомы очень активны. Соединяясь с остальными молекулами кислорода, они образуют желаемый продукт — озон. Можно сделать несколько общих выводов о процессах в короне на основе изучения синтеза озона. Во-первых, озон на энергетической шкале стоит выше, чем кислород. Он активнее, сильнее окисляет, иногда даже взрывается. Следовательно, в отличие от обычного хода химической реакции в короне часто синтезируются продукты с большей энергией, менее стабильные, чем исходные материалы. Во-вторых, эффективность синтеза озона уменьшается по мере накопления его в разряде, так как он чувствительнее к воздействию коронного разряда, чем кислород. То же самое наблюдается у многих других продуктов, синтезированных в короне. Поэтому продукты реакции должны быстро удаляться из активной зоны.
Наконец, кислород, введенный в озонатор, должен быть сухим. В присутствии водяного пара электроны и радикалы более активно взаимодействуют с молекулами воды, чем с молекулами кислорода. Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что исходные материалы в короне должны быть химически чистыми. В противном случае коронный разряд будет воздействовать на наиболее уязвимые молекулы и энергия растратится на побочные реакции.
Немного о конструкции реактора
После того, как мы описали коронный разряд и то, что он дает для химии, можно перейти к практическому применению короны в реальных химических процессах. Одна из важнейших задач технического применения короны — создание коронной разрядной камеры, или реактора.
Наиболее просто решать задачу, когда и исходный материал, и получаемые продукты — газы.
В этом случае реактор может состоять из большего числа близко расположенных плоских или цилиндрических электродов, окруженных изоляторами соответствующей формы. Между электродами возбуждается коронный разряд и проходят газы. Синтезируемые молекулы непрерывно удаляются из смеси газов, выходящих из реактора, а газ направляется вновь в реактор, где происходит дальнейшая переработка исходного материала.
Если один из материалов — жидкость, необходимо обеспечить длительное существование двухфазной системы, чтобы свободные радикалы, возникающие в газе, могли встречаться с молекулами жидкости. В одной конструкции, удобной для исследования (но, по-видимому, не эффективной для промышленности), коронный разряд возбуждается непосредственно над поверхностью жидкости, в которую диффундируют радикалы; для повышения эффективности разряда лучше все содержимое немного перемешивать.
В нашей лаборатории были разработаны системы для газов, для газа и жидкости, а также для порошков и газа. Обычно мы работали с напряжением от 10 до 15 киловольт и плотностью тока от 50 до 100 микроампер на 1 см 2 . Эти значения использовались при частоте переменного напряжения 10 килогерц, при других частотах они были пропорционально выше или ниже.
Но возможно, конечно, что ошибаемся мы — опасно быть догматиком в развивающейся области техники.
Примеры синтеза в коронном разряде
Корона эффективна для широкого класса химических реакций. Исходя из старого примера синтеза озона, можно назвать большое число аналогичных реакций, в которых простые молекулы переходят в более сложные, с большей энергией.
Перекись водорода, которая обычно создается при низковольтном электролизе,— подходящий кандидат для синтеза в короне. Немецкие химики еще перед второй мировой войной почти закончили разработку экономически выгодной технологии. Реакция идет прямым путем. Молекула воды в короне разлагается на свободный радикал гидроксила (ОН) и атом водорода. Два гидроксила соединяются в перекись водорода (Н2О2).
Другим подходящим продуктом является гидразин — азотный аналог перекиси водорода. Он используется в качестве топлива для ракет и мог бы иметь другие применения, если бы его удалось изготовлять недорогим способом.
В нашей лаборатории мы возбуждали коронный разряд в аммиаке. Возбужденная молекула аммиака (NH3) диссоциирует на аминный радикал и радикал водорода, который создает еще один радикал аминной группы, отнимая водород от аммиака. Два аминных радикала соединяются в молекулу гидразина (Н2Н4). Можно в короне имитировать синтез азотной кислоты молнией.
Коронный разряд особенно удобен для синтеза наиболее активных веществ. Например, существует несколько нестойких окислов фтора, разрушающихся при температуре их синтеза обычными методами. Исследовательская группа университетских ученых синтезировала их в короне при низкой температуре.
Низкая температура не препятствует возбуждению коронного разряда и образованию свободных радикалов; но она сохраняет продукты реакции, когда радикалы объединяются. Группа сотрудников университета завершила синтез в короне еще более необыкновенных веществ — к благородным газам ксенону и криптону были присоединены фтор и окись фтора .
