25 WYŁADOWANIE KORONOWE I NAPIĘCIE KROKOWE

W części 14 napisałem:

"Natomiast drugie zdjęcie z Zestawu 12 może być fragmentem przewodu antenowego złożonego z kilku drutów rozpiętych
na kołowej rozpórce. Taki sposób jest stosowany przy przewodach znajdujących się pod bardzo wysokim potencjałem
dla zapobieżenia wyładowaniom koronowym. Będę jeszcze o tym pisał" [1]. Obecnie wywiązuję się z tej obietnicy.

Wyładowanie koronowe opisane zostało w 1915 roku przez amerykańskiego fizyka Franka Williama Peek’a [2].
Opublikował on empiryczną zależność opisującą warunki niezbędne do wystąpienia wyładowania koronowego między dwoma przewodami.

Przekonałem się, że nie było łatwe znalezienie, nawet w Internecie, wyjaśnienia wprost, dlaczego wykonanie przewodu znajdującego się
pod bardzo wysokim napięciem w postaci kilku drutów lub poprzez dodanie elementów zwiększających powierzchnię
ich końcówki zapobiega wyładowaniom koronowym. Dlatego też podaję swoją wersję objaśnienia skuteczności takich rozwiązań.

W pierwszej kolejności najlepiej zacząć od wyjaśnienia co to jest wyładowanie niezupełne, czyli ulotowe.

Mechanizm postawania ulotu można wytłumaczyć w sposób następujący. Wyobraźmy sobie izolowaną metalową kulę,
na którą wprowadzone zostały ładunki elektryczne o znacznej wartości. Jest oczywiste, że wobec symetrii geometrycznej kuli ładunek
rozłoży się równomiernie na jej powierzchni. Jeśli myślowo zmniejszylibyśmy średnicę tej kuli zwiększyłby się jej potencjał elektryczny
i wzrosłaby gęstość ładunku elektrycznego na jej powierzchni. Tak więc zmniejszenie promienia krzywizny kuli przewodzącej
spowodowało wzrost gęstości ładunku elektrycznego. I rzeczywiście gęstość ładunku elektrycznego jest odwrotnie proporcjonalna
do promienia krzywizny w miejscu pomiaru. Im mniejszy promień krzywizny, tym większa gęstość ładunku elektrycznego.

Przewodnik naładowany o ostrych fragmentach łatwo traci swój ładunek. Bowiem promień krzywizny tych ostrzy jest tak mały,
że gęstość ładunku w ich pobliżu wzrasta do bardzo dużych wartości. Powoduje to jonizację cząstek ośrodka,
czyli przekazywanie ładunku  elektrycznego jego cząstkom znajdującym się w pobliżu ostrzy.
Powstaje wówczas tzw. wiatr elektryczny. Reasumując, można zdefiniować, że :wyładowaniem koronowym (z ang. corona discharge)
nazywa się elektryczne wyładowanie niezupełne lub ulotowe, spowodowane przez jonizację płynu czyli cieczy lub gazu otaczającego przewodnik,
które pojawia się kiedy gradient potencjału (gradient - w analizie matematycznej pola wektorowe wskazujące,
że  w danym punkcie następuje kierunek najszybszego wzrostu danego pola skalarnego) przekracza pewną wartość,
ale warunki są niewystarczające do przebicia lub powstania łuku.
Gdy przyłożone zostanie wysokie napięcie do stosunkowo cienkiego przewodnika jakim jest przewód energetyczny
występuje zjawisko wspomnianego ulotu, które może prowadzić do powstawania znacznych strat przesyłanej energii.

"Korona" często jest widoczna w postaci niebieskiej mgiełki. Generuje zakłócenia akustyczne słyszalne przez człowieka
na falach dźwiękowych oraz promieniowanie elektromagnetyczne utrudniające odbiór słabych sygnałów radiowych.
Być może z tego też powodu nastąpiło rozdzielenie i oddalenie stacji odbiorczej
od stacji nadawczej Transatlantyckiej Centrali Radiotelegraficznej.

Ciekawą informacją związaną z zjawiskami towarzyszącymi działaniu anteny Alexandersona, w której napięcie osiągało wartość
ok. 180.000 [V] znalazłem w publikacji http://www.infoage.org/at_gen.htlm. Wspominałem już o tym.

Powstawaniu wyładowania koronowego przeciwdziała się, stosując duże promienie krzywizny wszystkich powierzchni znajdujących się
pod wysokim potencjałem. Przykładem takich rozwiązań mogą być osłony w postaci kół wykonanych z aluminium
i połączonych z końcówkami izolatorów od strony wysokiego napięcia, pokazanych w części 14 i 16.

