Kõrgepingetehnika (3)

KÕRGEPINGETEHNIKA AEK 3011 KORDAMISKÜSIMUSED

Isolatsiooni elektrilist tugevust mõjutavad parameetrid
Isolatsiooni elektriline tugevus sõltub:
- materjalist
- keskkonnast
- pinge mõjumise ajast
- jahutustingimustest
- radiatsioonist
- ja muudest teguritest

Liigpingete tekkepõhjused

• atmosfäärilised liigpinged Uatm
  

t I
U – on statistiline suurus
Joonis 1.3 Liini liigpingete esinemise tõenäosus pinge suuruse järgi
Atmosfääriliste liigpingete piiramine:

• piksekaitsetrossid liinidel
  
• piksekaitsesüsteemid
  
• liigpingepiirikud
  
• kommutatsiooni- e siseliigpinged Usis Un
  

isolatsiooni varu on piisav kuni 220 kV-ni
üle 220 kV – oluline on siseliigpingete piiramine

Isolatsioonile mõjuvate pingete ja liigpingete klassid ja kujud IEC 60071 järgi
Joonis 1.4 Madalsageduslikud liigpinged
Joonis 1.5 Transientliigpinged

Välisisolatsioon ja tema üldiseloomustus, lahenduste liigid
Välisisolatsioon – õhkvahemikud ja seadmete tahke isolatsiooni õhuga kontaktis olevad pinnad, mis alluvad elektrivälja ning muude välistingimuste ( saast , niiskus, kahjurid jms) mõjule. Välisisolatsioonile mõjuvad tegurid:
• õhurõhk p
• temperatuur T
• absoluutne niiskus H
Välisisolatsiooni pindadele mõjuvad lisaks:
• sademed
• saastumine
• tuul
Välisisolatsiooni normaaltingimused:
P = 101,3 kPa = 760 mmHg
T = 20°C
H = 11 g/m3

Aatomi planetaarmudel , osakeste energia, ionisatsiooni energeetiline sisu
Aatomi planetaarmudel
• aatomi raadius 10 nm
• tuuma raadius 10-4 nm
• prootoni ja neutroni raadiused 10-5 nm
• elektroni raadius 5*10–6 nm
Elektron :
• seisumass m0 = 9*10-28 g
• negatiivne laeng q = 1,6021892 ·10-19 C (kulonit)
Prootoni ja neutroni seisumassid = 1837 m0 Liikuva osakese mass suureneb (märgatav alates potentsiaalist: elektronidel 10 kV, ioonidel 1 MV):
Osakeste energia saab muutuda diskreetselt kvantide kaupa:
kus: ν - on kvanti iseloomustava elektromagnetiliste võnkumiste sagedus, 1/s
h – on Plancki konstant: h = 6,6 ⋅10−34 J s
Aatomi ergastatud olek kestab 10-8 – 10-10 s
Mitmekordne ja astmeline ergastus. Metastabiilne ergastus kestab 10-2 s. Metastabiilne orbiit → suurima energiaga orbiit → normaalne orbiit Ioniseerimene – elektroni ja aatomituuma vahelise sideme katkemine
Ionisatsioonienergia Wi
Ionisatsioonipotentsiaal Ui

Mahuionisatsiooni liigid
• põrkeionisatsioon Wi
(valemis on ladina “vee”)
• fotoionisatsioon
(valemis on kreeka “nüü”) kus h on Plancki konstant:
• termiline ionisatsioon (T = 3700 - 16000°C, 1 – 100 keV)
1. põrked intensiivsel soojusliikumisel
2. fotoionisatsioon kuuma gaasi kiirgusest

Ionisatsioon elektroodide pinnalt
Mõnede metallide väljumistöö Wv (väikseim energia, mis on vajalik elektroni väljumiseks tahkest ainest)
• termoelektroonne emissioon
• katoodi pommitamine positiivsete ioonidega
• fotoefekt
• külmemissioon

Rekombinatsioon
Ioonne rekombinatsioon = + ioon ja – ioon. Elektroonne rekombinatsioon = + ioon ja elektron
Ühes kuupmeetris gaasis rekombineerub 1 sekundi jooksul nr laengukandjaid:
nr =α rn+n− 1/(s*m3)
kus: α r – rekombinatsioonitegur, õhul α r =1,6 ⋅109 m3/s;
n+ – positiivsete laengukandjate kontsentratsioon, 1/m3;
n− – negatiivsete laengukandjate kontsentratsioon, 1/m3.
Kui n+ = n− = n , siis nr =α rn2
Rekombinatsioonil eralduv energia:
hν =Wi + delta Wk
kus: Wi on ionisatsioonienergia ja deltaWk on põrkel toimuv summaarse kineetilise energia muutus

Keskmine vaba tee pikkus
Keskmine vaba tee pikkus:
kus N on aatomite arv ruumiühikus, 1/cm3, õhu normaaltingimustel N = 2,77*1019
r on osakese raadius:
• elektronidel: r0 n

Liikudes veel edasi dx võrra on ühe elektroni ühe põrke tõenäosus , seega osakeste tiheduse n korral väheneb põrkumata osakeste arv dn võrra . Integereerides radades n0…n: ∫ = − ∫
saame . Siin
ongi tõenäosus, et elektron läbib vahemaa pikkusega x ilma põrkumata. Teepikkusel x, väljas E kogub elektron laenguga q energia x E q Ionisatsioon toimub, kui x E q ≥Wi , siit ioniseerimiseks vajalik teekond xi avaldub valemiga . Tõenäosus, et λ ≥ xi on λ . Seega:
(1/cm). Põrkeionisatsiooni tegur e. Townsendi I koefitsientα võrdub ühe elektroni poolt sooritatud ionisatsioonide arvuga, kui see elektron liigub välja suunas ühe
pikkusühiku võrra.

Elektronide laviin
Teepikkusel dx toimub nα dx ionisatsiooni. Seega dn = nα dx
Integreerides
Saame Ühtlases väljas on kaugusele x jõudnud laviinis
elektroni.

Sõltumatu lahenduse tingimus ühtlases väljas madalatel rõhkudel
Välisest ionisaatorist sõltumatu lahenduse eelduseks on sekundaarne ionisatsioon, mille allikateks võivad olla:
• laviinist katoodile suunduvad ioonid
• laviinist lähtuv katoodi fotoionisatsioon
• gaaside segus toimuv fotoionisatsioon
a) Lahendus madalatel rõhkudel
Madalatel rõhkudel (p ≤ 1 mmHg) võivad ka katoodile suunduvad ioonid katoodi pinnast elektrone välja lüüa. Pinnaionisatsiooni tegur γ e. Townsend’I III tegur näitab mitu elektroni lööb pinnast välja üks ioon. Laviinis maksimaalsel (katoodist anoodini) teekonnal s (joon. 2.3) on elektronide arv n = e^ α s . Seega on seal n −1= e^ α s−1 iooni. Laviini tekitamiseks tuleb pinnast välja lüüa vähemalt 1 elektron, seega sõltumatu lahenduse tingimuseks on

Lahendus ühtlases väljas normaalsetel või normaalsest kõrgematel rõhkudel

Pacheni seadus
Otsitav on sõltumatu lahenduse lävipinge (alguspinge). Sõltumatu lahenduse tingimus (ühe elektroni poolt katoodist anoodini põhjustatud ionisatsioonide arv)

Lahendus nõrgalt mitteühtlases väljas, proportsionaalsuse printsiip

Lahendus tugevalt mitteühtlases väljas
Pinge suurendamisel tugevalt mitteühtlase väljaga vahemikus tekib alguses koroonalahendus .
Joonis 2.8 Lahendus tugevalt mitteühtlases väljas (teravikuline anood)
Ligikaudsed parameetrid:
Laviini läbimõõt 0,1 mm, laviini pikkus 1 mm, arenemise kiirus 1,5*107 cm/s. Striimeri läbimõõt 0,5 mm, striimeri vool 10 – 20 A, Striimeri arenemise kirus 108 – 109 cm/s Striimeri arenguks vähim vajalik väljatugevus 10 kV/cm

Barjäärid tugevalt mitteühtlases väljas
Tugevalt mitteühtlase välja ühtlustamine:
• Ekraanid – metallist
Joonis 2.10 Teravikelektroodi ekraneerimine metallekraaniga
• Barjäärid – dielektrilisest materjalist
Joonis 2.11 Väljatugevuse ühtlustamine barjääriga
Joonis 2.12 Lahenduspinged erinevatel poolperioodidel
(perioodid vastavad teraviku laengule)

Sädelahendus impulsspingel, statistiline hilinemisaeg
Laviini moodustumine, arenemine striimeriks ja striimeri arenemine võtab aega. Lahenduse hilinemisaeg on ajavahemik lahenduspinge rakendumisest kuni lahenduse alguseni . Lahenduse hilinemisaeg koosneb kahest osast:
, kus: ts on statistiline hilinemisaeg
tf on lahenduse formeerumise aeg
Joonis 2.14 Lahenduse hilinemisaeg
Statistiline hilinemisaeg = esimese vaba elektroni oodatav tekkimise aeg, mis sõltub:
• katoodi materjalist
• rakendatud pingest
• välise ionisaatori intensiivsusest
Katoodi materjali iseloomustab väljumistöö Wv
Joonis 2.15 Statistilise hilinemisaja sõltuvus katoodi materjalist

