1.20.1 Villamos szilárdság - Kritikus villamos térerősség 1.20.2 Átütés gázokban

A szigetelőanyagok szigetelőképességüket nem tartják meg korlátlanul. Ha a szigetelőanyagot határoló vezető szerkezetek - elektródok - között a feszültség nő, azzal együtt növekszik a szigetelés igénybetétele is. Ha a szigetelőanyag igénybevétele meghaladja az általa elviselni képes határt, akkor szigetelőképessége megszűnik és vezetővé válik. Ilyenkor következik be átütés a szigetelőanyagban.

A szigetelésekkel szemben támasztott egyik legfontosabb követelmény, hogy elviseljék a rájuk kapcsolt feszültséget, ne üssenek át. Ezzel a követelménnyel kapcsolatban engedményt nem lehet tenni, a szigetelés még kismértékben sem üthet át, mert a berendezés akkor is használhatatlanná válik.

 

A szigetelőanyagok azon tulajdonságát, hogy a feszültségből (villamos térerősségből) eredő igénybevételt el képesek viselni, villamos szilárdságnak nevezzük.


Ha az anyag villamos szilárdsága megszűnik, a szigetelőképesség letöréséről beszélünk.

Ha a villamos szilárdság letörése az elektródok között egynemű szigetelőanyagban következik be, akkor átütésről van szó. Ha a szigetelőképesség különböző szigetelőanyagok határfelületén következik be, akkor átívelés jön létre.


Átíveléskor a szigetelőanyag letörése részben az egyik - a kisebb villamos szilárdságú - szigetelőanyagban marad.

1.20.1 ábra: Példák átütésre és átívelésre

Átívelésnek két egymással érintkező, különböző dielektromos állandójú szigetelőanyag határfelülete mentén a kisebb villamos szilárdságú szigetelőanyagban bekövetkező átütést nevezzük. Nagyfeszültségű szabadvezetékek szigetelőinél a letörésnek ez a formája a leggyakoribb.

Az átütés bekövetkezhet közvetlenül a villamos tér hatására, olymódon, hogy a tér az anyag semleges részecskéit töltéshordozókká alakítja át és azokat hozza mozgásba; ez a tisztán villamos átütés. Bekövetkezhet azonban olymódon is, hogy dielektromos veszteséggel erősen felmelegíti az anyagot és a szigetelőképesség magas hőmérsékleten szűnik meg; ez a hő-villamos átütés. Utóbbi váltakozó tér esetén és csak folyékony vagy szilárd szigetelőanyagokban jön létre.

Az átütésekre jellemző az időtartamuk, amely a folyamatra jellemző mechanizmusoktól függően s-tól néhány másodpercig terjedhet. Szilárd szigetelőanyagoknál a folyamat irreverzibilis.

A szigetelőképesség letörése bekövetkezhet részlegesen is olymódon, hogy nem terjed egyik elektródtól a másikig. A részleges letörés jellegzetes esete a levegőben a vékony vezetőkön kiálló sarkokon létre jövő koronakisülés. A koronakisülésnek tudható be a nagyfeszültségű távvezetékek zizegő hangja is.

Az átütési feszültség az a feszültség, amelynél az adott elrendezésben jelen levő szigetelő átütése bekövetkezik.

Átütési szilárdság - más néven kritikus villamos térerősség - az a legnagyobb villamos térerősség érték, amely a szigetelőanyagban fenntartható anélkül, hogy abban átütés jönne létre. Az átütési szilárdság az átütési feszültség és a hozzátartozó átütési távolság hányadosa; legtöbbször kV/cm mértékegységben adják meg.

A szigetelőanyagok átütési szilárdságát nagymértékben befolyásolja azok szennyezettsége, hőmérséklete, egyéb fizikai állapota és a villamos tér jellege is. A száraz laboratóriumi levegő átütési szilárdsága, más néven kritikus térerőssége, homogén villamos tér és meghatározott elektródköz (2 cm) esetén 20 kV/cm.

Az elektrotechnikában alkalmazott szigetelők átütési és átívelési feszültségét szabványos lökőfeszültség- és ipari frekvenciás feszültségpróbával mérik, szabványos elektródelrendezéssel. A szigetelőanyagokat soha nem terhelik az átütési szilárdságig, általában legalább háromszoros biztonsági tényezőt alkalmaznak.