Pisałem o tym w części 14:

"Przewody zasilające antenowe przewody promieniujące, podwieszone były na porcelanowych izolatorach typu rurkowego
na poprzecznych dźwigarach. Izolatory posiadały końcówki wykonane ze stali i galwanizowane.
Były wyposażone w aluminiowe elementy zapobiegające wyładowaniom koronowym i deszczowe osłony na końcach.
Dwa takie izolatory połączone były szeregowo i miały długość 1.35 metra (53 cali)”. Zdjęcia bardzo wyraźne takich osłon,
stosowanych w nadajnikach polskim i szwedzkim, otrzymałem od Panów Marcina Borkowskiego i Dariusza Śladowskiego.
Przedstawiają one elementy nadajnika szwedzkiego w Grimeton:  fot. 1 – fot. 3.

Fot.  1 Widok wnętrza ogniwa przeciw koronowego i osłony przeciw deszczowej.

Na zdjęciu od góry widzimy: metalowy element anty koronowy, izolator i metalowy stożek przeciw deszczowy.

Fot. 2  Zestaw  anty koronowy anteny złożony z dwóch ogniw anty koronowych i osłon przeciwdeszczowych.

Fot. 3 Szczegóły budowy ogniwa przeciw koronowego i osłony przeciwdeszczowej.

Innym sposobem zapobiegania powstawaniu wyładowania koronowego, jest wykonywanie przewodów wysokiego napięcia w postaci wiązki,
najczęściej jako kilka (od dwóch do czterech) równoległych przewodów umieszczonych w stałej odległości od siebie
(tzw. wiązka dwu-, trój- lub czteroprzewodowa). Powoduje to wzrost powierzchni przewodu. 
Dla utrzymywania tych przewodów w stałej odległości względem siebie stosuje się metalowe krążki.
Przykładem zastosowania obu sposobów jest konstrukcja pokazana na fot. 4 [1].

Fot. 4 Część 14 Zestaw 12 .

Natomiast ilustracją wykorzystania obu sposobów może być fot. 5. Przedstawia ono szczyt masztu anteny Grimeton
z ośmioma przewodami zasilającymi przewód promieniujący, zawieszonymi na  ośmiu podwójnych ogniwach anty koronowych
i przeciw deszczowych oraz  sam przewód promieniujący.

Fot. 5 Ilustracja połączenia cewki z przewodem promieniującym w antenie Grimeton.

Jest on wykonany w postaci wiązki kilku równoległych przewodów stabilizowanych okrągłymi rozpórkami
i jest podwieszony także na podwójnym ogniwie anty koronowym i przeciw deszczowym.
Połączenie przewodu promieniującego z przewodami zasilającymi, jest również wykonane w postaci podobnej wiązki,
ale o mniejszej średnicy. Takie wykonanie zapewnia wzrost powierzchni doprowadzenia i wzajemne  ekranowanie przewodów w wiązce.
Widać wyraźnie, że usytuowanie zestawu anty koronowego znajduje się od strony wysokiego napięcia,
w tym przypadku od strony  przewodów zasilających.

Oba sposoby powodują zmniejszenie gradientu pola elektrycznego dookoła obiektu narażonego na wyładowanie ulotowe,
co bezpośrednio prowadzi do jego redukcji, a tym samym obniżenia ewentualnych strat energii.
Nie tak wyraźne zdjęcie omawianych elementów, ale już polskiej anteny, przedstawione są z lewej strony w górnej części fot. 6.

Fot. 6 Widok obiektów znajdujących się w otoczeniu linii symetrii anteny polskiej.

Omawiając elementy związane z anteną, a ściśle rzecz ujmując z jej przewodem promieniującym,
niezbyt często porusza się zagadnienie jej uziemienia. Dlatego też dla zorientowania się, na czym polega ten problem poświęcę mu kilka zdań. 
Wiadomo, że w przypadku uziemienia dolnej części przewodu promieniującego, podczas pracy anteny,
prąd spływa poprzez uziemienie znajdujące się w glebie i rozpływa się w niej. Tak więc ziemia pełni funkcję przewodu powrotnego.
Wówczas w zależności od rodzaju gruntu, niezależnie od jego wpływu na sprawność promieniowania energii w. cz. anteny,
pod wpływem rozpływającego się w gruncie prądu, może istnieć pewna strefa zagrożenia dla człowieka.
Wpływ takiego rozpływu prądu w glebie demonstruje prosty przykład. Rozważymy uziemioną anteną pionową, przez którą wpływa do gleby prąd I.
Dla uproszczenia przyjmiemy, że uziemienie wykonane z materiału przewodzącego ma postać półsfery, rys. 1.

Rys. 1 Schemat uziemionej za pomocą metalowej półsfery pionowej anteny.

Z zależności tych wynika, że nie tylko ważne są: dobór przewodność gruntu i sposób uziemienie anteny ze względu
na osiągnięcie maksymalnej skuteczności promieniowania anteny, ale również,
zapewnienie bezpiecznego rozpływu prądu w strefie uziemienia.