Скачок напряжения

Скачок напряжения – это популистическое название для различного рода провалов и подъёмов напряжения в питающей сети. Термин не встречается в научной и профессиональной литературе.

Общие сведения

Провалы напряжения обычно не столь опасны, поэтому литературой рассматриваются подъёмы. Термин скачок, скорее всего означает быструю смену. Скакать, прыгать, не стоять на месте. Визуально это отражается в моргании лампочек накала. Светодиодные и газоразрядные осветительные приборы питаются от драйверов и не будут демонстрировать изменений в своей работе вслед за вариациями напряжения. Или, по крайней мере, это будет выражено гораздо слабее.

Следовательно, в нынешнюю эпоху выражение о том, что напряжение куда-то скачет, едва ли могло бы возникнуть. Особенно сильно эффект можно наблюдать в гаражных кооперативах, где в нарушение всех норм используются индивидуальные сварочные аппараты. Они потребляют из сети значительную мощность. И, поскольку возможности местного трансформатора ограничены, то наблюдается провал напряжения. Как правило, печальных последствий не происходит, поэтому с явлением мирятся

Подъем напряжения может быть вызван самыми разными факторами. Разница потенциалов растёт столь стремительно, что иногда пробивает электрическую изоляцию. Это явление называется не скачком, а перенапряжением. Согласно вызвавшим это явление факторам различают:

  1. Внутренние перенапряжения, возникающие при включении и выключении аппаратуры. Особенно это касается индуктивной нагрузки, способной запасать значительный объем энергии: двигателей, трансформаторов. Компенсационные блоки конденсаторов тоже могут стать причиной перенапряжения или проседания. При регулировании реактивного сопротивления также происходят резкое поглощение или отдача энергии.
  2. Атмосферные перенапряжения обычно вызываются на линиях молниями, дуговым разрядами и могут достигать миллионов вольт. Правда, в течение очень малого времени – десятки микросекунд. Внутренние перенапряжения гораздо более продолжительны – от 50 до 100 мс.

Внутренние перенапряжения обычно не превышают номинал более, чем в 2,5 – 3,5 раза.

Грозы

До сих пор нет единой теории того, что происходит в грозовых облаках. Хотя проблемой занимались ещё Бенджамин Франклин и Ломоносов. Напряжённость земной атмосферы составляет примерно 100 В/м. Особенностью, присущей Земле, является рост количества свободных носителей заряда с высотой. Это можно объяснить космическим излучением, в том числе исходящим от Солнца. На высоте 80 км проводимость воздуха, несмотря на его малую плотность, выше в 3 млрд. раз, нежели у поверхности планеты. Это сравнимо с показателями, демонстрируемыми пресной водой.

Физики представляют себе Земной шар, как большой сферический конденсатор. Одной его обкладкой является поверхность почвы, худо-бедно проводящая электрический ток, а второй – ионосфера. Диэлектриком служит атмосферный пласт воздуха. Заряжая силами природы эту гигантскую ёмкость, мироздание провоцирует многочисленные процессы, протекающие на различных высотах.

Между грунтом и высотой 80 км напряжение достигает 200000 В, но это мелочь в сравнении с тем, что достигается в грозовом облаке путём электризации. Постоянно между небом и землёй идёт ток порядка 1400 А, но плотность его мала из-за великой площади планеты. Перемножая эти две величины, можно найти мощность, которая составит 300 МВт.

При трении в грозовых облаках накапливаются свободные заряды. Под действием поля Земли они расслаиваются. Примерно так, как это происходит в электрофорусе. Если воздух понемногу проводит ток, то чистая испарившаяся вода является диэлектриком с коэффициентом проницаемость равным 81. Когда образуется облако, и оно ещё неплотное, то ведёт себя подобно проводнику в электрическом поле. Заряды на его поверхности распределяются так, чтобы уравновесить приложенное извне воздействие.