Sädelahendus impulsspingel, lahenduse formeerumisaeg
Lahenduse formeerumise aeg koosneb:
• alglaviini liikumise ajast
• striimeri liikumise ajast
• pealahenduse liikumise ajast
Tugevalt mitteühtlases väljas ,
kus: s on elektroodide vahekaugus vstr on striimeri liikumise kiirus Anoodstriimeril ja katoodstriimeril on erinevad kiirused. Striimeri kiirus sõltub ka elektroodide kujust
Striimerite keskmised kiirused

Pingeimpulss ja volt-sekundkarakteristiku määramine
Joonis 2.17 Pingeimpulsi normeeritud kuju
Isolatsiooni katsetamisel on impulsid normeeritud:
• standardne e. järsk impulss
frondi kestus:
tf = 1,2 μs
impulsi kestus e. poolväärtusaeg:
timp = 50 μs
• kommutatsiooni- e. lauge impulss
frondi kestus:
tf = 250 μs
impulsi kestus e. poolväärtusaeg:
timp = 2500 μs
Volt-sekund karakteristikuks nimetatakse keskmise lahendusaja sõltuvust rakendatud pingeimpulsi amplituudist
Karakteristiku katseliseks määramiseks kasutatakse impulsspinge generaatorit (IPG)
Katseid alustatakse väiksemast lahenduspingest. Igal pingel tehakse suur hulk katseid ja leitakse keskmine lahendusaeg (soovi korral ka hajuvus ning jaotusseadus)
Joonis 2.20 Volt-sekund karakteristik erinevate elektroodide korral
Impulsitegur:
, kus: Uimp on läbilööki põhjustanud impulsi suurim pinge ( Umax ) U50 Hz on võrgusageduslik läbilöögipinge

Õhu elektriline tugevus impulsspingel
Õhu elektriline tugevus sõltub eelkõige välja kujust:
• ühtlases väljas (Rogowsky elektroodid )
o keskmiselt 30 kV/cm
o kui s = 1 mm, siis 45 kV/cm
o kui s = 1 m, siis 24 kV/cm
• tugevalt mitteühtlases väljas
o 4 kV/cm kuni 7 kV/cm

Õhu elektrilise tugevuse sõltuvus vahelduvpinge sagedusest
Läbilöögipinge tippväärtus vahelduvpingel leitakse tavaliselt:
U50AC = 1,1 U50SI . Vahelduvpingel avaldab mõju ka rakendatud pinge sagedus:
Joonis 2.22 Õhu läbilöögipinge sõltuvus sagedusest
• Vahemikus 1 sagedus ei mõjuta ionisatsiooniprotsessi
• Vahemikus 2 ei jõua kõik (positiivsed) ioonid ühe poolperioodi jooksul katoodini
• Vahemikus 3 tekib tasakaal uute ioonide tekkimise ja ioonide katoodile jõudmise vahel
• Vahemikus 4 ei jõua kõik vabad elektronid ühe poolperioodi jooksul anoodile
• Vahemikus 5 ei jõua kõik elektronid enam ioniseerida
Õhu läbilöögipingele avaldavad mõju atmosfääri tingimused, so temperatuur, rõhk ja niiskus:
Katsetulemused taandatakse “normaaltingimustele”
Normaaltingimused on:

• Temperatuur 293°K = 20°C
  
• Rõhk 101,3 kPa = 760 mmHg
  
• Niiskus veeauru 11 g/m3
  

Elektronegatiivsed gaasid, elegaasisolatsioon
Siseisolatsioonis kasutatakse elektronegatiivseid gaase . Need on gaasid, mille molekulid seovad endaga kergesti elektrone, moodustades väheliikuvaid negatiivseid ioone. Seega väheneb vabade elektronide arv lahendusprotsessis, mistõttu nendel gaasidel on suurt elektriline tugevus.
Elektronegatiivsete ainete elektriline tugevus ja veeldumistemperatuurid
Peamised elektronegatiivsed ained on: floor, kloor , hapnik, lämmastik. Elektronegatiivsuse astet iseloomustatakse sidumiskoefitsiendi η abil. Kõigis valemeis, kus esineb põrkeionisatsioonikoefitsient α tuleb sel juhul kasutada nn netopõrkeionisatsioonikoefitsienti ehk vahet:
α – η
Elegaasisolatsiooni kasutamine vähendab gabariite, näiteks 110 kV GIS:
Joonis 2.25 Gabariitide võrdlus õhk- ja elegaasisolatsiooni kasutamisel
Vahel kasutatakse gaase siseisolatsioonis kõrgendatud rõhu all.

Pindlahendus ühtlases väljas
Joonis 2.29 Dielektrik ühtlases väljas
Lahenduspinge alanemise põhjused (võrreldes õhkvahemikuga):
• dielektriku pinnale adsorbeeruv niiskus
• dielektriku pinna saastumine
• dielektriku ja elektroodide mittetäielik ühendus
Niiskus:
1. sisaldab + ja – ioone
2. elektriväljas hakkavad ioonid liikuma
3. elektriväli muutub ebaühtlaseks
4. lahenduspinge dielektriku pinnal alaneb (kestval pingel rohkem, impulsspingel suhteliselt vähe)
Saast:
1. seob niiskust
2. sisaldab erineva dielektrilise läbitavusega aineid ( sealjuures ebaühtlaselt)
3. elektriväli muutub ebaühtlaseks
4. lahenduspinge dielektriku pinnal alaneb
Ebatihe kontakt
Joonis 2.30 Dielektriku halb kontakt elektroodidega
1. dielektriku ja elektroodi vahele jääb õhkvahemik
2. õhkvahemikus suhteliselt tugev elektriväli
3. õhkvahemikus esineb tugev ionisatsioon ja kiirgus
4. ioonid tekitavad mahulaengu
5. kiirgus tekitab vabu elektrone
6. elektriväli muutub ebaühtlaseks
7. lahenduspinge alaneb
Ebatihedate kontaktipindade vältimiseks kasutatakse:
• isolaatorite tsementeerimist
• pehmeid tihendeid
• dielektrikute kontaktpindade metalliseerimist
Joonis 2.31 Lahenduspinge sõltuvus dielektriku materjalist ja elektroodide
Vahekaugusest

Pindlahendus domineeriva tangensiaalkomponendiga mitteühtlases väljas
Joonis 2.32 Domineeriva tangensiaalkomponendiga elektriväli
Niiskuse ja saaste mõjust põhjustatud täiendav mõju välja mitteühtlusele ja seega ka lahenduspingele on suhteliselt väike. Väljatugevus on suurim elektroodide teravate servade läheduses, kus tekib intensiivne ionisatsioon.
Joonis 2.33 Lahenduspinge amplituud erinevate dielektrikute korral

Pindlahendus domineeriva normaalkomponendiga mitteühtlases väljas
Joonis 2.34 Domineeriva normaalkomponendiga elektrivälja tekkimine
Lahenduse tekkimine:
• suurim väljatugevus esineb silindrilise elektroodi serva juures
• ümber silindrilise elektroodi alumise serva tekib koroona juba suhteliselt madalatel pingetel
• pinge tõstmisel tekivad striimerid
• striimeritel on oluline mahtuvus alumise elektroodi suhtes, mille tõttu striimereid läbib suhteliselt suur vool
• suure voolu tõttu striimerite temperatuur kasvab ja tekib termoionisatsioon
• selle tulemusel langeb oluliselt striimerite takistus ja suureneb nende heledus ning tekib nn. liuglahenduseks
• liuglahenduskanalite pikkus kasvab pinge tõstmisel kuni dielektriku ülelöögini (elektroodide vahel)
Lahenduspinge sõltub tekkiva kanali mahtuvusest. Kanali mahtuvust iseloomustatakse dielektriku pinnaerimahtuvusega. Pinnaerimahtuvus on dielektriku selle pinna, millel areneb lahendus, pinnaühiku mahtuvus vastaselektroodi suhtes.