- Az elektronlavina

A szigetelőanyagokban kis számban mindig jelen vannak töltéshordozók például hőionizáció, vagy a kozmikus sugárzás ionizáló hatása miatt. Elegendően nagy villamos térerősség esetén a szigetelő anyagban jelen lévő kis számú töltéshordozó a tér erőhatása révén gyorsulva akkora mozgási energiára tehet szert a két ütközése között rendelkezésre álló szabad úthosszon, hogy az a semleges atomokkal való ütközéskor azok ionizációját idézheti elő.

Az ütközési ionizáció során keletkezett szabad elektronok újabb semleges atomokkal ütközve további elektronokat szabadítanak fel, és így kialakul az elektronlavina. A lavinajelenség hatására a szigetelőanyagban tehát töltéshordozókból álló vezető csatorna alakul ki.

1.20.2.1 ábra: Az elektronlavina kialakulása

- Átütés folyékony és szilárd szigetelőanyagokban

Szigetelő folyadékok és szilárd anyagok átütési szilárdsága általában sokkal nagyobb a gázokénál. A transzformátorokban és megszakítóban alkalmazott olaj átütési szilárdsága például hozzávetőleg hatszorosa (180 kV/cm) a levegőének.

Folyadékokban az átütést gyakran a folyadék felmelegedése előzi meg, váltakozó tér esetén a dielektromos veszteség, vagy más ok miatt. A folyadékban ekkor gázbuborékok képződnek, amelyeknek kisebb az átütési szilárdsága és kisebb dielektromos állandója révén nagyobb villamos térerősség is mérhető bennük. A gázbuborékokban ekkor részleges kisülések következnek be, ami a folyadékot roncsolva, benne szilárd szennyeződéseket is létrehozva és a töltéshordozókat elszaporítva, végül teljes átütéshez vezethet.

Tisztán villamos átütés esetén a folyadékokban és szilárd anyagokban elektronlavina révén alakul ki a vezető csatorna. a folyadékok a szennyező anyagok leülepedése révén képesek regenerálódni, szilárd anyagok esetén az átütés által okozott károsodás maradandó, az átütési csatorna megégett, roncsolt körzetként marad vissza.

 


1.20.2.1 A koronakisülés 1.20.2.2 A villám

Villamos vezetőképességüket tekintve egyes gázok, köztük a levegő, a legjobb szigetelőanyagok közé tartoznak. Ez csupán kis értékű vezetőképességük tekintetében igaz, átütési szilárdságuk légköri nyomáson általában kisebb a folyékony és a szilárd szigetelőanyagokénál.

A gázok villamos szilárdsága nagymértékben függ a nyomástól, hőmérséklettől és az elektródok távolságától. Általában az elektródköz csökkentésével egyre kisebb feszültség elegendő a gáz átütéséhez, egy bizonyos elektródköz után az érték ismét növekszik. Levegő esetén például a minimális átütési feszültség 327 V. A minimum érték létezésének oka, hogy az ehhez az értékhez tartozó elektródköznél nagyobb távolság esetén nagyobb feszültség szükséges az elektronlavina megindításához elegendő térerősség létrehozásához, kisebb elektródköznél pedig a rendelkezésre álló, rövid szabad úthosszon nagyobb térerősségnek kell gyorsítania a töltéshordozókat az ionizációhoz szükséges energia eléréséhez.

Gázokban a nyomástól, valamint a kisülés feszültségétől és áramától függően a kisülések több fajtája különböztethető meg. Ezek közül néhány ismertetése szerepel a következőkben.

 

- Ködfénykisülés

Igen kis nyomású levegőben, adott gyújtófeszültségen lép fel a ködfénykisülés, más néven parázsfénykisülés vagy glimmkisülés. Ködfénykisülés esetén az elektródköz bizonyos tartományai sötétek, nagyobb részén azonban rózsaszínű fény, az úgynevezett pozitív oszlop látható. A fényt a lavinajelenség során végbe menő ütközések során gerjesztett gázmolekulák kisebb energiaszintű állapotba történő visszatérésükkor kisugárzott fénye okozza.

