Стрибок напруги - це популістським назву для різного роду провалів і підйомів напруги в мережі живлення. Термін не зустрічається в науковій і фаховій літературі.
Загальні відомості
Провали напруги зазвичай не настільки небезпечні, тому літературою розглядаються підйоми. Термін стрибок, швидше за все означає швидку зміну. Скакати, стрибати, не стояти на місці. Візуально це відбивається в моргання лампочок розжарювання. Світлодіодні і газорозрядні освітлювальні прилади живляться від драйверів і не будуть демонструвати змін у своїй роботі слідом за варіаціями напруги. Або, принаймні, це буде виражено набагато слабкіше.
Отже, в нинішню епоху вислів про те, що напруга кудись скаче, чи могло б виникнути. Особливо сильно ефект можна спостерігати в гаражних кооперативах, де в порушення всіх норм використовуються індивідуальні зварювальні апарати. Вони споживають з мережі значну потужність. І, оскільки можливості місцевого трансформатора обмежені, то спостерігається провал напруги. Як правило, сумних наслідків не відбувається, тому з явищем миряться
Підйом напруги може бути викликаний різними факторами. Різниця потенціалів зростає настільки стрімко, що іноді пробиває електричну ізоляцію. Це явище називається не стрибком, а перенапруженням. Згідно викликав це явище факторів розрізняють:
- Внутрішні перенапруги, що виникають при включенні і виключенні апаратури. Особливо це стосується індуктивного навантаження, здатної запасати значний обсяг енергії: двигунів, трансформаторів. Компенсаційні блоки конденсаторів теж можуть стати причиною перенапруги або просідання. При регулюванні реактивного опору також відбуваються різке поглинання або віддача енергії.
- Атмосферні перенапруги зазвичай викликаються на лініях блискавками, дуговим розрядами і можуть досягати мільйонів вольт. Правда, протягом дуже малого часу - десятки мікросекунд. Внутрішні перенапруги набагато більш тривалі - від 50 до 100 мс.
Внутрішні перенапруги зазвичай не перевищують номінал більш, ніж в 2,5 - 3,5 рази.
До сих пір немає єдиної теорії того, що відбувається в грозових хмарах. Хоча проблемою займалися ще Бенджамін Франклін і Ломоносов. Напруженість земної атмосфери становить приблизно 100 В / м. Особливістю, притаманною Землі, є зростання кількості вільних носіїв заряду з висотою. Це можна пояснити космічним випромінюванням, в тому числі що виходить від Сонця. На висоті 80 км провідність повітря, незважаючи на його малу щільність, вище в 3 млрд. Раз, ніж у поверхні планети. Це можна порівняти з показниками, які демонструються прісною водою.
Фізики уявляють собі Земну кулю, як великий сферичний конденсатор. Однією його обкладанням є поверхню грунту, так-сяк проводить електричний струм, а другий - іоносфера. Діелектриком служить атмосферне шар повітря. Заряджаючи силами природи цю гігантську ємність, світобудову провокує численні процеси, що протікають на різних висотах.
При терті в грозових хмарах накопичуються вільні заряди. Під дією поля Землі вони розшаровуються. Приблизно так, як це відбувається в електрофорусе. Якщо повітря потроху проводить струм, то чиста випарувалася вода є діелектриком з коефіцієнтом проникність рівним 81. Коли утворюється хмара, і воно ще нещільне, то поводиться подібно провіднику в електричному полі. Заряди на його поверхні розподіляються так, щоб врівноважити прикладена ззовні вплив.
Читайте також: Яскравий світлодіод
Але починає дути вітер, а волога піднімається від землі, за рахунок чого утворюється безліч дрібних крапель. На їх поверхні велика кривизна форми створює підвищену напруженість, що змушує позитивні заряди стекти на поверхню планети, а негативні - піднятися в напрямку іоносфери. Конденсатор заряджається, і його енергія багаторазове збільшується використанням діелектрика у вигляді хмари. Зрештою напруженість на поверхні хмари досягає 30 кВ / см. Це в десятки тисяч разів перевищує норму.
Хмара занадто важке, щоб піднятися вгору і контактувати з іоносферою, тому основний удар на себе приймає Земля. Іонізація починається на поверхні хмари, а потім дуга рухається по випадкової траєкторії в напрямку найменшого опору. Оскільки хмара є діелектриком, то цей шлях здебільшого закритий, і блискавка падає на землю.
Оскільки верхівки заземлених об'єктів мають нульовим потенціалом, то саме вони часто і стають мішенню. Вологе дерево добре проводить заряд, а значить, служить одній з точок найбільш ймовірного попадання. Після чого виникла дуга і крокові напругу вбивають все, що виявилося поблизу. Нерідко мішенню стає стовп або його громовідвід. Електромагнітні поля неймовірної сили створюють сильні наведення в лінії, викликаючи перенапруження. Це одна з причин того, чому потрібно відключати електроніку на час грози.
Атмосферний перенапруження
Якісне опис удару блискавки
Форма імпульсу грозового стрибка струму має вигляд трикутника з різко наростаючим фронтом і щодо пологим спадом. Весь процес триває кілька десятків мікросекунд. Імпульс струму може мати амплітуду близько 200 кА, що викликає закономірне стрибок напруги на навантаженні пропорційно розміру опорів цих ділянок.
Характеристики імпульсу струму
Лінія і споживач утворюють резистивний дільник. І в залежності від ставлення їх опорів обчислюється сумарний ефект. Так наприклад, при негативній напрузі трансформатора струм потече все ж в його напрямку, тому потенціал неба вище будь-якого з використовуваних людством класів напруг. Розряд блискавки складається з декількох швидких імпульсів, кожний з яких включає в себе три частини:
- Порівняно невеликий, але тривалий плавно наростаючий струм лідера.
