Corona-Entladung verstehen: Auswirkungen auf Freileitungen

In vorangegangenen Artikeln besprachen wir die Energieübertragung über Freileitungen vom Kraftwerk zum Verbraucher. Dabei zeigen Leiter visuelle und akustische Effekte, die zu Leistungsverlusten führen – bekannt als Corona-Effekt.

Was ist Corona-Effekt / -Entladung in Freileitungen?

„Das Phänomen violettem Leuchten, Zischen und Ozonbildung an einer Freileitung heißt Corona.“

Wird an zwei Leiter einer Freileitung – deren Abstand groß gegenüber dem Leiterschnitt ist – eine Wechselspannung angelegt, ändert sich bei niedriger Spannung die umgebende Luft nicht. Übersteigt die Spannung einen kritischen Wert (kritische Entladungsspannung), umgibt ein schwaches violettes Leuchten (Corona) die Leiter. Begleitet wird dies von Zischgeräusch, violettem Schein, Funkstörungen und Ozonbildung.

Je höher die Spannung, desto größer und heller der Leuchtenhülle, der Ton und der Leistungsverlust. Wird der Durchschlagswert überschritten, erfolgt ein Überschlag (Flashover) zwischen den Leitern, der die Luftisolierung zerstört. Bei glatten, polierten Leitern erscheint ein gleichmäßiger Glanz; raue Stellen leuchten heller. Bei Gleichspannung: positiver Leiter gleichmäßiger Glanz, negativer Leiter fleckiger Glanz.

Theorie der Corona-Entstehung:

Durch kosmische Strahlung, UV-Licht und Radioaktivität ist immer etwas Ionisation in der Luft vorhanden. Normalerweise enthält Luft freie Elektronen, negative Ionen und neutrale Moleküle. Übersteigt die Potentialdifferenz einen kritischen Wert, baut sich an der Leiteroberfläche ein Potentialgradient auf. Erreicht dieser 30 kV/cm, können freie Elektronen mit neutralen Molekülen so stark kollidieren, dass weitere Elektronen freigesetzt werden. Dieser Prozess kumuliert sich: viele Elektronen springen in die Umgebungsluft, die Luft ionisiert, ein Funke entsteht zwischen den Leitern. Der Corona-Effekt lässt sich in einen akustischen und einen visuellen Teil gliedern.

1. Kritische Entladungsspannung (Critical Disruptive Voltage): Minimale Phasen-Erd-Spannung, bei der Corona auftritt. Zwei Leiter mit Radius r, Abstand d. Bei angelegter Spannung V ist der Potentialgradient an der Leiteroberfläche: g = V / [r · ln(d/r)] Volt/cm.
2. Visuelle kritische Spannung (Visual Critical Voltage): Minimale Phasen-Erd-Spannung, bei der ein Glimmen entlang der gesamten Leiterlänge erscheint. Bei parallelen Leitern beginnt das Corona-Leuchten nicht bei der Entladungsspannung Vc, sondern bei einer höheren Spannung Vv (visuelle kritische Spannung). Der phasen-erd-bezogene Effektivwert ist durch die Formel gegeben.
   

Einflussfaktoren auf den Corona-Effekt

Der Corona-Effekt wird vom physikalischen Zustand der Atmosphäre und vom Leitungszustand beeinflusst. Entscheidende Faktoren:

1. Atmosphäre: Da Corona durch Ionisation der Umgebungsluft entsteht, beeinflusst der atmosphärische Zustand ihn direkt. Bei Gewitter mehr Ionen als normal – Corona tritt bereits bei deutlich niedrigerer Spannung auf als bei Schönwetter.
2. Leitergröße & -form: Unregelmäßige Leiteroberflächen begünstigen Corona gegenüber glatten Leitern, da Unebenheiten die Feldstärke lokal erhöhen.
3. Leiterabstand: Der Abstand muss größer sein als der Leiterdurchmesser. Zu kleiner Abstand ionisiert die Luft bereits bei niedriger Spannung.
4. Leitungsspannung: Bei niedriger Spannung keine Änderung der Umgebungsluft, keine Corona. Wird ein kritischer Wert überschritten, erzeugen elektrostatische Spannungen an der Leiteroberfläche Ionisation und Corona.

Methoden zur Reduzierung des Corona-Effekts

Intensive Corona-Effekte treten ab 33 kV Betriebsspannung auf; bei Leitungskonstruktion und Umspannstationen muss darauf geachtet werden, diese zerstörerischen Effekte zu vermeiden. Methoden zur Reduzierung:

1. Vergrößerung des Leiterquerschnitts: Erhöht die Spannung, bei der Corona einsetzt, und reduziert die Effekte erheblich.
2. Vergrößerung des Leiterabstands: Erhöht man den Abstand über den Corona-Eintrittsabstand hinaus, wird der Effekt deutlich verringert. Mehr Raum nimmt mehr Teilchen auf.

Vor- und Nachteile des Corona-Effekts

Bei korrektem Design von Hochspannungs-Freileitungen sind folgende Punkte am wichtigsten:

Vorteile

1. Durch Corona wird der Raum zwischen Leitern ionisiert und leitfähig – der virtuelle Leiterdurchmesser vergrößert sich.
2. Corona mildert die Auswirkungen von Überspannungstransienten (Schaltüberspannungen, Blitz).

Nachteile

1. Corona geht mit Energieverlust einher – verschlechtert den Übertragungswirkungsgrad.
2. Ozonbildung kann Korrosion verursachen.
3. Der Corona-Strom ist nicht sinusförmig, was zu nicht-sinusförmigen Spannungsfällen in der Leitung führt.