Ezt a kisülési fajtát használják ki például a parázsfénylámpák vagy glimmlámpák, amelyek kis fogyasztású jelzőlámpákként, egyenirányítóként és feszültségstabilizátorként, vagy feszültségkorlátozóként is felhasználhatók. A parázsfénylámpa gyújtófeszültsége alatti feszültségen működő villamos berendezés üzemét az azzal párhuzamosan kapcsolt parázsfénylámpa csaknem tökéletes szigetelő tulajdonsága miatt nem befolyásolja. A berendezés kikapcsolásakor azonban annak induktivitásán fellépő feszültségcsúcs kialakulását begyújtásával, felvillanásával, tehát időleges áramvezetésével megakadályozza.

 

- A csúcshatás

Vezető anyagú testek felületén a villamos töltések statikus egyensúlyi helyzetben úgy helyezkednek el, hogy a kis görbületi sugarú felületrészeken - éleknél, csúcsoknál - nagy felületi töltéssűrűség alakul ki. A környező szigetelőanyagban kialakuló villamos eltolás és villamos térerősség a felületi töltéssel arányos, ezért a csúcsok közelében nagy térerősségű villamos tér alakul ki. Elegendően nagy térerősség esetén a csúcs közelében a levegő elveszíti szigetelőképességét és a csúcsról töltések távoznak, amelyeket a velük azonos polaritású csúcs magától eltaszítja. Ily módon alakul ki a csúcsok közelében az úgynevezett elektromos szél. Ezt a jelenséget nevezzük csúcshatásnak. A csúcshatás mutatható ki a Segner-kerék segítségével.

 

- Szikrakisülés

A szikrakisülés valamely gázban légköri nyomáson a gáz átütési szilárdságát meghaladó villamos térerősség esetén a két elektród között bekövetkező kondenzátorkisülés-jellegű átütés.

A kondenzátor-kisüléshez hasonló jelleg arra utal, hogy a kisülés során véges mennyiségű villamos töltés mozog, azok nem rendelkeznek folyamatos utánpótlással és a szikrát létrehozó villamos tér vagy annak egy része is megszűnik. A hétköznapi életben a környezetünkben előforduló elektrosztatikus feltöltődések eredményeként bekövetkező, az embert is érintő szikrák árama több 10 A is lehet, rövid időtartamuk, tehát kis energiájuk miatt azonban kisebb fájdalomérzeten túl nem okoznak nagyobb problémát.

A ma használatos elektronikus berendezések azonban sokkal érzékenyebben az emberi testnél, tönkre tételükhöz kis töltésmennyiségű szikrák is elegendők. A szikrakisülések ellen emiatt védekezni kell. Az iparban például nagymennyiségű por áramlásakor bekövetkező elektrosztatikus feltöltődés miatt több méter hosszúságú, nagy-energiájú szikrakisülések is előfordulhatnak, amelyek a gyúlékony por robbanását okozhatják.

 

- Ívkisülés

Az ívkisülés valamely gázban vagy vákuumban az elrendezés villamos szilárdságát meghaladó feszültség esetén a két elektród között bekövetkező átütés, amely során a töltések folyamatos utánpótlással rendelkeznek.

Ívkisülés keletkezik például a villamos hálózaton valamilyen okból létrejövő túlfeszültség hatására bekövetkező átütéskor, mert a hálózat a zárlatvédelmek megszólalásáig az ívet fenntartja. Ilyenkor az ív áramát a hálózat zárlati teljesítménye határozza meg az adott ponton, lehet több tízezer, esetleg százezer amper is.

 

A koronakisülés részleges kisülés, tehát nem terjed ki a két elektróda közötti teljes távolságra. Főleg erősen inhomogén térben, nagy térerősségű villamos térrel körülvett csúcsok közelében alakul ki. A koronakisülés név többféle fizikai folyamat gyűjtő elnevezése.


Koronakisülés akkor alakul ki, ha valamely csú
cs közelében a villamos térerősség olyan nagy értékű, hogy a gázban jelen lévő kis számú töltéshordozó a tér erőhatása révén gyorsulva akkora mozgási energiára tesz szert a két ütközése közötti, rendelkezésre álló, szabad úthosszon, amely a semleges gázmolekulákkal való ütközéskor azok ionizációját idézi elő. Az így keletkezett szabad elektronok újabb semleges részecskékkel ütközve további elektronokat szabadítanak fel ionizáció révén, és így kialakul az elektronlavina.