Liuglahenduse iseloomustus
Liuglahenduse alguspinge leidmiseks kasutatakse Tepleri valemit
kus: C – dielektriku pinnaerimahtuvus,
Liuglahenduse alguspinge teisiti:
Liuglahenduskanali pikkus leitakse valemiga
kus: K1 – katseliselt määratud tegur
Ülelöögipinge
kus: κ2 – katseliselt määratud tegur
ε – suhteline dielektriline läbitavus
d – dielektriku paksus
l – elektroodide vahekaugus

Märg- ja saastlahenduste kujunemine, trekid
• Väliskeskkonna toimel isolaatorid saastuvad
• Kuivsaaste ei mõjuta märgatavalt isolaatorite lahenduskarakteristikuid
• Märgudes tekitab saaste isolaatorile nõrga elektrolüüdikihi –takistus langeb oluliselt
• Ka puhta isolaatori märgumine ( vihm ) tekitab isolaatori pinnale suhteliselt väikese mahueritakistusega veekihi (ρ =103 _m)
• Sellistel tingimustel läbib isolaatori pinnal olevat kihti lekkevool , mis hakkab isolaatori pinda soojendama.
• Seoses isolaatori pinna kujuga ja saaste ebaühtlusega on soojenemine ebaühtlane.
• Tulemuseks aurub niiskus isolaatori pinnalt ebaühtlaselt ja mõnedes kohtades ületab aurustumiskiirus vee juurdetuleku kiiruse ning need (mõne millimeetrise laiusega) alad kuivavad.
• Kuivanud ala takistus suureneb oluliselt ja kogu pinge rakendub sellele kitsale kuivanud alale .
• Tulemuseks on kuivanud pinnaosa ülelöök
• Ülelöögiga seotud lekkevoolu suurus sõltub ülejäänud (märja) osa takistusest ja lahenduse edasiseks arenemiseks on võimalikud kaks varianti :
1. Kui märgunud isolaatori pinna takistus on suur, siis on lekkevool väike ja lahendus sumbub kiiresti.
o Seejärel (vihma jätkumisel) märgub ülelöögikoht uuesti ja kogu protsess kordub.
o Sellise väikese ülelöögi tulemusel jääb isolaatori ülelöögitugevus paktiliselt samaks, kuid selliste lahenduste pikaajalisel toimel tekivad isolaatori pinnale juhtivad söestunud rajad – trekid e. roomerajad
o Trekid põhjustavad (ka kuiva) isolaatori lahenduspinge olulist alanemist.
o Sellist protsessi nimetatakse trekinguks ja isolaatorite materjal peab olema võimalikult trekingukindel.
2. Kui märgunud isolaatori pinna takistus on väike, siis on lekkevool suhteliselt suur ja tekkinud kaar ei sumbu vaid kasvab kiirusega umbes 50 m/s kuni isolaatori täieliku ülelöögini. Kuna isolaatori pinna osaliseks kuivamiseks kulub teatud aeg, siis nn. märg- ja
saastlahendused saavad areneda ainult kestaval (vahelduv)pingel. Impulsspinged
ülalkirjeldatud lahendusmehhanismi ei vallanda.

Saastlahenduspinge ja selle suurendamise võimalused
Saastlahenduspinge leidmine
Joonis 2.36 Saastlahenduspinge arvutamisel kasutatavad isolaatori parameetrid
Lekkevool:
Lekkeraja ,
kus:
Ll – lekkeraja kogupikkus, i ρ – saaste eritakistus, Dm – isolaatori keskmine diameeter :
Lihtsustatult:
Sellistel tingimustel avaldub saastlahenduspinge valemiga
kus K on eksperimentaalselt määratav tegur (sõltub isolaatori ehitusest ja materjalist).
Saastlahenduspinge suurendamise võimalused:
1. Lekkeraja pikendamine
• suurem isolaatorite arv ketis (tõstab ka vastupidavust impulsspingele)
• suurem seelikute või ribide arv
2. Pooljuhtiva glasuuriga isolaatorite kasutamine
3. Isolaatorite perioodiline survepesu
4. Portselanisolaatorite asendamine komposiitisolaatoritega
5. Isolaatorite katmine toatemperatuuril vulkaniseeritava silikoonkummiga (kestab 5…10 aastat)
6. Isolaatori katmine määretega (saastab ja peab vastu 1…2 aastat – tänapäeval kasutatakse harva)

Isolaatorite liigid ja nende konstruktsioon
Isolaatorite talitluskarakteristikud sõltuvad oluliselt isolaatori välispinna kujust – seelikute ja ribide arvust, nende kujust ja mõõtmetest. Isolaatorite ülelöögil on määrava tähtsusega nende saastlahenduspinge. Saastlahenduspinge suurus sõltub oluliselt ribidest ja seelikutest.
Isolaatori kuju on oluline, kuna:
• seelikute alumised küljed võivad sajus jääda kuivaks ja
• õigesti kujundatud isolaatori ribid ja seelikud peavad lahenduse osaliselt eemaldama isolaatori pinnast
• isolaatori läbimõõdu suurendamine mõjub lahenduspinget alandavalt
• isolaatori kuju peab soodustama isepuhastumist
Aparaadiisolaatorid
Joonis 2.37 Aparaadiisolaatorite konstruktsioon
o tõirtugiisolaator
o varrastugiisolaator
o läbiviikisolaator
Tõirtugiisolaatorid:
• tõir tagab vajaliku mehaanilise tugevuse
• kasutusala tavaliselt kuni 35 kV-ni
• kõrgematel pingetel kasutatakse mitut üksteise otsa liidetud tõirtugiisolaatorit – probleemid murdetugevusega
• murdetugevuse tõstmiseks kasutatakse mitmesambalisi konstruktsioone
Varrastugiisolaatorid:
• sisetingimustel kasutatakse lihtsakujulisi, peaaegu silindrilise profiiliga arrastugiisolaatoreid
• isolaatori lahenduskarakteristikute parandamiseks võidakse kasutada sisemisi ekraane

Isolaatorite materjalid
Klaasisolaatorid:
• karastatud klaas – isolaatorketid
• lõõmutatud klaas – tõirisolaatorid
• klaasil on metalliga ligikaudu sama paisumistegur
• klaasi pinnal võivad esineda mikropraod
Keraamilised isolaatorid:
• glasuuritud portselan
• pinnal esineb mikropragusid
• kiire tõusuga impulssidele alanenud läbilöögipinged
• portselani paisumistegur erineb metalli omast – metalli ja portselani vahele pannakse elastne kiht
Komposiitisolaatorid:
• klaastekstoliidist vardad
• polümeerseelikud (tefloon, polüpropüleen vms)
• eelised:
o kergus
o hea tugevuse ja kaalu suhe
o ei saastu kergelt
o esteetilisem välimus
o vandalismikindlus
• puudused:
o traking ja erosioon
o väike kaarekindlus
o ebaõnnestunud konstruktsiooni korral:
1. võib esineda roomav lahendus
2. käidus võib mehaaniline tugevus langeda

Isolaatorketi ülelöök
Vahelduvpingel 50 Hz:
o üksiktaldrikisolaatori korral kulgeb lahendus praktiliselt täielikult mööda isolaatori pinda mööda rada a (v.a. taldriku alaküljel paiknevad sooned ja ribid)
o n taldrikust koosneva isolaatorketi korral on võimalikud kaks lahendusvarianti:
_ väiksemate taldrikute korral, kui lk _ suuremate taldrikute korral, kui ≥1,3 H lt kulgeb lahendus mööda rada c , mille ligikaudne pikkus on lk = nH Isolaatorketi kuivlahenduspinged on oluliselt määratud ketti ühendatud isolaatorite arvust e. isolaatorketi pikkusest (joon. 2.39). Isolaatorketi märglahenduspinged avalduvad valemiga Umärg = nHEmärg , kus Emärg on märglahendus-elektriväljatugevuse efektiivväärtused:
Emärg = 200…260 kV/m

Isolaatorite valiku alused
Isolaatorite valiku aluseks on saastlahenduspinge, mis peab olema suurem maksimaalsest rakenduvast pingest Um: , mille alusel määratakse kindlaks vajalik lekkeraja Ll eripikkus λ:
Isolaatorite valiku aluseks ongi vajalik efektiivne lekkeraja eripikkus λef
*) ESDD – Equivalent Salt Deposit Density ( ekvivalentne soolasaaste tihedus)
• Väga puhtas piirkonnas võib λef • Väga saastatud piirkonnas võib λef = 31 mm/kV osutuda ebapiisavaks
Isolaatori valikul leitakse vastav lekkeraja eripikkus λef tabelist.
• Vajalik lekkerada: Ll = λefUm
• Ühe isolaatori lekkerada Li ≥ λefUmi
• Isolaatorite arv isolaatorketis
110 kV n = 7…9
330 kV n = 16…19
Parandustegur K
• kui Dkeskm.= 300…500 mm, siis KD = 1,1
• kui Dkeskm.> 500 mm, siis KD = 1,2
Lekkeraja parandatud pikkus: Ll = λefUmKD
Isolaatori valikul on oluline ka nn. lekkeraja tegur KCF
,kus: Lü on ülelöögiraja pikkus.