Читайте также:  Электроёмкость конденсатора

Но начинает дуть ветер, а влага поднимается от земли, за счёт чего образуется множество мелких капель. На их поверхности большая кривизна формы создаёт повышенную напряжённость, что заставляет положительные заряды стечь на поверхность планеты, а отрицательные – подняться в направлении ионосферы. Конденсатор заряжается, и его энергия многократное увеличивается использованием диэлектрика в виде облака. В конце концов напряжённость на поверхности тучи достигает 30 кВ/см. Это в десятки тысяч раз превышает нормальное значение.

Облако слишком тяжёлое, чтобы подняться вверх и контактировать с ионосферой, поэтому основной удар на себя принимает Земля. Ионизация начинается на поверхности облака, а затем дуга двигается по случайной траектории в направлении меньшего сопротивления. Поскольку облако является диэлектриком, то этот путь по большей части закрыт, и молния падает на землю.

Поскольку верхушки заземлённых объектов обладают нулевым потенциалом, то именно они часто и становятся мишенью. Влажное дерево хорошо проводит заряд, а значит, служит одной из точек наиболее вероятного попадания. После чего возникшая дуга и шаговое напряжение убивают все, оказавшееся поблизости. Нередко мишенью становится столб или его громоотвод. Электромагнитные поля невероятной силы создают сильные наводки в линии, вызывая перенапряжение. Это одна из причин того, почему нужно отключать электронику на время грозы.

Атмосферное перенапряжение

Качественное описание удара молнии

Форма импульса грозового скачка тока имеет вид треугольника с резко нарастающим фронтом и относительно пологим спадом. Весь процесс длится несколько десятков микросекунд. Импульс тока может иметь амплитуду порядка 200 кА, что вызывает закономерный скачок напряжения на нагрузке пропорционально размеру сопротивлений этих участков.

Характеристики импульса тока

Характеристики импульса тока

Линия и потребитель образуют резистивный делитель. И в зависимости от отношения их сопротивлений вычисляется суммарный эффект. Так например, при отрицательном напряжении трансформатора ток потечёт все же в его направлении, потому потенциал неба выше любого из используемых человечеством классов напряжений. Разряд молнии состоит из нескольких быстрых импульсов, каждый их которых включает в себя три части:

  1. Сравнительно небольшой, но продолжительный плавно нарастающий ток лидера.
  2. Главный импульс, короткий, но очень мощный.
  3. Отрезок послесвечения. Представляет собой постепенное снижение тока до нуля, является отражением лидирующей части по оси времени.

Импульсов в пачке бывает до 20, но чаще всего – два-три, амплитуда их постепенно понижается. Поскольку облако ведёт себя как диэлектрик, то разряд молнии можно представить, как стекания электронов на землю. После первого пика их поверхностная плотность резко понижается, за счёт чего сюда устремляются носители со всех других частей тучи. Потенциал вновь растёт, и по свежей трассе ионизированного воздух повторно устремляется вниз. Так происходит до тех пор, пока напряжение тучи не упадёт до того предела, где дуговой разряд не может существовать.

Схема образования атмосферной разности потенциалов в молнии

Схема образования атмосферной разности потенциалов в молнии

Молния возникает одновременно в двух местах. Когда поток электронов начинает двигаться вниз, то влиянием электризует землю, и образовавшаяся разница потенциалов ионизирует воздух близ грунта. Одновременно друг другу навстречу движутся два лидера:

  • вниз – отрицательный;
  • вверх – положительный.

Как правило, искровой промежуток минимальный относительно какой-нибудь высоты: дерева, мачты, горного пика. Поэтому разряд стекает именно сюда. В связи с тем, что потенциал плохо распространяется по диэлектрикам, молния бьёт в хорошо защищённые объекты, находящиеся под потенциалом грунта. Именно этим объясняется тот факт, что разряд редко поражает такие стратегически важные объекты, как нефтяные озера. Являясь диэлектриком, природное топливо может накопить заряд, но плохо проводит его.