A csúcs közelében tehát töltéshordozókból álló vezető csatorna alakul ki. A vezető csatorna nem terjed ki azonban a másik elektródig, mert a csúcstól távolodva a villamos térerősség egyre kisebb, végül nem következik be az ütközésekkor ionizáció. A koronakisülést a csúcshatáshoz hasonlóan villamos szél kíséri.

1.20.2.1.1 ábra: Elektronlavina csúcsok közelében koronakisüléskor

Nagyfeszültségű távvezetékek kis lekerekítési sugarú vezetéksodronyai felületén a környező levegő állapotától függően kisebb-nagyobb mértékben mindig létrejön koronakisülés. Ez töltések elvándorlását jelenti a távvezetékről, ami veszteségi áramot képez a környezet felé. A nagyon nagy feszültségű, alaphálózati vezetékek közelében ez a veszteség olyan mértékű, hogy intézkedéseket tesznek a csökkentése érdekében.

Az intézkedés a vezeték lekerekítési sugarának látszólagos megnövelését jelenti. Ezt úgy érik el, hogy több vezetéksodronyt helyeznek el egymás mellett egy fázisvezetékben, egymástól néhányszor 10 cm távolságra eltartva azokat. 220 kV-os vezetékek esetén többnyire kettő, a 400 kV-os vezetékek esetén három, a 750 kV-os távvezetéknél pedig négy vezetéksodronyt helyeznek el egymás mellé azonos távolságra.

1.20.2.1.2 ábra: A koronakisülés csökkentése kötegeléssel a nagyfeszültségű távvezetékeken

 


1.20.2.2.1 A villámvédelem alapjai

A természetben előforduló leglátványosabb, elektrosztatikai jelenség a villám. Kialakulása és lefolyása a méretei és az elektródok sajátosságai miatt sokkal összetettebb a laboratóriumokban előállított, hosszú szikrákétól.

A villámok keletkezésével és felhőképződéssel együtt járó légköri jelenségeket zivatarnak nevezzük.

A zivatarfelhők a föld felszínén levő, páradús levegő gyors felemelkedésével jönnek létre, amikor az emelkedő légtömeg lehűl és a harmatpont elérésekor vízcseppek válnak ki benne. A felső alsó rétegeit vízcseppek, a fagypont alatti hőmérsékletű, felső rétegeit jégszemcsék alkotják.

A villám a zivatarok alkalmával a felhő és a föld között vagy felhőkön belül keletkező, nagyfeszültségű kisülés.

 

- Villamos töltések szétválása a zivatarfelhőben

A felhőkben a villamos töltések szétválásának magyarázatára több elmélet létezik, ezek közül a Simpson-Lenard-féle "vízesés elméletet" ismertetjük. Az elmélet a felhő alsó, fagypont fölötti hőmérsékletű tartományában magyarázza a töltések szétválását, amely szerint a vízcseppek a felhőben a légkör felső rétegeiben elhelyezkedő és pozitív töltéssel rendelkező ionoszféra és a föld közötti villamos tér miatt villamos megosztást szenvednek. Az influencia révén a cseppek alsó részén pozitív, a felső részén negatív töltés-súlypont alakul ki. A viszonylag nagyméretű cseppeket a felfelé haladó légáramlás buborékká fújja fel, majd szétrobbantja. Az így keletkezett kisméretű, negatív cseppeket a légáramlat magával viszi felfelé, míg a nagyobb, pozitív töltésű cseppek az alsóbb rétegekben maradnak.

1.20.2.2.1 ábra: Töltéssel rendelkező vízcseppek kialakulása a zivatarfelhőben

A felhő nagyobb terjedelmű, felső, fagypont alatti hőmérsékletű tartományában más elmélet magyarázza a töltések szétválását. A vízcseppek külső rétegüktől befelé haladva fagynak meg. A csepp belsejében a hőmérsékletkülönbség hatására a külső rétegben a pozitív H+ ionok feldúsulnak. A csepp belsejében képződő jég kiterjedése következtében szétfeszíti a már magfagyott, külső réteget, így apró, pozitív töltésű jégszemcsék pattannak le a cseppről. A visszamaradt, negatív töltésű, nagyobb jégszemcse lefelé, a kisebb pozitív töltésűek felfelé áramlanak. A zivatarfelhő alján így pozitív, középső részén negatív, a legfelső részén ismét pozitív töltés halmozódik fel.