Pingete jagunemine isolaatorketis
Isolaatorketis esinevad mahtuvused mõjutavad pingejaotust isolaatorketis:
Joonis 2.41 Pingete jagunemine isolaatorketis:
c0 – isolaatori oma mahtuvus
c1 – isolaatori mahtuvus maa suhtes
c2 – isolaatori mahtuvus juhtme suhtes
n – isolaatori järjekorranumber
u – isolaatorile langev osapinge protsentides
• Joonisel 2.41 on nooltega kujutatud isolaatorite mahtuvusi läbivate voolude suunad.
• Isolaatorite ja maa (traaversi) vahelised mahtuvused c1 ja vastavad voolud on mõnevõrra suuremad kui isolaatorite ja juhtme vahelised mahtuvused c2 ja vastavad voolud.
• Isolaatorist maha voolav vool vähendab järgmist isolaatorit läbivat voolu ja seega ka järgmisele isolaatorile rakenduvat pinget (kõver 1 joonisel 2.41).
• Juhtmest isolaatorisse suunduv vool suurendab järgmist isolaatorit läbivat voolu ja seega ka järgmisele isolaatorile rakenduvat pinget (kõver 2 joonisel 2.41).
• Tegelikku (summaarset) pingete jagunemist isolaatorketis kujutab kõver 3. 35.

Koroonalahendus
Koroonalahendus e. koroona tekib tugevalt mitteühtlases väljas. Tugevalt mitteühtlane väli esineb tüüpiliselt liinijuhtmete ümber. Tugeva välja piirkonnas e. juhtme lähedal arenevad laviinid, striimerid ja osalahendused tekitavad koroona.
Koroonalahenduse algusväljatugevus on määratud valemiga
kus: m – juhtme pinda iseloomustav tegur,
δ – õhu suhteline tihedus,
r0 – juhtme raadius
Juhtme pinda iseloomustav tegur
• sile juhe, ilus ilm m = 1
• köisjuhe, ilus ilm m = 0,82…0,94
• vihm ja lumi m = 0,73…0,57
• härmatis, jäide m = 0,6
Õhu suhteline tihedus

Siseisolatsiooni liigid ja isolatsiooni vananemine
Siseisolatsioon on seadmete tahke, vedela või gaasilise isolatsiooni sisemised osad, mis on kaitstud atmosfääri ja muude välistingimuste mõju eest. Nõuded siseisolatsiooni materjalidele:
- elektriline tugevus
- väikesed kaod
- termiline stabiilsus
- mehaaniline tugevus
- tule- ja plahvatuskindlus
- odavus
Kasutatavad siseisolatsiooni materjalid:
• tahked (polümeerid, epoksiidid, vilk )
• vedelad (trafoõli, sünteetilised vedelikud)
• gaasid (SF6)
• kombineeritud
Siseisolatsiooni liigid:
• õlitäiteline isolatsioon
• paber-õliisolatsioon
• tahke isolatsioon
• gaasisolatsioon
Siseisolatsiooni eripärad:
• ei sõltu atmosfääritingimustest
• tahke isolatsiooni läbilöök põhjustab jääva rikke
• isolatsiooni vananemine (v.a. gaasiloatsioon)
Isolatsiooni vananemist kirjeldab joonisel 3.1 esitatud volt-sekundkarakteristik.

Osalahenduste tekkemehhanism
Osalahendused tekivad tahkete dielektrikute gaasitühimikkudes (gaasimullides) või vedelate dielektrikute kihististes. Gaasitühemikud võiva tekkida dielektriku valmistamisel või käidus.
Tavaliselt ei ületa gaasitühimiku suurus 1 mm ja moodustab dielektrikust tühise osa.
Osalahendused tekivad esmalt just gaasimullides, sest:
• Gaasimulli elektriline tugevus on väiksem tahke dielektriku elektrilisest tugevusest.
• Elektrivälja tugevus on gaasimulli sees suurem kui teda ümbritsevas dielektrikus erineva dielektrilise läbitavuse tõttu Osalahenduste arenemist aitavad selgitada joonised 3.2 ja 3.3.
Joonis 3.2 Gaasimulliga dielektrik ja selle aseskeem
Klemmile rakendatakse vahelduvpinge u, u =Um sinωt
Kondensaatorile Ct (tühikule) langeb sellest pinge ut, ut =Umt sinωt ,
kus vastavalt mahtuvuslikule pingete jagunemisele

Osalahendustel tühimikule rakendatud pinge muutumine

Osalahenduste mõju
Osalahenduste mõju:
• lahenduskanali kiired elektronid pommitavad dielektriku väikest pinda
• dielektriku väike osa (10-14…10-15 cm3) kuumeneb kuni mitmesaja kraadini
• selles osas dielektrik laguneb, tekivad (ka keemiliselt aktiivsed) kõrvalproduktid
• korduvatel osalahenduste tagajärjel tekivad dielektrikus kohalikud süvendid
• edasi koonduvad lahendused süvendisse ja tekivad “puukujulised” kanalid ja lõhed
• aja jooksul “puu” kasvab kuni dielektriku täieliku läbilöögini
• isolatsiooni riknemise kiirus sõltub osalahenduste intensiivsusest ja dielektriku materjalist

Vedeliku läbilöögi mehhanism
Põhilised isoleervedelikud on mineraalsed ja sünteetilised õlid, trafoõlid. Vedeliku läbilöögimehhanism ei ühti gaaside läbilöögiteooriaga:
• molekulide lähedus
• suurem viskoossus
• lisandite oluline mõju
Lisandid:
• tahked
• vedelad
• gaasilised
Joonis 3.4 Dipooli liikumine ebaühtlases väljas ja sillakeste tekkimine
Sillakesed
• Dipooli positiivsed ja negatiivsed laengud on võrdsed ja ühtlases väljas selline dipool ei liigu.
• Mitteühtlases väljas on nende laengute asukohas väljatugevus erinev ja suurema tugevusega väljas asuvale dipooli otsale mõjub suurem jõud.
• Kuna tahke lisandi dielektriline läbitavus on suurem kui õlil (εT = 7..8, εõ = 2,2 ), hakkab dipool liikuma suurema väljatugevuse suunas.
• Dipooli otste lähedal tekib välja täiendav mitteühtlus, mistõttu dipoolid liituvad ja moodustavad piki elektrivälja jõujooni kulgevaid ahelaid e sillakesi.
• Sillakesed juhivad voolu ja nende temperatuur tõuseb trafoõli
• Dipoolide liikumine paneb ka õli liikuma. Õli liikumine raskendab sillakeste
tekkimist
Külmemissioon katoodi pinnalt
• Elektroodide teravate nurkade lähedal on väljatugevus suur
• Katoodi nurga lähedale moodustub elektronide pilv
• Elektronid liiguvad anoodi poole ja põhjustavad põrkeionisatsiooni
• Põrkumisel molekulidega tekivad ka gaasilised laguproduktid
Läbilöögi kanal on gaasiline. Gaasi tekitavad:
• sillakeste ja nende ümbruse kõrge temperatuur – vedelik aurustub
• elektronide tekitatud laguproduktid – ka gaasilised
Läbilöögikanalis tekib sisuliselt gaaslahendus – striimerid, liidrid

Veesisalduse mõju õli elektrilisele tugevusele
Joonis 3.6 Veesisalduse mõju õli elektrilisele tugevusele
1) väheviskoosne õli
2) viskoosne õli
Väheviskoosne õli:
• vee molekulaarne lahustumine kuni kontsentratsioonini 50 10−6 C ≈ ⋅ osa vett
• vesiemulsioon alates kontsentratsioonist 50 10 6 − C ≈ ⋅ osa vett
Viskoosne õli:
• vee molekulaarne lahustumine kuni kontsentratsioonini 100 10 6 − C ≈ ⋅ osa vett
• vesiemulsioon alates kontsentratsioonist 100 10 6 − C ≈ ⋅ osa vett
Vesiemulsioon → minitilgakesed → dipoolid → sillakesed → läbilöök

Temperatuuri mõju õli elektrilisele tugevusele
Joonis 3.7 Temperatuuri mõju õli elektrilisele tugevusele
1) kuiv õli
2) niiske õli
• Kuiva õli elektriline tugevus hakkab temperatuuri tõustes üle 80°C langema seoses mõnede fraktsioonide aurustumisega
• Niiske õli
– temperatuuril – 40 ….0°C on vee emulsioon asendunud tahkete osakestega
– temperatuuril 0…80°C emulsioon asendub osaliselt molekulaarse lahusega
– temperatuuril üle 80°C hakkavad fraktsioonid aurustuma

Õli-barjäärisolatsioon – katmine
Joonis 3.10 Elektroodi katmine
• Katte paksus 1…2 mm
• Elektrivälja kuju praktiliselt ei muutu
• Takistab püsivate sillakeste moodustumist elektroodide vahele
• Suurim efekt esineb võrgusageduslikul pingel niiskusega ja (tselluloosi)kiududega saastatud õlis
• Isolatsiooni elektriline tugevus suureneb nõrgalt mitteühtlases väljas 70…100%, tugevalt mitteühtlases väljas 10…15%
• Impulsspingete juures katmise mõju ei avaldu

