コロナ放電の理解：架空送電線への影響
前回の記事で送電線による電力伝送を説明しましたが、送電中に導体は視覚的・聴覚的な現象を示し、電力損失が生じます。これがコロナ効果です。
送電線におけるコロナ効果・放電とは？
「架空送電線で紫色の発光、ヒス音、オゾン発生が起こる現象をコロナと呼ぶ」
断面積に比べて導体間隔が大きい二導体送電線に交流電圧を印加すると、電圧が低いうちは周囲の空気には変化がありません。しかし、臨界破壊電圧を超えると、導体周囲に微かな紫色の発光（コロナ）が現れます。この現象にはヒス音、紫色発光、無線障害、オゾン発生が伴います。
電圧が高いほど発光エンベロープは大きく、音と電力損失も増大します。耐電圧を超えると導体間でフラッシュオーバーが起こり、空気絶縁が破壊されます。導体表面が滑らかなら均一な発光に、粗い部分ではより明るい発光が見られます。直流電圧では正極側に均一な発光、負極側に斑状の発光が観測されます。
コロナ発生の理論：
宇宙線、紫外線、放射能により空気には常にある程度の電離が存在し、自由電子、負イオン、中性分子が含まれます。しかし、導体間電位差が一定値を超えると導体表面に電位勾配が生じます。電位勾配が30kV/cmに達すると、自由電子が中性分子と衝突して二次電子を放出するのに十分な力を得ます。
この過程が連鎖的に進行し、大量の電子が導体周囲の空気へ放出され、空気が電離して導体間で火花放電が起こります。コロナ効果は音の部分と視覚的な部分に大別できます。
- 臨界破壊電圧： コロナが発生する最小の相中性線間電圧。導体半径r、導体間距離d、印加電圧Vのとき、導体表面の電位勾配gは、g = V / [r × logₑ(d/r)] V/cm で表される。
- 視覚的臨界電圧： 導体全長にわたって発光が現れる最小の相中性線間電圧。平行導体では破壊電圧Vcではなく、より高い視覚的臨界電圧Vvで発光が始まります。その実効値は次の式で与えられます。
コロナに影響する要因
コロナ現象は大気の物理状態と導体の条件の両方に影響されます。主な要因は以下の通りです。
- 大気： コロナは導体周囲の空気電離によって生じるため、大気状態の影響を受けます。嵐の際はイオン数が通常より多く、晴天時より低い電圧でコロナが発生します。
- 導体のサイズと形状： 導体表面が不規則だと、滑らかな導体よりコロナが発生しやすくなります。不均一な表面はコロナ発生の機会を増やします。
- 導体間隔： 送電線導体間隔は導体径より大きくする必要があります。間隔が狭いと低電圧で空気が電離し、コロナが発生します。
- 線電圧： 線電圧はコロナに大きく影響します。電圧が低ければ空気の変化はなくコロナも発生しません。しかし、一定値を超えると導体表面に静電応力が生じ、空気が電離してコロナが発生します。
コロナ効果の低減方法
33kV以上の運用電圧では強烈なコロナ効果が観測されるため、送電線・変電所の設計段階でこの破壊的影響を回避する配慮が必要です。主な低減方法は以下の通りです。
- 導体サイズの拡大： 導体径を大きくするとコロナ発生電圧が上昇し、効果が大幅に低減されます。
- 導体間隔の拡大： 導体間隔をコロナ発生間隔より広げると効果的に低減できます。間隔を広げると導体間に多くの粒子を収容できます。
コロナ効果の長所と短所
コロナには利点と欠点があります。高圧架空線の適切な設計では以下のメリット・デメリットが最も重要視されます。
メリット
- コロナにより導体間空間が電離して導電経路となり、導体の仮想直径が増大します。
- コロナはサージによる過渡現象の影響を軽減します。
デメリット
- コロナにはエネルギー損失が伴うため、送電効率に影響します。
- オゾンが発生し、腐食の原因となる可能性があります。
- コロナによるライン電流は非正弦波となるため、線路に非正弦波の電圧降下が生じます。
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