A felhőben kialakuló töltésgócok néhányszor 10 coulomb nagyságrendű töltéstömeget tartalmaznak. A töltés tere a zivatarfelhő kialakulásától számított kb. fél óra alatt válik olyan nagyságúvá, hogy villámcsapások jönnek létre.

1.20.2.2.2 ábra: Töltésgócok kialakulása a zivatarfelhőben

 

- A villám kialakulása

Magyarország körzetében a villámok nagyobb része, 60 - 70 %-a, felhőkön belül jön létre, csak a fennmaradó 30 - 40 % csap a földbe. A földbe lecsapó villámok kialakulása az előkisüléssel kezdődik. Az előkisülés legtöbbször a felhőből indul ki és 10 - 200 m hosszúságú szökellésekkel halad előre. Az 50 m átlagos hosszúságú szökellések között 30 - 60 µs időtartamú szünet alatt éri el a kisülési csatorna végén a töltés az újabb szökelléshez szükséges koncentrációt.

Amikor az előkisülés megközelíti a földet, illetve az azon álló tereptárgyakat, akkor az úgynevezett orientációs távolságból az előkisülés töltésének tere és egyes földi tereptárgyakban az erős villamos tér miatt felgyülemlő töltések tere egymásra hatást gyakorol, és ekkor válik bizonyossá a villám becsapási helye a földön.

Az orientációs távolságba érve a földről több, nagy térerősségű pontból is ellenkisülés indul el az előkisülés felé. Az előkisülés és az ellenkisülés ionozott csatornájának összeérésekor a jó vezetőképességű földből nagy mennyiségű, az előkisülést létrehozó töltéssel ellentétes polaritású töltés halad felfelé az ionozott csatornába, semlegesítve az előkisülés csatornájában levő töltést. Ez a felfelé haladó főkisülés az előkisülés oldalágaiban is semlegesíti a töltéseket, ahonnan az előkisülés töltése kiindult.

Az első főkisülés nyomában a felhő távolabbi töltésgócaiból további előkisülések is kiindulhatnak, amelyek azonban a már teljes hosszában ionozott csatornán nem szökellésekkel, hanem folyamatosan futnak végig. Ezeket a "dart leader"-nek, "gerelykisülésnek" nevezett előkisüléseket további főkisülések követik.

A főkisülés csatornája az előkisülésénél sokkal kisebb átmérőjű, kb. 10 - 20 cm, és a több 10000 A, az esetek 1 %-ában 100 000 A-nél is nagyobb erősségű áram miatt a hőmérséklete 20 000 K hőmérsékletet ér el. a főkisülés során a töltések sebessége a fénysebesség 1/3-át is elérheti.

1.20.2.2.3 ábra: A felhőből kiinduló előkisülés, a fa és a ház tetejéről kiinduló ellenkisülés és a kéményről kiinduló főkisülés vázlatos képe

A villám polaritásán a felhő töltésének polaritását értjük, így létezik negatív villám és pozitív villám. Negatív villám a pozitív villámnál jóval gyakrabban fordul elő.

A villám áramerőssége, magas hőmérséklete, a nagy áram erőhatása, az áram változásának nagy sebessége miatti feszültségindukáló hatása és egyéb közvetett hatások miatt igen nagy kárt képes okozni az emberéletben és az anyagi javakban.

 

A villám káros hatásai nagy veszélyt jelentenek mind az emberre, mind az anyagi javakra, emiatt ezen hatások ellen védekezni kell.

A villámvédelem célja, hogy a villámcsapás a védett objektum helyett a villámhárítót érje, és azon keresztül kár okozása nélkül fusson le a földbe.


- A villámcsapás káros hatásai

- Gyújtó hatás

A villám főkisülése 20 000 - 30 000°C hőmérsékletű plazmacsatornában halad, ami a vele érintkezésben lévő tárgyakon hőhatást idéz elő. Rövid időtartama miatt a legtöbb villám csak igen gyúlékony anyagokat lobbant lángra (pl. szalma). Különösen veszélyes lehet azonban például robbanásveszélyes keveréket tartalmazó fémtartályok felületét érő villámcsapáskor a fémtartály falának áttüzesedése.