Õli-barjäärisolatsioon – isoleerimine
• Tahke isoleerkihi paksus kuni mõnikümmend millimeetrit
• Kasutatakse eeskätt tugevalt mitteühtlases väljas
• Elektrivälja kuju muutub ühtlasemaks
Joonis 3.11 Elektroodide isoleerimine
• lahendus saab alguse õlivahemikus
• pärast õlivahemiku läbilööki rakendub kogu pinge tahkele dielektrikule:
- kui tahke dielektrik on õhuke, järgneb täielik läbilöök
- kui tahke dielektrik on piisavalt paks, siis läbilööki ei toimu, kuid
korduvad õli läbilöögid võivad muuta tahke dielektriku kasutuskõlbmatuks
• seepärast loetakse isoleeritud elektroodide vaheliseks läbilöögipingeks õlivahemiku läbilöögipinget vaatamata sellele, et täielikku läbilööki ei toimunud

Õli-barjäärisolatsioon – barjäärid
• Paigaldatakse tavaliselt tugevalt mitteühtlases väljas väikese kõverusraadiusega elektroodi lähedusse.
• Laengud “takerduvad” barjääri ja elektriväli ühtlustub
• Barjääri kaugus “teravikust” on võrgusagedusel 15…25% elektroodide vahekaugusest
• Impulsspingete jaoks paigaldatakse barjäär vahetult terava elektroodi juurde
• Nõrgalt mitteühtlases väljas takistab barjäär elektroodidevaheliste
“sillakeste” moodustumist
Joonis 3.11 Barjäärid õliisolatsioonis
Barjäärid võivad õliisolatsiooni elektrilist tugevust võrgusageduslikule pingele tõsta kuni 2…2,5 korda. Impulsspingetaluvust barjäärid oluliselt ei tõsta Barjääre võib olla ka mitu.
Barjääri (või barjääride summaarse) paksuse suurendamine tõstab elektrilist tugevust kuni barjääri paksus moodustab 25…30% elektroodide vahekaugusest. Edasisel barjääri paksuse suurenemisel hakkavad lahendused arenema mööda barjääri pinda ja elektriline tugevus enam ei suurene.

Õli-barjäärisolatsioon – osalahenduste toime
Joonis 3.12 Trafo mähise õli-barjäär isolatsiooni osalahendus
• Osalahendused õlivahemikus põhjustab barjääri pinnal suure välja ebaühtluse. Seetõttu võivad ümber kaare tabamispunkti barjääris tekkida roomelahendused.
• Roomelahendus areneb nii barjääri pinnal kui ka barjääri pindmistes kihtides.
• Roomelahendus lagundab õli ja tekitab gaase.
• Üksik roomelahendus tekitab paberbarjääri sisse gaasitühikuid – nn “valgeid jälgi”
• Korduvad roomelahendused tekitavad barjääri barjääri sees juhtivad söestunud roomejälgi – nn “ musti jälgi”

Paber-õliisolatsioon – algosalahendused ja kriitilised osalahendused
Normaalselt paber-õli isolatsioonis gaasitühemikke ei esine. Erandiks on vaid eriti viskoosse õli-kampol seguga immutatud paber. Eristatakse kolme paber-õli isolatsiooni tüüpi:
Joonis 3.13 Paber-õli isolatsiooni tüübid
a) lehtisolatsioon
b) ülekattega lintisolatsioon
c) ülekatteta lintisolatsioon
Paber-õli isolatsioonis võib esineda kahte tüüpi osalahendusi:
• algosalahendused
• kriitilised osalahendused
Algosalahendused tekivad vahetult paberi pinna mikrokonarustelt õlikihti tungivatest laviinidest. Algosalahenduse energia ja laeng on väike ( q = 10-15…10-13 ) ja selle poolt
tekitatud gaasi kogus väga väike – 10-15…10-13 cm3. Vähene gaasi kogus lahustub kiiresti õlis ja järgmine algosalahendus toimub jälle õlikeskkonnas.

Paber-õliisolatsiooni vananemine
Paber-õli Isolatsiooni vananemine koosneb kahest etapist:
1) algosalahenduste toimel toimub gaasikontsentratsiooni kasv kuni küllastuseni, mis viib gaasitühemike ja kriitiliste osalahenduste tekkimiseni küllastusaeg: kus Cg k on küllastuseks (gaasitühemike tekkeks) piisav gaasi kontsentratsioon
2) kriitiliste osalahenduste toimel toimub isolatsiooni lõhkumine kuni täieliku läbilöögini

Tahkete dielektrikute elektriline läbilöök
Tahkete dielektrikute elektriline tugevus sõltub oluliselt dielektriku vananemisest.
Joonis 3.16 Tahke dielektriku elektrilise tugevuse sõltuvus pinge kestusest

Tahkete dielektrikute elektromehaaniline läbilöök
Elektriline läbilöök toimub tahke dielektriku elektrilist tugevust ületava välja toimel.
Pinge mõjumise lühikese aja tõttu ei jõua osalahendused ja isolatsiooni vananemine lahendust mõjutada. Seega toimub tahke dielektriku elektriline läbilöök üldjoontes analoogiliselt gaaslahendusega:
• vabade elektronide kiirendamine
• elektronide hulga kasv põrkeionisatsiooni tagajärjel
• laviinide teke
• striimeri teke
Erinevused gaaslahendusest:
• väike vaba tee pikkus
• suurem põrgete arv
• aine agregaatoleku muutus lahenduskanalis
• tahke aine kristallvõre mõju põrekionisatsiooni iseloomule
Nimetatud erinevused teevad dielektriku elektrilise tugevuse teoreetilise arvutamise praktiliselt võimatuks. Tahkete dielektrikute elektrilist tugevust hinnatakse põhiliselt katsetulemuste alusel empiiriliste valemite ja graafikutega. Katsetulemustel leitud läbilöögipinge on juhuslik suurus, millele leitakse vastav jaotusseadus (jaotusfunktsioon, matemaatiline ootus, jaotustihedus jms). Katsetamine on kulukas , kuna tahke dielektrik läbilöögi tagajärjel tavaliselt rikneb ja igaks katseks tuleb kasutada uut objekti.
Tahke dielektriku elektriline tugevus sõltub oluliselt:
• isolatsiooni konstruktsioonist
• valmistamistehnoloogiast
• kasutatavatest materjalidest
• materjalide puhtusest

Tahkete dielektrikute soojuslik läbilöök
Selgituseks lihtne näide:
Dielektriku temperatuur igas punktis on θ . Sellele dielektrikule on rakendatud vahelduvpinge U. Dielektrikuskadude arvelt tekib dielektrikus soojushulk Qs, Qs =ω CU2 tanδ ,
kus:
C – isolatsiooni mahtuvus ω = 2πf ≈314
tanδ - dielektrikuskadude kaonurga tangens
Dielektrikust eraldub ümbritsevasse keskkonda soojushulk Qü, Qü = k S (θ −θü )
kus:
k – soojusvahetuse tegur
S – isolatsiooni pind, millelt soojus kandub ümbritsevasse keskkonda
θü – ümbritseva keskkonna temperatuur
Enamik dielektrikute tanδ suureneb temperatuuri tõustes.
Joonis 3.17 Kaonurga tangensi tanδ sõltuvus temperatuurist θ

Vesipuud ja dendriidid tahketes dielektrikutes
Dendriidid ja vesipuud tekivad tahke isolatsiooni pikaajalisel vananemisel .
Põhjused:
• pikaajalisest pingestamisest põhjustatud osalahendused
• kõrgetest temperatuuridest pika aja jooksul põhjustatud mikropraod
Nende põhjuste koosmõjul kujunevad tahkes dielektrikus gaasiga täidetud kanalid, mille seintel võib olla õhuke söestunud kiht ja mis aja jooksul kasvavad üldiselt elektrivälja jõujoonte suunas, kuid materjali ebaühtluse tõttu mõnevõrra juhuslikes suundades tekitades puukujulisi moodustusi . Dendriidid hakkavad arenema kohast, kus elektriväli on eriti ebaühtlane Sageli on dendriitide arenemise põhjustajateks tühemikes tekkivad osalahendused. Dendriidid kasvavad aja jooksul ja lõpuks jõuavad areneda ühelt elektroodilt teiseni põhjustades dielektriku läbilööki. Tahkesse dielektrikusse sattunud veepiisakestest arenevat dendriiti nimetatakse vesipuuks. Vesipuud tekivad tüüpiliselt kaablite PEX-isolatsioonis, eriti kui kaablil puudub piisav pikisuunaline ja põiksuunaline veetihedus. Mikroskoopilised veepiisakesed võivad jääda kaabli isolatsiooni ka isolatsiooni materjali ja kaabli valmistamisel. Materjali puhtusest ja veepiisakeste asukohast lähtuvalt võib esineda erinevat
tüüpi vesipuid.