Можно с уверенностью утверждать, что благодаря малому расходу энергии в короне, она найдет широкое применение в создании большого числа материалов. Мы исследовали много таких возможных применений. В их числе — полимеризация, крекинг нефти, очистка воды.
Коронный разряд очищает воду
Коронный разряд уже в течение ряда лет играет некоторую роль в очистке воды, правда, не непосредственную.
Синтезированный в короне озон используют для очистки питьевой воды. Его эффективность объясняется тем, что озон — сильный окислитель. Непосредственное химическое и бактериологическое действие коронного разряда на воду, очевидно, аналогично действию озона, только более эффективно. Корона образует на поверхности воды гидроксильный и гидроперекисный (НОО) радикалы. Они диффундируют в воду, где убивают бактерии, нарушая в них процесс обмена веществ. Радикалы взаимодействуют также с любыми органическими примесями, начиная процесс окисления, который продолжается до тех пор, пока органические вещества, включая мертвые бактерии и стойкие дезинфицирующие средств полностью не превратятся в безвредные молекулы.
Есть надежда, что коронный разряд может произвести полную очистку сбрасываемых вод. Это поможет использовать их для водоснабжения городов. По нашему мнению, для обработки воды можно использовать несколько разных по конструкции коронных реакторов, в том числе модель с вращающимся диском, трубчатый реактор, в котором вода и воздух — или кислород — закручиваются между концентрическими электродами; но необходимо продолжать разработку конструкции реактора, более эффективно доставляющего радикалы в воду. Тем не менее очевидно, что очистка воды — это одна из наиболее обещающих областей использования техники коронного разряда.
Коронный реактор хорош не только для очистки городской воды, но и для совсем других цепей. Например, он может заменить пастеризацию при изготовлении бутылочного пива.
Полимеризация в коронном разряде
Первые исследователи коронного разряда были обеспокоены неожиданными отложениями, которые покрывали их оборудование. До века господства пластмасс цель органической химии состояла в получении чистых, легко описываемых соединений, и поэтому образование таких остатков представлялось в то время нежелательным явлением. Теперь ученым ясно, что эти смолистые отложения были полимерами — длинные цепочки молекул образовывались из последовательно соединившихся свободных радикалов, возникших в коронном разряде.
Полимеризация — одно из основных направлений химической индустрии; кажется вероятным, что полимеризация будет одной из наиболее успешных областей применения коронного разряда. Наиболее привлекательно использовать его для нанесения тонких пленок полимеров на листы металла, пластмассы или ткань.
Материал, предназначенный для покрытия, мы вводили в коронный реактор вместе с подходящим мономером в виде газа или пара. Радикалы и ионы, образованные в короне, полимеризовались и конденсировались на материале, продолжая полимеризоваться и там под влиянием как собственных радикалов, так и бомбардировки электронами короны. Возникающее покрытие хорошо держится, имеет всюду одинаковую толщину. Его свойства можно контролировать, так как они зависят от выбранных мономеров, скорости потока газа, мощности коронного разряда, температуры и других параметров. Покрытие может быть либо клейким, либо, если молекулы сцеплены бесчисленными связями во многих направлениях, твердым, нерастворимым и непроницаемым.
Большим преимуществом полимеризации в короне является возможность сразу, в один цикл получить окончательное покрытие из недорогого мономера.
Коронный разряд в крекинге
Одной из основных операций переработки нефти и угля является крекинг-процесс, в котором большие молекулы нефти или угля разбиваются на меньшие, летучие молекулы. Крекинг основывается на химии свободных радикалов и, по-видимому, может быть проведен в коронном разряде. Однако обычный бензин достаточно дешев, и поэтому применение коронного разряда пока не стало экономически выгодным.
Ситуация может стать совсем другой для некоторых специфически нефтехимических процессов, чувствительных к коронному разряду. Мы пытались очистить в короне тяжелую нефть от серы. Сера в нефти, используемой как горючее, — серьезный источник загрязнения воздуха. В ходе предварительных исследований в корону помещался уголь. Мы обнаружили, что сернистый водород был всегда одним из первых продуктов взаимодействия коронного разряда с углем. В угле (и, как мы надеемся, в нефти) коронный разряд, по-видимому, наиболее легко разрывает химические связи серы.
Первоначальная цепь работы с углем состояла в том, чтобы превратить значительную часть угля в жидкое и газообразное топливо. Остающаяся часть угля могла быть использована как источник энергии коронного разряда. Во время обеих мировых войн немецким химикам удавалось создавать бензин и нефть из угля методом гидрирования. Но в мирное время этот процесс не экономичен.