- Olvasztó hatás

A villámcsapás talppontjánál levő fémtárgyakból a villám a töltésével arányos mennyiségű fémet olvaszt meg.

- Dinamikus erőhatás

A villám igen nagy áramának mágneses tere erőhatást gyakorol más áramjárta vezetőkre. Iránytöréssel rendelkező levezető esetén a levezető egyik szakasza erővel hat a másikra. Ilyen esetben a tágulni igyekvő áramhurok kitépheti a tartószerkezetet a falból, illetve egyéb károkat okozhat.

- Indukált feszültség

A villámáram nagy csúcsértéke mellett pillanatnyi értéke igen nagy mértékben változik az időtől függően. Az áram változásának mértéke 100 kA is lehet mikroszekundumonként. Az áram hasonló mértékben változó mágneses tere emiatt az őt körülvevő vezetőhurkokban igen nagy feszültséget képes indukálni.

A fenti hatások a villám közvetlen hatásait tartalmazzák. A villám közvetlen hatásai ellen az elesôdleges (primer) vagy más néven külsô villámvédelmet kell alkalmazni.

A villám azonban nem csak a közvetlen közelében fejti ki káros hatásait, hanem nagy távolságban is különböző csatolási módok következtében. A villámcsapás másodlagos hatásainak összefoglaló neve az elektromágneses villámimpulzus. A villám másodlagos hatásai ellen a másodlagos (szekunder) vagy belsô villámvédelem véd.

 

- A villámimpulzus csatolási módjai

A villám másodlagos hatásai háromféle csatolási móddal terjedhetnek. A terjedés módja alapján megkülönböztethető a vezetett, induktív és kapacitív csatolás.

- Vezetett csatolás

A vezetési csatolás úgy jön létre, hogy a villám áramának a földelési ellenálláson történő áthaladásakor a földelő környezetében a földelési ellenállással és a villámárammal arányos feszültség jelenik meg a földben a közvetlen környezet és a távoli pontok között; tehát feszültségemelkedés jelenik meg a villámcsapás környezetében. Ezt a potenciált valamely vezetővel a távoli földpotenciálon lévő tárgyak közelébe vezetve ott a szigetelőanyagok szigetelőképességének letörése következhet be.

Ha a földelési ellenállás értéke például 0,5 , ami igen jó földelést jelent, a 100 000 A csúcsértékű villám 50 000 V feszültséget hoz létre a földelési ellenálláson. Ilyen potenciálon levő vezetőt a távoli földpotenciálon levő, vagy akár ahhoz képest 230 V feszültségen levő vezetőhöz közelítve a szokásos szigetelések átütnek.

1.20.2.2.1.1 ábra: Vezetett csatolás villámcsapáskor

- Induktív csatolás

A villámáram időbeli változásának gyors lefolyása miatt az azt körülvevő mágneses tér is igen gyorsan változik, nagy feszültséget indukálva a közeli vezetőhurkokban. Egy 10 m x 10 m oldalhosszúságú vezető hurokban a tőle 1 m távolságban, vele egy síkban az egyik oldalával párhuzamosan haladó levezetőben folyó 100 kA/µs meredekségű áram 720 kV feszültséget képes indukálni a vezetőhurokban.

Ez az indukált feszültség a hurok megszakításaiban - például a hálózati vezetéknek és az adatvezetéknek a berendezésben egymáshoz közel eső, egymástól 2000 V feszültségre szigetelt pontjai között - átütést eredményez, tönkre téve az ott lévő villamos berendezést.

1.20.2.2.1.2 ábra: Induktív csatolás villámcsapáskor

1.20.2.2.1.3 ábra: Kapacitív csatolás villámcsapáskor

- Kapacitív csatolás

A villámcsatorna alsó részén megjelenő feszültség (uV) több millió volt is lehet. A villámcsatorna és az épületeket összekötő vezeték közötti (CV) valamint a vezeték és a föld közötti kapacitás (CF) sorba kapcsolódik erre a feszültségre. Az utóbbi kapacitáson megjelenő feszültség elegendően nagy lehet ahhoz, hogy érzékeny elektronikákat átüssön és tönkre tegyen.

(Ld. még: A villámvédelem méretezési elve)