Trafo isolatsioon
Trafode isolatsioon koosneb välis- ja siseisolatsioonist:
• Välisisolatsioon: sisseviikude välispinnad + õhk
• Siseisolatsioon: trafo paagi sees paiknev isolatsioon:
o peaisolatsioon
o pikiisolatsioon
Peaisolatsioon
o mähiste ja paagi vahel
o erinevate mähiste vahel
o mähiste eri väljavõtete vahel
Pikiisolatsioon – isolatsioon ühe ja sama mähise eri punktide vahel:
o eri keerdude vahel
o eri kihtide vahel
o eri poolide vahel
Peaisolatsioon on peamiselt õli-barjäärisolatsioon. Pikiisolatsioon on tavaliselt paber-õliisolatsioon. Barjäärid on paigutatud risti elektrivälja jõujoontega. Trafo elektriväli on keeruka kujuga - kasutatakse mitmeid erinevate barjääritüüpide kombinatsioone.
Barjääritüübid:
o silindrilised - silinderbarjäärid
o tasapinnalised rõngad - seibbarjäärid
o nurkrõngad - nurkbarjäärid

Impulsspinge jagunemine trafos
Nõuded trafo isolatsioonile tulenevad impulsspingetest. Impulsspinge frondi suure järskuse tõttu levib liigpinge mööda trafo mähiste-, kihtide- ja keerdudevahelisi mahtuvusi.
Peaisolatsioonil sõltub liigpingete jagunemine trafo neutraali maandusviisist:
• maandatud neutraaliga trafol esineb suurim peaisolatsioonile rakenduv impulsspinge umbes 1/3 kaugusel mähise algusest (15 – 20% üle mõjuva pinge)
• isoleeritud neutraaliga trafodel esineb suurim peaisolatsioonile rakenduv impulsspinge mähise lõpus (50…80% üle mõjuva pinge) Pikiisolatsioonil võib järsu frondiga impulss tekitada kuni 10-kordse normaaltalitluspinge. Trafo mähiste induktiiv - ja mahtuvuslikest takistustest koostatud aseskeem on joonisel 3.24.

Kondensaatorite isolatsioon
Elektrivõrkudes kasutatakse kondensaatoreid
• võimsusteguri tõstmiseks
• pikkade liinide pikikompensatsiooniks
• kõrgepingeliinidele kõrgsagedus-sideseadmete ühendamiseks kõrgepingeliini külge (sidekondensaatorid)
• impulsspinge generaatorites
Joonis 3.28 Kondensaatorisektsioon

Kaablite isolatsioon
Kaablites kasutatavaid isolatsioonimaterjale:
• paberõli
• õli
• PE – polüetüleen
• PELD – madala tihedusega polüetüleen
• PEHD – suure tihedusega polüetüleen
• PEX/XLPE – ristsillatud polüetüleen
• PVC – polüvinüülkloriid
• HFFR – halogeenivaba tulekindel polümeerisegu
• LSZH – vähese suitsueritusega halogeenivaba plast
Isolatsioonimaterjalide valik:
• kasutustingimused
o pinge
o koormus
o kaod
o painded
o temperatuurid
o niiskus
o kemikaalid
o UV-kiirgus
o turvalisus (näit. tulekindlus )
PVC-isolatsiooni omadusi:
• kasutusala – kuni 1 kV kaablites
• eelised:
o inertne
o mittemürgine
o isekustuv
o painduv
• puudused:
o põlengul eraldub kloor (kloor + vesi = soolhape)
o polaarne – suhteliselt suured kaod – kuumenemine
PEX/XLPE – isolatsiooni omadusi:
• kasutusala – kesk- ja kõrgepingekaablid
• eelised:
o halogeenivaba
o mittemürgine
o külmakindel
o kuumakindel
o mittepolaarne – väikesed kaod
• puudused
o põlev, tuld edasikandev
o ei ole korduvkasutatav
Kõrgepingekaablite tüübid:
• paberõlikaablid e. paberkaablid (kuni 35 kV)
• õlikaablid (110…220 kV, ka kuni 500 kV)
• gaasikaablid (kuni 220 kV)
• PEX/XLPE kaablid (kuni 220 kV)
• Erikaablid (kuni 400 kV)

Äikese ja välgu kujunemine
Äikese kujunemine
Maakera ja teda ümbritsev ionosfäär on laetud:
• maa laeng on negatiivne
• ionosfääri laeng on positiivne
Seega moodustavad ionosfäär ja maakera suure kerakondensaatori, milles
elektroodidevahelise dielektrikuna toimib atmosfäär. Maa pinna ja ionosfääri keskmine potentsiaalide vahe on umbes 300 kV Elektriväljatugevus maa pinna lähedal on keskmiselt 100…200 V/m. Elektriväljatugevus kõrgemal nõrgeneb ja 50 km kõrguselt algab ionosfäär.
Atmosfäär ei ole ideaalne isolaator . Isegi ilusa ilmaga läbib seda lekkevool voolutihedusega ligikaudu 3pA/m2 , mis teeb kogu maakera pinna kohta 2kA. Lekkevool neutraliseerib ilusa ilmaga piirkondades osa maa negatiivsest laengust ja seega vähendab elektriväljatugevust “elektroodide” vahel. Tegelikult maa ja ionosfääri vaheline potentsiaalide vahe ei kao. Tasakaalu hoidvaks protsessiks on äike. Välgulöökidega kanduvad positiivsed laengud tagasi atmosfääri ning ionosfääri ja maakera vaheline potentsiaalide vahe säilib. Selle protsessi energia tuleb päikeselt. Mõõtmised on näidanud, et ühe keskmise äikesepilve välgulahenduste
ekvivalentne kestev vool aastas on 1 A. Arvestades, et kogu atmosfääri lekkevool aastas on 2 kA, peab tasakaalu säilimiseks tekkima ligikaudu 2000 äikesepilve aastas. Äikesepilve tekkimise tingimused:
• võimsad vertikaalsed õhumasside liikumised
• piisavalt niiskust
• temperatuuri suur vertikaalne gradient
Äikeseid on kahte liiki:
• konvektsioonäikesed (tekivad soojal suvepäeval)
• frontaaläikesed (tekivad külma õhumassi sissetungimisel)

Välkude liigitus
Liiderkanali arenemissuuna järgi esinevad:
• allasuunatud välgud (tasased alad, mitte esilekerkivad ehitised)
• ülessuunatud välgud (esilekerkivad ehitised, mäetipud)
Välku algatanud laengu alusel määratakse välgu polaarsus :
• negatiivsed välgud (90% kõikidest välkudest)
• positiivsed välgud (10% kõikidest välkudest)
Välk koosneb ühest või mitmest välgulöögist:
• lühikestest välgulöökidest kestusega vähem kui 2 ms (joonis 5.3)
• pikkadest välgulöökidest kestusega enam kui 2 ms (joonis 5.4).
Välgulööke eristatakse ka nende positsiooni alusel välgu kestel:
• esmane
• edasine
• kattev

Välguvoolu põhiparameetrid
Välguvoolu olulisemad parameetrid on:
• Voolu tippväärtus I , kA
• Erienergia W/R, kJ/_
• Laeng Q, C
• Välguvoolu frondi keskmine järskus di/dt, kA/μs
• Voolu lainekuju
Voolu lainekuju
• esmasel välgulöögil 10/350 μs
• edasistel välgulöökidel 0,25/100 μs on määratletud valemiga:
kus: I – voolu tippväärtus;
k – voolu tippväärtuse parandustegur;
t – aeg (kestus);
τ1 – vooolufrondi ajakonstant;
τ2 – voolusaba ajakonstant.

Piksevardad ja piksetrossid, õhuliini kaitsenurk
Piksevardast arenevad lahenduskanalid kiiremini, kui piksetrossidelt. Seega on piksevarraste kaitsetsoonid laiemad kui samal kõrgusel paiknevate piksetrosside kaitsetsoonid. Üksiku piksevarda kaitsetsoon on nõguskoonuse kujuline, mille moodustaja on piksevarda tippu läbiv kaar raadiusega 3H (joonis 5.11). Kahe teineteisest vähem kui 3H kaugusel asuva piksevarda vaheline kaitsetsoon moodustub varraste tippusid läbiva kaarega raadiusega R, mille keskpunkt MR on kõrgusel 3H (joonis 5.12).
Piksetrossid
Üksik piksetross tekitab piki trossi telgikujulise kaitsetsooni, mille ristlõike piirjooneks on trossi läbiv kaar raadiusega 2H. Kaks piksetrossi, mille vahekaugus on väiksem kui 2H , tekitavad koos kaitsetsooni, mille piiri piksekaitsetrosside vahel moodustab trossidele toetuv
kaar raadiusega 2H . Väliskülgedel on kaitsetsoon sama kui ühe trossi korral.
Joonis 5.15 Õhuliini kaitsenurk
Õhuliini keskmine faasijuht on välgu otsetabamuse eest tavaliselt kaitstud suure varuga. Kahe trossiga õhuliini välimiste faasijuhtide või ühe trossiga õhuliini kõik faasijuhid ei ole välgu otselöögi eest kaitstud 100% tõenäosusega. Sel juhul iseloomustatakse faasijuhtide kaitstust kaitsenurgaga α. Normaalselt peaks kaitsenurk olema piirides α = 15…30°. Piksetrossi kõrguse H ja kaitsenurga α järgi saab arvutada välgu otselöögi tõenäosust: Näiteks, kui α = 30° ja H = 16 m, siis faasijuhi tabamistõenäosus Pvl = 0,002;
aga kui H = 32 m, siis Pvl = 0,01. Faasijuhi tabamistõenäosuse vähendamiseks tuleb vähendada kaitsenurka α.