- Головний імпульс, короткий, але дуже потужний.
- Відрізок післясвітіння. Являє собою поступове зниження струму до нуля, є відображенням лідируючої частини по осі часу.
Імпульсів в пачці буває до 20, але найчастіше - два-три, амплітуда їх поступово знижується. Оскільки хмара поводиться як діелектрик, то розряд блискавки можна уявити, як стікання електронів на землю. Після першого піку їх поверхнева щільність різко знижується, за рахунок чого сюди спрямовуються носії з усіх інших частин хмари. Потенціал знову росте, і по свіжій трасі іонізованого повітря повторно спрямовується вниз. Так відбувається до тих пір, поки напруга хмари не впаде до тієї межі, де дугового розряд не може існувати.
Схема освіти атмосферної різниці потенціалів в блискавки
Блискавка виникає одночасно в двох місцях. Коли потік електронів починає рухатися вниз, то впливом електризує землю, і утворилася різниця потенціалів іонізує повітря поблизу грунту. Одночасно один одному назустріч рухаються два лідера:
- вниз - негативний;
- вгору - позитивний.
Як правило, іскровий проміжок мінімальний щодо якоїсь висоти: дерева, щогли, гірського піку. Тому розряд стікає саме сюди. У зв'язку з тим, що потенціал погано поширюється по діелектриків, блискавка б'є в добре захищені об'єкти, що знаходяться під потенціалом грунту. Саме цим пояснюється той факт, що розряд рідко вражає такі стратегічно важливі об'єкти, як нафтові озера. Будучи діелектриком, природне паливо може накопичити заряд, але погано проводить його.
Читайте також: Токовая відсічення
Багато хто може на це помітити, що блискавка часто б'є по океану. Але морська вода є прекрасним електролітом, тому не можна розглядати водойми в тому ж контексті, що нафта. Тепер читачі легко можуть собі уявити, до чого приведе масляна пляма на вод. Кажуть, що з нафтою ще гірше: її шар затонув по траєкторії руху Гольфстріму і тепер буде знаходитися в товщі океану.
Провідник в електричному полі
Імпульси, показані на малюнку, не є симетричними. Фронт їх крутіший, ніж спад. Параметри імпульсів наведені в таблиці, як найбільш часто спостерігаються, так і граничні відхилення в ту і іншу сторону. Згідно зі статистикою всього лише 2% струмів блискавки досягають значення 100 кА, приблизно половина припадає на ділянку до 18 кА.
Графік процентного кількості випадків
Наслідки ударів блискавок
На величину перенапруги впливають ток імпульсу блискавки і крутизна його фронту. При прямому ударі по закону Ома можна знайти напругу. Припустимо, що опір лінії становить 10 Ом, а вхідний імпеданс телевізора - 500 Ом. При імпульсі струму 20 кА отримуємо напругу на навантаженні U = 500 х 20.000 / 510 = 19,6 кВ. Зрозуміло, що така загроза не може залишитися без уваги, тому на лініях електропередач дроти захищені громовідводами. Залежно від класу напруги заходи дуже різні.
Крім прямого удару занос потенціалу може бути викликаний явищем так званого крокової напруги. Провід зазвичай з'єднаний з грунтом через нейтраль, а кожен стовп лінії ЛЕП заземлений. В результаті утворюються містки, по яких струм міг би затекти на металеві частини обладнання. Саме тому кожен стовп забезпечується гірляндами ізоляторів. Але навіть це не рятує, і в лінії індукуються струми Араго-Фуко, які призводять до стрибків напруги. Величину вважають за формулою, наведеною на малюнку (в чисельнику струм блискавки і висота підвісу лінії, а в знаменнику - відстань від місця удару до шляху прокладки ЛЕП).
Формула для розрахунку величини
Щоб додатково послабити шкоди, рекомендується брати хвильовий опір лінії з одного проводу рівним 400 Ом, а здвоєного (розщеплення фаз) - 250. Тоді при спостережуваних характеристиках грозового розряду загасання його на реактивних опорах буде найбільшим, тоді як промислова частота 50 Гц проходить з малими втратами . Хвильовий опір обчислюється, як квадратний корінь з відношення індуктивної частини імпедансу до ємнісний.
На розриві лінії хвиля, породжена блискавкою випромінюється в простір. Якщо на кінці стоїть кабель з хвильовим опором 50 Ом, частина енергії відіб'ється. Частина, що залишилася хвиля зазнає заломлення на шляху до споживача. Закони відбивання і заломлення описуються через імпеданс (повні хвильові опору ліній). Для забезпечення прохідності частоти 50 Гц (або іншого діапазону) застосовують погоджують пристрої.
Перенапруги, викликані блискавками, зазвичай найнебезпечніші і значні за амплітудою. Тому розгляд інших стрибків напруги на практиці не проводиться. За умови, що в лінії проведена відповідним чином правильна ізоляція проводів для захисту від ударів блискавок, і виконані інші обов'язкові заходи. Електрична міцність діелектрика визначається за максимальною напруженості поля.
Саме тут можна спостерігати найбільший парадокс: на слабкострумових лініях небезпека вище. Тому що мала кривизна проводів сильно підвищує напруженість електричного поля. Ізолятори з різних матеріалів, що застосовуються в багатошарових конструкціях, повинні по можливості мати однакову ємність. В іншому випадку буде спостерігатися значний перекіс (див. Послідовне з'єднання конденсаторів). Чим знижується загальний вольтаж, що витримується багатошаровим ізолятором без пробою.