Скачок напряжения

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

Общие сведения

Провалы напряжения обычно неопасны, литературой рассматриваются подъёмы. Термин скачок, скорее, означает быструю смену. Визуально это отражается в моргании лампочек накала. Светодиодные и газоразрядные осветительные приборы питаются от драйверов и не демонстрируют изменений в работе вслед за вариациями напряжения. Или, по крайней мере, это выражается гораздо слабее.

Следовательно, в нынешнюю эпоху выражение, что напряжение скачет, не возникло бы. Сильный эффект отмечается в гаражных кооперативах, где в нарушение норм используются индивидуальные сварочные аппараты. Они потребляют из сети значительную мощность. Возможности местного трансформатора ограничены, происходит провал напряжения. Как правило, печальных последствий не случается, с явлением мирятся

Подъем напряжения вызывается разными факторами. Разница потенциалов растёт столь стремительно, что иногда пробивает электрическую изоляцию. Явление называется не скачком, а перенапряжением. Согласно вызвавшим ситуацию 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 становятся причиной перенапряжения или проседания. При регулировании реактивного сопротивления заметны резкое поглощение либо отдача энергии.
  2. Атмосферные перенапряжения вызываются на линиях молниями, дуговым разрядами, достигая миллионов вольт. Правда, в течение малого времени – десятки микросекунд. Внутренние перенапряжения гораздо продолжительнее – 50 — 100 мс.

Внутренние перенапряжения не превышают номинал более 2,5 – 3,5 раз.

Грозы

И поныне нет единой теории происходящего в грозовых облаках. Изучением занимались ещё Бенджамин Франклин и Ломоносов. Напряжённость земной атмосферы составляет 100 В/м. Особенностью, присущей Земле, считается рост количества свободных носителей заряда с высотой. Это объяснимо космическим излучением, даже исходящим от Солнца. На высоте 80 км проводимость воздуха, несмотря на малую плотность, выше в 3 млрд. раз, нежели у поверхности планеты. Это сравнимо с показателями, демонстрируемыми пресной водой.

Физики представляют Земной шар как большой сферический конденсатор. Одной обкладкой становится 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, это мелочь в сравнении с тем, что достигается в грозовом облаке путём электризации. Постоянно между небом и землёй идёт ток в 1400 А, но плотность мала из-за великой площади планеты. Перемножая две величины, находят мощность, составляющую 300 МВт.

При трении в грозовых облаках накапливаются свободные заряды. Под действием поля Земли они расслаиваются. Подобное происходит в электрофорусе. Если воздух понемногу проводит ток, чистая испарившаяся вода считается диэлектриком с коэффициентом проницаемости, равным 81. Образуется неплотное облако, подобное проводнику в электрическом поле. Заряды на его поверхности распределяются, чтобы уравновесить приложенное извне воздействие.

Начинает дуть ветер, влага поднимается от земли, 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 многократно увеличивается использованием диэлектрика в виде облака. В результате 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, основной удар принимает Земля. Ионизация начинается на поверхности облака, потом дуга двигается по случайной траектории в направлении меньшего сопротивления. Пока облако — диэлектрик, путь по большей части закрыт, молния падает на землю.

Верхушки заземлённых объектов обладают нулевым потенциалом, часто становясь мишенью. Влажное дерево хорошо проводит заряд, а значит, служит точкой наиболее вероятного попадания. Возникшая дуга и шаговое напряжение убивают все, оказавшееся поблизости. Нередко мишенью становится столб или громоотвод. Электромагнитные поля невероятной силы создают сильные наводки в линии, вызывая перенапряжение. Поэтому требуется 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 десятки микросекунд. Импульс тока может иметь амплитуду 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. В зависимости от отношения их сопротивлений вычисляется суммарный эффект. К примеру, при отрицательном напряжении трансформатора ток потечёт в его направлении, потому потенциал неба выше любого из используемых человечеством классов напряжений. Разряд молнии состоит из ряда быстрых импульсов, включающих три части:

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

Импульсов в пачке бывает до 20, но чаще – два-три, амплитуда постепенно понижается. Раз облако диэлектрик, разряд молнии представляется в виде стекания электронов на землю. После первого пика их поверхностная плотность резко понижается, сюда устремляются носители с прочих частей тучи. Потенциал вновь растёт, по свежей трассе ионизированного воздух повторно устремляется вниз. Так происходит, пока напряжение тучи не упадёт до предела, где дуговой разряд невозможен.

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, 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 некой высоты: дерева, мачты, горного пика. Разряд стекает именно сюда. Потенциал плохо распространяется по диэлектрикам, молния бьёт в хорошо защищённые объекты, находящиеся под потенциалом грунта. Так объясняется факт, что разряд редко поражает стратегически важные объекты как нефтяные озера. Являясь диэлектриком, природное топливо способно накопить заряд, но плохо проводит его.

Молния часто бьёт по океану. Морская вода считается прекрасным электролитом, нельзя рассматривать водоёмы в контексте нефти. Теперь читатели легко представят, к чему приведёт масляное пятно на воде. Говорят, с нефтью ещё хуже: её слой затонул по траектории движения Гольфстрима и теперь находится в толще океана.

Проводник в электрическом поле

Проводник в электрическом поле

Импульсы, показанные на рисунке, не симметричны. Фронт их круче, нежели спад. Параметры импульсов приведены в таблице, часто наблюдаемые и предельные отклонения в обе стороны. Согласно статистике лишь 2% токов молнии достигают значения 100 кА, 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. 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 фронта. При прямом ударе по закону Ома возможно найти напряжение. Допустим, 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 остаётся без внимания, на линиях электропередач провода защищены громоотводами. В зависимости от класса напряжения мероприятия различны.

Помимо прямого удара занос потенциала вызван явлением шагового напряжения. Провод обычно соединён с грунтом через нейтраль, каждый столб линии ЛЭП заземлён. В результате образуются мостики, по которым ток затекает на металлические части оборудования. Именно поэтому столб снабжается гирляндами изоляторов. Впрочем, предосторожность не спасает, и в линии индуцируются токи Араго-Фуко, приводящие к скачкам напряжения. Величину считают по формуле, приведённой на рисунке (в числителе ток молнии и высота подвеса линии, 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 выглядит наибольшим, 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, самые опасные и значительны по амплитуде. Рассмотрение других скачков напряжения на практике не производится. При условии, что в линии проведена соответствующим образом правильная изоляция проводов для защиты от ударов молний, выполнены прочие обязательные мероприятия. Электрическая прочность диэлектрика определяется по максимальной напряжённости поля.

Здесь отмечается огромный парадокс: на слаботочных линиях опасность выше. Малая кривизна проводов сильно повышает напряжённость электрического поля. Изоляторы из разных материалов, применяющиеся в многослойных конструкциях, призваны по возможности иметь одинаковую ёмкость. В противном случае произойдёт значительный перекос (см. последовательное соединение конденсаторов). Чем снижается общий вольтаж, выдерживаемый многослойным изолятором без пробоя.