Читайте также:  Тороидальный трансформатор

Многие могут на это заметить, что молния часто бьёт по океану. Но морская вода является прекрасным электролитом, поэтому нельзя рассматривать водоёмы в том же контексте, что нефть. Теперь читатели легко могут себе представить, к чему приведёт масляное пятно на вод. Говорят, что с нефтью ещё хуже: её слой затонул по траектории движения Гольфстрима и теперь будет находиться в толще океана.

Проводник в электрическом поле

Проводник в электрическом поле

Импульсы, показанные на рисунке, не являются симметричными. Фронт их более крут, нежели спад. Параметры импульсов приведены в таблице, как наиболее часто наблюдаемые, так и предельные отклонения в ту и другую сторону. Согласно статистике всего лишь 2% токов молнии достигают значения 100 кА, примерно половина приходится на участок до 18 кА.

График процентного количества случаев

График процентного количества случаев

Последствия ударов молний

Установлено, что разряд способен расплавить провода линий связи или мелкие предохранители. Потому что несмотря на малую продолжительность, импульсы несут значительную энергию. Перенапряжения, наведённые молнией, делят на две категории:

  1. Прямой удар.
  2. Индуцированный ток.

На величину перенапряжения влияют ток импульса молнии и крутизна его фронта. При прямом ударе по закону Ома можно найти напряжение. Допустим, что сопротивление линии составляет 10 Ом, а входной импеданс телевизора – 500 Ом. При импульсе тока 20 кА получаем напряжение на нагрузке U = 500 х 20.000 / 510 = 19,6 кВ. Понятно, что такая угроза не может остаться без внимания, поэтому на линиях электропередач провода защищены громоотводами. В зависимости от класса напряжения мероприятия весьма различны.

Помимо прямого удара занос потенциала может быть вызван явлением так называемого шагового напряжения. Провод обычно соединён с грунтом через нейтраль, а каждый столб линии ЛЭП заземлён. В результате образуются мостики, по которым ток мог бы затечь на металлические части оборудования. Именно поэтому каждый столб снабжается гирляндами изоляторов. Но даже это не спасает, и в линии индуцируются токи Араго-Фуко, которые приводят к скачкам напряжения. Величину считают по формуле, приведённой на рисунке (в числителе ток молнии и высота подвеса линии, а в знаменателе – расстояние от места удара до пути прокладки ЛЭП).

Формула для расчёта величины

Формула для расчёта величины

Чтобы дополнительно ослабить урон, рекомендуется брать волновое сопротивление линии из одного провода равным 400 Ом, а сдвоенного (расщепление фаз) – 250. Тогда при наблюдаемых характеристиках грозового разряда затухание его на реактивных сопротивлениях будет наибольшим, тогда как промышленная частота 50 Гц проходит с малыми потерями. Волновое сопротивление вычисляется, как квадратный корень из отношения индуктивной части импеданса к ёмкостной.

На разрыве линии волна, порождённая молнией излучается в пространство. Если на конце стоит кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, часть энергии отразится. Оставшаяся волна претерпит преломление на пути к потребителю. Законы отражения и преломления описываются через импедансы (полные волновые сопротивления линий). Для обеспечения проходимости частоты 50 Гц (или другого диапазона) применяют согласующие устройства.

Перенапряжения, вызванные молниями, обычно самые опасные и значительны по амплитуде. Поэтому рассмотрение других скачков напряжения на практике не производится. При условии, что в линии проведена соответствующим образом правильная изоляция проводов для защиты от ударов молний, и выполнены прочие обязательные мероприятия. Электрическая прочность диэлектрика определяется по максимальной напряжённости поля.

Именно здесь можно наблюдать самый большой парадокс: на слаботочных линиях опасность выше. Потому что малая кривизна проводов сильно повышает напряжённость электрического поля. Изоляторы из разных материалов, применяющиеся в многослойных конструкциях, должны по возможности иметь одинаковую ёмкость. В противном случае будет наблюдаться значительный перекос (см. последовательное соединение конденсаторов). Чем снижается общий вольтаж, выдерживаемый многослойным изолятором без пробоя.