Kõrgete ehitiste piksekaitse
Üle 100 m kõrgeid objekte võib välk tabada kümneid kordi aastas. Üle 60 m kõrgeid ehitisi võib välk tabada ka küljelt Seepärast on kõrgete ehitiste kaitsmine välgu otsetabamuse eest eriti oluline Kõrge ehitise kaitsmisel kasutatakse paljudest komponentidest (vardad, trossid,
võrgud) koosnevaid ja vaadeldavale ehitisele sobivaid välgupüüdursüsteeme. Kuna kõrgehitised sisaldavad metall - ja raudbetoonkonstruktsioone, siis lisaks spetsiaalsetele maandusjuhtidele kasutatakse ka neid konstruktsioone välgupüüdurite maandusjuhtidena.
Seepärast peab ehitamisel tagama metallosade kindla ühendamise. Oluline on vältida välgutabamuse korral horisontaalseid pingegradiente. Selleks kasutatakse horisontaalset potentsiaaliühtlustust: igal korrusel või 10…15 m järel ühendatakse omavahel kokku kõik vertikaalsed juhtivad kontuurid (metalltorud, liftirööpad, kaablite metallkestad) ning ka maandusjuhtide süsteemiga. Ehitise metallkarkassi välisosad ühendatakse iga 20…30 m järgi maandusjuhiga. Seadmete kaitseks tuleb:
• kõik madalpingejuhtmed paigaldada metalltorudesse
• kõikide ehitisse sisenevate kaablite metallkestad ühendada
• elektriseadmete kestad ja trafode neutraalid ühendada ehitise metallkarkassiga

Püst- ja rõhtmaandurid, valgumistakistus
Maandurid võivad olla:
• rõhtmaandurid (paigaldussügavus 0,5…1 m)
o sirgmaandurid (ühe- või mitmekiirelised: 2…6 kiirt )
o kontuurmaandurid (rõngas-, ristkülik- ja võrkmaandurid; Dmin ≥ 2 m, võrgu silma laius kuni 20 m )
• püstmaandurid
Maandurid koosnevad elektroodist või elektroodide süsteemist. Elektroodiks võib olla:
• ümarjuht (teras: Ø vähemalt 10 mm, vask: vähemalt 25 mm2)
• kiudjuht (vask: vähemalt 25 mm2)
• riba (teras: ristlõige vähemalt 90 mm2 , paksus vähemalt 3 mm)

Puute- ja sammupinge ühest ja mitmest elektroodist koostatud maanduri korral
Joonis 5.18 Puute- ja sammupinge ühest elektroodist koosneva maanduri
korral
Pinge maanduri ja nullpotentsiaali vahel ehk maanduspinge avaldub valemiga U E = I E RE ,
kus IE on maandusvool (maavool) Ohutuse seisukohalt on oluline puutepinge. ligikaudselt loetakse, et Tegelik puutepinge ei tohi ületada standardis lubatud väärtust UTp
UP ≤UTp
Puutepinget saab vähendada mitmest elektroodist koosneva maanduri abil.

Sädemikud
Joonis 5.19 Sädemikud kuni 200 kVA trafodel (a) ja keskpingel (b)
Sädemiku volt-sekund karakteristik peab olema madalam kui kaitstava isolatsiooni volt-sekund karakteristik.
Joonis 5.20 Sädemiku (1) ja kaitstava seadme (2) volt-sekund karakteristikud

Ventiillahendid
Koosnevad sädevahemikust ja sellega jadaühenduses olevast ebalineaarsest
Takistist
Joonis 5.21 Ventiillahendi takisti volt- amper karakteristik
Kui vool Ik läbib kaare kaudu takistit , tekib takistil nn jääkpinge Uj Ventiillahendi läbilöögipinge Ull ja jääkpinge peavad olema ligikaudu 20…25 % madalamad kaitstava isolatsiooni lahenduspingest. Impulssvoolu järel hakkab ventiillahendit läbima võrgusageduslik saatevool Is, mida põhjustab pingestatud elemendi talitluspinge. Talitluspingel hakkab mittelineaarse takisti takistus kiiresti kasvama ja elektrikaar kustub .
Suurimat võrgusagedusliku pinge väärtust, mille juures ventiillahendi elektrikaar kindlasti kustub nimetatakse kustumispingeks Ukst ja vastavat voolu kustumisvooluks Ikst .

Metalloksiidpiirikud
Metalloksiidpiirikud koostatakse tavaliselt ZnO põhistest keraamilistest takistitest.
Metalloksiidpiirikute takistus on tunduvalt mittelineaarsem kui ventiillahenditel.
Suure mittelineaarsuse tõttu on metalloksiidpiiriku takistus talitluspingele väga suur. Normaaltalitlusel läbib metalloksiidpiirikut vool I • faaside ja maa vahelist liigpinget
• faasidevahelist liigpinget

Vool ja pinge juhtmes välgu otselöögil liini
Lähtutakse välgulöökide arvust aastas km2-le: n = 0,06…0,1 (lööki/km2 aastas) Liini otsetabamisalaks loetakse liinialune maa laiusega kuni 7h, kus h on liini kõrgus meetrites.
Joonis 5.29 Liini otsetabamisala
Otsetabamisala pindala:
S = 7 h L x10−3 km2
Tabamuste arv:
N = 7 x (0,06...0,1)h L x10−3 = (4...7)h L x10−4 tabamust aastas
Välguvoolu arvutus:
• liini lainetakistus ZL = 400…500 _
• välgukanali lainetakistus ZK = 200…300 _
• välgu pinge Um = ImZK , kus Im on välguvoolu väärtus, kui välk tabaks maa “nullpotentsiaali”
• välguvool, kui välk tabab liini (arvestades, et ZL x 2ZK ):
Joonis 5.30 Voolude jagunemine välgu otselöögil liini

Välgu otselöögist liini põhjustatud isolaatorite ülelöökide ja liini väljalülitamiste arv aastas
Joonis 5.33 Välgulöökidest põhjustatud liini väljalülitamiste arv 100 km kohta 30 äikesetunni korral aastas sõltuvalt masti kõrgusest h ja maandustakistusest RM (impulsstakistus).

Välgulöök masti

Välgulöök liini lähedusse
Joonis 5.31 Välgulöök liini lähedusse
Liidri negatiivne laeng indutseerib liini positiivse laengu. Pealahenduse tekkimisel liidri laeng neutraliseerub ja liini kogunenud positiivne laeng vabaneb, tekitades pingeimpulsi. Liini juhtmes indutseeritud pinge:
, kus: h on liini keskmine kõrgus.
Liini isolaatorite ülelöögi-impulsspingete näiteid:
35 kV Uimp = 350 kV
110 kV Uimp = 700 kV

Liinis levivad pingelained ja alajaama kaitse liigpingelainete vastu
Liigpingelained võivad olla :
• täislained, kui UmUimp.lah
Lõigatud lainete esinemistõenäosus on kuni 330 kV liinidel umbes 90%, kõrgematel pingetel 50%. Eriti järsu tõusuga laineid põhjustavad masti või trossi tabavad välgud, kui sellele järgneb isolaatorite ülelöök faasijuhtmesse. Välgulöögist liini lähedusse võivad põhjustada isolaatorite ülelööki kuni 35 kV liinidel ja põhjustada faasijuhtmetes nn. indutseeritud pingelaineid.

Pingelaine toime pingelaine jõudmisel alajaama
Liinidest alajaama tulevate liigpingelainete vastu kaitstakse alajaama ventiillahendite ja liigpingepiirikutega.
Joonis 5.34 Kaitse liinilt tulevate liigpingelainete vastu

Liigpingepiirikute paigalduspõhimõtted
Liigpingepiirik tuleb paigutada trafole nii lähedale kui võimalik, soovitavalt lüliti ja trafo vahele. Liigpingepiirik tuleb ühendada alajaama maanduskontuuri võimalikult lühikest teed pidi. Trafo maandus ühendatakse samasse maanduspunkti kuhu piirik. Kui võimalik, tuleb sellesse maanduspunkti ühendada ka talitlusmaandus. Trafo Y-mähise maandamata neutraali
tuleb kaitsta liigpingepiirikuga. Kui ühenduskaabli pikkus on alla 30 m, tuleb liigpingepiirik paigaldada kaabli trafopoolsesse otsa. Kui trafo on õhuliiniga ühendatud kaabli kaudu, tuleb kaabli kest maandada liigpingepiiriku maanduspunkti võimalikult lühikese juhtmega. Kui kaabli trafopoolsesse otsa ei saa liigpingepiirikut paigaldada, tuleb õhuliini kaitsta välgulöökide eest piksetrossiga võimalikult kindlalt.