Мы намеревались уменьшить стоимость и увеличить выход высокооктанового бензина, используя коронный разряд при атмосферном давлении; брали для этого реактор с вращающимся диском, а также и некоторые другие.
Диск доставлял в зону короны уголь в виде пленки пыли или каменноугольного дегтя. Там он расщеплялся под действием электронов и свободных радикалов в потоке водорода или метана.
Полученные продукты содержали множество летучих углеводородов, включая алифатические и ароматические молекулы — бензол, ксилол и толуол. Однако процесс оказался недостаточно эффективным.
Циклические молекулы, входящие в состав угля, поглощают много электрической энергии. Молекулы не расщепляются, а отдают энергию в виде тепла.
В некоторых атомных реакторах нефть используют как регулятор процесса, так как она, имея аналогичное молекулярное строение, эффективно поглощает энергию.
Итак, коронный разряд пригоден для получения полупродуктов из угля, но в настоящее время отсутствует экономически выгодный метод для превращения угля в жидкое топливо.
Однако, возможно, дальнейшие исследования изменят это утверждение. На данной стадии исследований химии коронного разряда не существует такого суждения, которое можно было бы рассматривать как окончательное.
Методы уменьшения потерь на корону Одним из основных условий при проектировании и сооружении ЛЭП является выбор конструктивных параметров линии, при которых потери на корону, по крайней мере в хорошую погоду (m2 1), были близки к нулю. Из вышеизложенного материала следует, что одним из средств борьбы с короной является увеличение диаметра провода.
Для линий напряжением 110, 220 и 400 кВ минимальные допустимые диаметры соответственно равны 1,25; 2,5 и 4,6 см, что соответствует действительно применяемым величинам.
Путь борьбы с короной заключится в уменьшении напряженности поля на поверхности провода и увеличении напряжения начала короны. Простое увеличение диаметра провода позволяет относительно легко решить поставленную задачу, но при этом снижается экономическая эффективность передачи электроэнергии, т.к. снижается экономическая плотность тока и, следовательно, уменьшается удельная передаваемая мощность. Таким образом, принцип минимальных затрат, на основе которого выбирается минимальный диаметр провода с учетом экономической плотности тока, при таком подходе не реализуется, и стоимость передачи электроэнергии возрастает. Для сохранения удельных параметров передаваемой мощности необходимо повысить передаваемую плотность тока, а также рабочее напряжение линии. Но при этом, естественно, возникает снова проблема борьбы с короной. Возникает замкнутый круг.
Применение полых проводов является практически идеальным решением. Но изготовление таких проводов из отдельных специальных проволок сложного профиля представляет из себя достаточно трудоёмкий процесс. Альтернативным вариантом применения полых проводов является использование сталеалюминиевых проводов. Они являются основными типами проводов в современной энергетике. Такой провод состоит из центрального стального сердечника, который свивается из отдельных стальных проволок и воспринимает основную механическую нагрузку при эксплуатации. Поверх сердечника накладывается один или несколько повивов из алюминиевых проводов, по которым передается электрическая нагрузка. Технология изготовления таких проводов проще, а в отношении потерь на корону они аналогичны полым проводам.
При сооружении ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения широкое распространение получили расщепленные провода, в которых каждая фаза вместо одного провода большого сечения, обычно специальной и иногда сложной конструкции, заменяется несколькими более тонкими стандартными проводами, расположенными на некотором удалении друг от друга, но с суммарным сечением, равным или несколько превышающим сечение одинарного провода. Применение расщепленных проводов позволяет также существенно снизить уровень радиопомех. Расщепление проводов позволяет отказаться от применения более дорогих специальных проводов, но монтаж расщепленных проводов более сложнее и требует специальных устройств для подвески проводов расщепленной фазы и поддержания между ними с помощью специальных распорок необходимого шага расщепления (а=40-50 см). Применение расщепленных проводов приводит к уменьшению индуктивности линии. При этом уменьшается волновое сопротивление линии, что способствует повышению пропускной способности передачи. Это особенно важно для линий сверхвысоких напряжений, предназначенных для передачи очень больших мощностей.
Одним из путей дальнейшего повышения рабочего напряжения ЛЭП и снижения потерь на корону является использование расширенных проводов с электроизоляционным сердечником.
Важным средством борьбы с короной является использование экранов. Экран представляет собой кожух или короб, изготовленный из тонколистовой стали, который как бы охватывает собой все коронирующие детали (болты, гайки, острые выступающие детали и т.п.) и соединенный электрически коронирующими деталями, т.е. имеющий тот же потенциал, что и коронирующие части установки. Применение экранов позволяет улучшить эстетический вид установки.
Читайте также: