A villámokról
Magyarországon a villámcsapások nagy része a délutáni, esti idszakban következik be (14 óra és éjfél között), a zivatarok (villámok keletkezésével járó légköri jelenségek) átlagos idtartama kb. 1,5 óra. Az összes villámnak csak kb. 10… 20%-át teszik ki a földbe lecsapó villámok, azaz 80… 90%-uk felhők között jön létre, hosszuk elérheti a 10 km-t is. Sík területen az összes villámcsapás kb. 70 %-a negatív és 30 %-a pozitív villám. A pozitív polaritású villámok fajlagos energiája lényegesen nagyobb, kb. 10-szerese a negatívokénak. A villámlás során az elektromos kisülés igen rövid id alatt felhevíti a környez levegőt, ami kitágul, és egy hanghullámként terjed lökéshullámot hoz létre (mennydörgés). A villám fkisülése egy 20 000… 30 000 °C hmérséklet plazmacsatorna. Az eddig mért legnagyobb – kb. 500 kA – csúcsérték villámcsapás pozitív polaritású volt. Villámcsapáskor a felhő és a föld között felszabaduló energia kb. 10 liter olaj ftértékével egyenlő, illetve egy 3 kW-os elektromos fttestet kb. 1 órán keresztül tudna működtetni. Ezért energetikai hasznosításával nem érdemes foglalkozni.
A villámok sok évnyi elemzése és vizsgálata lehetővé tette, hogy villámcsapások villamos hatásait villámáram- és feszültséghullámok segítségével vizsgálhassuk. Ezeket a hullámformát a T1 / T2 aránnyal jellemezzük, az elnevezésük is erre az arányra utal.
T1= Növekedési idő
T2= Lecsengési idő fele
Ip= A vizsgálóáram csúcsértéke
Általános áram-lökőhullám hullámalak
Az IEC szabványok szerint 2 villámáram-hullám típust különböztetünk meg:
10/350 µs áram-lökőhullám, mely a közvetlen villámcsapás jellemzésére szolgál:
10/350 µs áram-lökőhullám hullámalakja
8/20 µs áram-lökőhullám, mely a közvetett villámcsapás jellemzésére szolgál:
8/20 µs áram-lökőhullám hullámalakja
A fent említett két villámáram-hullámot az SPD-k (IEC 61643-11 szabvány szerinti) tesztelésére valamint a villámáramok elleni védelmi szint meghatározására használják.
Az áramhullám csúcsértéke a villámcsapás intenzitását jellemzi.
A villámcsapások által létrehozott túlfeszültségeket 1,2/50 µs feszültség-lökőhullámmal jellemezzük:
1,2/50 µs feszültség-lökőhullám hullámalakja
Ezt a típusú feszültséghullámot használják annak ellenőrzésére, hogy az adott berendezés ellenáll-e a légköri eredetű túlfeszültségeknek (IEC 61000-4-5).
Lökő feszültséghullámmal szembeni követelmények
- Csúcsérték: DUCS = ±3%.
- Homlokidő: tH = 1,2 µs ±30%.
- Félértékidő: tF = 50 µs ±20%.
Lökőfeszültséggel végzett vizsgálatok
A lökőfeszültséggel végzett feszültségpróbákkal a szigetelésnek a külső (légköri) eredetű túlfeszültségek hatására várható viselkedése vizsgálható.
A feszültségpróbát eltérő módon kell végrehajtani regenerálódó, nem regenerálódó és kombinált (regenerálódó és nem regenerálódó elemeket is tartalmazó) szigetelések vizsgálatakor.
A lökőhullám
A természetben előforduló lökőhullámok igen sokfélék, a villám áramának homlokideje 1…10 µs, félértékideje 10…100 µs. A villámcsapás helyén kialakuló feszültséghullám homlokának meredeksége a visszaverődések és a szigetelők átívelése miatt növekszik. A szabványos (1,2/50) lökőhullámmal ezt a hullámot kívánjuk utánozni, modellezni.
Lökőhullám előállítása
A lökőhullámot általában kondenzátorokból, ellenállásokból és szikraközből álló két- időállandós aperiodikus áramkörrel (lökésgerjesztővel) állítják elő:
A feszültséghullám alakja exponenciális függvények különbségével írható le:
A paraméterek, azaz az időállandók reciprok értékei 1,2/50 lökőfeszültség-hullámhoz
(ahol Rk – a kisütő ellenállás, Rcs – a csillapító ellenállás, CL – a lökőkondenzátor és CT – a terhelőkondenzátor):
A félérték-, illetve a homlokidő:
Az áramköri elemek méretezéséhez többnyire az adott kondenzátorok kapacitásából indulunk ki, és ehhez méretezzük az ellenállásokat. Az elemek szokásos értékei (Rt – a töltő ellenállás):
A lökésgerjesztő működése
- A lökésgerjesztő bemenetére egyenfeszültséget kapcsolva a töltő ellenálláson (Rt) keresztül addig töltődik a lökőkondenzátor (CL), amíg feszültsége az áramkör további részeit elszigetelő szikraköz átütési feszültségénél (USZ)
- A szikraköz átütésekor az áramkör záródik és a lökőkondenzátor (CL) – kisülése miatt egyre csökkenő feszültséggel – a csillapító ellenálláson (Rcs) keresztül elkezdi feltölteni a terhelőkondenzátort (CT), kialakítva így a hullám homlokát.
- Amint a terhelőkondenzátor (CT) növekvő feszültsége eléri az őt töltő lökőkondenzátor (CL) csökkenő feszültségét, mindkét kondenzátor kisül a kisütő ellenálláson (Rk) keresztül (kialakul a hullám háta).
Ennek a folyamatnak és a megfelelően méretezett áramköri elemeknek eredményeként a terhelőkondenzátoron kialakul egy gyorsan növekvő, és egy lassabban csökkenő feszültséghullám, a lökőhullám.
A lökőhullám csúcsértéke a szikraköz távolságának állításával, míg gyakorisága a töltőfeszültség nagyságával változtatható.
A lökésgerjesztő feszültséghatásfoka (ahol Ucs – a lökőhullám csúcsértéke, Usz – a szikraköz átütőfeszültsége):
Terheléskor a próbatest kapacitása (Cpr) hozzáadódik a terhelőkondenzátor (CT) kapacitásához, ezért az előállított lökőhullám homlokideje (tH) növekszik, félértékideje (tF) és a hullám csúcsértéke (Ucs) pedig csökken. Ezért ezt a méretezés során figyelembe kell venni!
A lökésgerjesztőkkel szembeni követelmények
- Megfelelő átmérőjű gömbelektródák alkalmazása (töltőfeszültségtől függően: dgömb = 10… 25 cm).
- Induktivitásmentes ellenállások és kondenzátorok alkalmazása.
- Az áramköri elemeknek el kell viselniük a lökőáramok által okozott dinamikus és hőterhelést.
- Kivezetéseiken nagy feszültséget kell elviselniük.
- Különös gondot kell fordítani a földelésekre.
- Többlépcsős lökésgerjesztőknél biztosítani kell a szikraközök szinkronban mozgatását.
- Speciális esetekben vezérelt indítású gyújtószikraköz alkalmazása.
Többlépcsős lökésgerjesztők
Az egyfokozatú lökésgerjesztők által előállítható lökőfeszültség csúcsértékének határt szab a töltőfeszültséget előállító egyenirányítók zárófeszültsége, illetve a lökőkondenzátor átütési feszültsége. Ezért laboratóriumokban – az egészen kis feszültségtől eltekintve – mindenhol többlépcsős lökésgerjesztőt alkalmaznak.
Alapelve az, hogy a lökőkondenzátorok (CL) a töltő ellenállásokon (Rt) és a kisütő ellenállásokon (Rk) keresztül párhuzamosan töltődnek mindaddig, amíg feszültségük eléri a szikraközök átütőfeszültségét. Ekkor a szikraközökön keresztül a lökőkondenzátorok sorbakapcsolódva (ezáltal feszültségeik összegződnek) töltik fel a terhelőkondenzátort (CT):
Minden szikraköz egyenlő nagyságú, kivéve a legalsó fokozatot. Ennek szikraköze azért kisebb, mivel ennek átütése indítja meg a többiek átütését. A feltöltés folyamán a lökőkondenzátorok (CL) annál több töltőellenállással (Rt) kapcsolódnak sorba, minél magasabb fokozatban vannak, ezért feszültségeik felfelé fokozatosan csökkennek.
Lökésgerjesztő szinkronozott indítása
Az egyszerű gömbszikraköz véletlenszerűen üt át és indítja meg a lökőhullám kialakulását. A lökőhullámot gyakran kell a mérőberendezéshez vagy egy szinuszos feszültséghez szinkronozni (pl. váltakozó feszültségre szuperponált lökőhullám). Ez a feladat vezérelt indítású gyújtószikraközzel valósítható meg.
A szikraközre (és vele együtt a lökőkondenzátorra), annak átütőfeszültségénél kisebb feszültséget adnak, majd a kívánt időpontban egy impulzus transzformátoron keresztül egy 10… 20 kV-os – aperiodikus vagy csillapodó periodikus – indítóimpulzust kapcsolnak. A terhelés oldali gömbelektróda 2 részre van osztva, amely az indító impulzus hatására átüt, s így ionokat juttat a gömbszikraköz terébe. Ennek hatására kb. 0,1 µs-on belül bekövetkezik a szikraköz átütése is.
Többlépcsős lökésgerjesztőknél elegendő, ha csak a legalsó gömbszikraközt készítik szinkronizálhatóra, mivel ennek átütése indítja meg a többiek átütését.
Levágott hullám előállítása
Az osztott gömbelektród és az indító impulzus levágott hullám előállítására is felhasználható. Ekkor azonban egy további vezérelt indítású gömbszikraközt kell a lökésgerjesztő kimenetére kapcsolni.
A hullám levágásának időpontját úgy lehet változtatni, hogy az egyik impulzusgenerátorral a lökőhullám indításának, a másikkal pedig a késleltetésnek megfelelően a hullám levágásának időpontja állítható.
Problémát okozhat az, hogy háton történő levágáskor a lökőhullám csúcsán még nem szabad átütnie a levágó szikraköznek, a lecsökkent feszültségen pedig igen.