Siseliigpinged (tekkepõhjused, klassifikatsioon , omadused)
Liigpingeteks nimetatakse pingeid, mille väärtus ületab isolatsioonile ettenähtud maksimaalset pinget. Isolatsioonile ettenähtud maksimaalne pinge on tavaliselt suurima lubatava kestevpinge maksimaalväärtus:
• faasi ja maa vahelisele isolatsioonile
• faasidevahelisele isolatsioonile
kus Ulubon suurima lubatava kestevpinge efektiivväärtus
Liigpinget iseloomustavad:
• pinge suurim väärtus (sageli suhteline väärtus isolatsioonile lubatava suurima pinge suhtes)
• pinge kuju
• esinemissagedus
tekkepõhjused
Elektrisüsteem sisaldab kontsentreeritud ja jaotatud parameetritega induktiivsusi ja mahtuvusi. Mahtuvuste ja induktiivsuste vahel võivad toimuda võnkeprotsessid. Normaaltalitlusel sellised võnkeprotsessid praktiliselt ei avaldu, kuid järsud muutused (lülitamised, lühised, katkemised) ja ebanormaalsed harmoonikud (asümmeetrilised talitlused, ebalineaarsed tarbijad) elektrisüsteemis võivad põhjustada mahtuvustesse kätketud elektrilise energia ja induktiivsustesse salvestatud magnetilise energia vahelisi võnkumisi. Sellised energia võnkumised võivad sageli põhjustada liigpingeid.
Klassifikatsioon
Omadused
Atmosfäärilised liigpinged: Siseliigpinged:
• suurem amplituud • väiksem amplituud (2…4 x lubatav)
• lühem kestus • pikem kestus
• unipolaarne impulss • enamasti võnkuv impulss

ATL-ist põhjustatud liigpinged
ATL-i mõte seisneb lühisekaare kustumises liini hetkelisel väljalülitamisel ja kaare uuesti mittesüttimisel liini taaslülitamisel. ATL-ist põhjustatud liigpingeid on sobiv vaadelda joonisel 6.3 näidatud isoleeritud neutraaliga keskpingeskeemi alusel.
Joonis 6.3 ATL-i toimet kirjeldav skeem

Koormamata liini väljalülitamine
Koormamata liinis voolab väike mahtuvuslik vool, seega võib koormamata liini vaadelda kontsentreeritud mahtuvusena CL . Toiteallikas (toitevõrk) on valdavalt induktiivne L1, kuid sisaldab ka põikmahtuvusi C1.
Joonis 6.6 Koormamata liini väljalülitamise skeem
Enne liini väljalülitamist U1 = U2 . Liini väljalülitamisel tekib võimsuslüliti pooluste vahele elektrikaar. Elektrikaar kustub ja liin lülitub välja, kui vool läbib nullväärtust (ajahetkel t1).
Mahtuvusliku voolu nullväärtushetkel on pinge maksimaalne. Seega jääb liin pärast väljalülitamist lühiajaliselt laetuks vastavalt pinge maksimaalväärtusele. 180° pärast kaare kustumist muutub pingete U1 ja U2 vahe maksimaalseks ja elektrikaar lüliti pooluste vahel võib taassüttida (ajahetkel t2). Süttinud elektrikaar pingestab liini uuesti pingega U1 (maksimaalväärtusega), mille tõttu pinge (liinis) U2 hakkab vastavalt omavõnkesagedusele ω võnkuma ümber pinge U1 kuni vool läbib uuesti nullväärtust ja toimub jälle kaare kustumine.

Koormamata trafo väljalülitamine
Trafo väljalülitamine toimub ülempingepoolelt eeldusel , et alampingepoole võimsuslüliti on eelnevalt väljalülitatud. Trafo induktiivsust ja mahtuvust arvestav aseskeem on joonisel 6.8.
Joonis 6.8 Koormamata trafo väljalülitamise aseskeem
Mahtuvus C on trafo ja ülempingepoole lattide (kuni lülitini) summaarne mahtuvus.
Induktiivsus L on trafo magneetimisahela induktiivsus.

Maaühendus isoleeritud neutraaliga võrgus ja võrgusageduslike liigpingete teke
Joonis 6.13 Pingete ja voolu kõverad faasi A maaühendusel isoleeritud neutraaliga võrgus

Transientliigpinged kaarmaaühendusel isoleeritud neutraaliga võrgus

Resonantsliigpinged
• Resonants sagedusel 50 Hz
• Kõrgemate harmoonikute resonants
• Ferroresonants
• Madalharmoonikute resonants
• Parameetriline resonants
Resonantsliigpinged esinevad ahelates, kus induktiivsus ja mahtuvus on jadaühenduses ja nende omavõnkesagedus on lähedane toiteallika sagedusele. Näide: kõrgepingeliinide pikikompensatsioon.
Joonis 6.14 Pikikompenseeritud liini lühis
Pikimahtuvusega kompenseeritakse osaliselt liini induktiivtakistust, millega parandatakse liini ülekandevõimet. Kui tekib lühis mahtuvuse “taga” ning induktiivsuse ja mahtuvuse omavõnkesagedus läheneb 50 Hz-le, tekib liinis resonants. Resonantsi tagajärjel kasvab liini vool I ja kondensaatorile rakenduv pinge UC

Ferroresonants
Ferroresonants tekib elektrimasinaid ja/või trafosid sisaldavates ahelates, kus erinevatel põhjustel võivad nende magnetahelad küllastuda. Magneetimisahelate karakteristikud on oluliselt ebalineaarsed. Magneetimisvoolu Ija –pinge Uvaheline seos on joonisel 6.15.
Joonis 6.15 Trafo magneetimiskõver

Siseliigpingete piiramise põhimõtted
Siseliigpingete piiramise põhimõtted:
• selliste talitluste arvu piiramine, mis võivad põhjustada liigpingeid
• ohtlike talitluste kestuse piiramine releekaitse ja kaitseautomaatika vahenditega
• liigpingete amplituudi piiramine
Tabel 6.3 Liigpingete piiramise peamised meetodid

Lülitusliigpingete piiramine šunteerivate takistitega
Šunteerivate aktiivtakistitega võimsuslülitite kasutamine mõjub ainult lülitusliigpingetele ja ei avalda mõju püsitalitluse pingetele. On võimalikud kaks erinevat lülitite skeemi: A ja B.
Joonis 6.19 Šunteerivate aktiivtakistitega võimsuslülitid
Sisselülitamisel sulguvad esmalt abikontaktid K2 ja ahel lülitatakse sisse läbi aktiivtakisti. Seejärel pärast väikest viidet sulguvad peakontaktid K1. Väljalülitamisel avanevad esmalt peakontaktid K1 ja seejärel abikontaktid K2. Liigpingete piiramist soodustavad kaks tegurit:
• lülitamise siirdeprotsessi vabavõnkumiste summutamine
• liini juhtmete jääklaengu vähendamine koormamata liini väljalülitamisel ja ATL-i käigus.
Šunteerimise teeb

Lülitusliigpingete piiramine sünkroniseeritavate lülititega
Pinget ja voolu mõõtva sünkroniseerimisrelee abil toimub lülitamine kõige soodsamal hetkel:
• liinide, trafode ja kondensaatorite sisselülitamine pinge nullhetkel: u = 0
• ATL-i puhul toimub taaslülitamine kui liini jääkpinge ja toiteallika pinge on samas faasis ja ligikaudu võrdsed: u1 = u2 Arvestades lüliti toimimisaega tVL tuleb lülituskäsklus anda vastava ennetusega. Ses tähendab, kui lülitus peab toimuma hetkel t0 , peab lülitamiskäsk saabuma lülitile hetkel t0 – tVL . Probleemiks on siin lülitite toimimisaja tVL suhteline
pikkus ja hajuvus. Nõuded lülitile:
• suur kontaktide liikumiskiirus
• toimimisaegade väike hajuvus

Isolatsiooni koordinatsioon ja selle põhimõte
Isolatsiooni koordinatsioon on seadmete elektrilise tugevuse valimine vastavalt võrgus esinevate pingetega, võttes arvesse käidu tingimusi ning kasutatavate kaitseseadmete karakteristikuid. Isolatsiooni koordinatsiooni käsitleb rahvusvaheline standard IEC-60071.
Seadmete “elektrilise tugevuse” all mõistetakse seadme standardset isolatsiooninivood.
Standardne isolatsiooninivoo on isolatsiooni elektrilist tugevust iseloomustav standardsete taluvuspingete komplekt, mis on seotud seadmele lubatava suurima kestevpingega Um .
Isolatsiooni koordinatsiooni kasutatakse:
• sobivate taluvuspingete kindlaksmääramiseks
• liigpingekaitseseadmete valikul
• võrgu talitluse uurimisel

Isolatsiooni koordinatsiooni tavaline ja statistiline meetod

Isolatsiooni koordinatsiooni protseduur ja isolatsiooninivoode komplektid