12. Atmosphärische Entladungen und Blitzstoßspannungen

Transkript

1 Seite Atmosphärische Entladungen und Blitzstoßspannungen 12.1 Aufbau einer Gewitterzelle Die Erdoberfläche wird durch die Sonne erwärmt. Warme Luft steigt nach oben. Beim Aufsteigen kühlt die Luft ab. Die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes wird erreicht. Es bilden sich Wassertropfen und Wolken. Durch die Kondensation wird die Luft wärmer. Die Luft steigt weiter hoch. In gößerer Höhe wird die 0 C-Schicht erreicht. Die Wassertröpfchen frieren. Dadurch wird Gefrierwärme frei. Die Luft wird nochmal erwärmt und steigt weiter hoch. Durch die Reibung und das Zersprühen wird die Luft elektrostatisch aufgeladen. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 47

2 Seite Temperaturen und Ladungen in einer Gewitterzelle Die Gewitterwolken enthalten mehrere Gewitterzellen. Eine Zelle ist jeweils ca. 1/2 Stunde aktiv. Eine Gewitterzelle erzeugt 2-4 Blitze pro Minute. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 47

3 Seite Ladungen und Feldstärken an der Erd-Oberfläche Die Raumladungsdichten in den Gewitterwolken betragen einige nc/m 3. Lokal treten in Bereichen von einigen 100m Durchmesser auch Ladungsdichten von 10 nc/m 3 auf. Die elektrische Feldstärke an der Erdoberfläche wird durch Gras- und Blattspitzen erhöht. An diesen Spitzen entstehen Korona-Entladungen, welche die Feldstärke auf 10 kv/cm reduzieren. Es fließen Koronaströme von 1nA/m 2. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 48

4 Seite Blitztypen, Wolke-Erde Blitze Die größte Häufigkeit haben negative Wolke-Erde-Blitze. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 51

5 Seite Leitblitz und Fangentladung Der Leitblitz läuft mit 300 km/s vor. Die Fangentladung läuft mit km/s dem Leitblitz entgegen (siehe auch Entscheidungsradius). Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 53

6 Seite Leitblitz und Fangentladung Wenn der leitfähige Kanal ausgebildet ist, wird die Ladung innerhalb von 10 µs bis 100 µs von der Wolke zur Erde abgeführt. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 54

7 Seite Multiple Blitze Negative Wolke-Erde-Blitze treten als Mehrfach-Entladungen auf. Die letzten Ladungen werden oft in einer stromschwachen Entladung (Stromschwanz) abgeführt. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 55

8 Seite Stromimpulse einer multiplen Blitzentladung Die Hauptentladung hat die größte Stromamplitude î und führt die größte Ladung Q nach Erde ab. Die Folgeentladungen haben die steileren Stromanstiege di/dt. Hasse Wiesinger, Handbuch für Blitzschutz und Erdung, Seite 56

9 Seite Parameter der Blitzstoßspannung Die Blitzstoßströme erzeugen an den Impedanzen der Hochspannungsanlagen Spannungsimpulse, dies sind Blitzstoßspannungen, welche mit den oben angegebenen Zeitparametern charakterisiert werden. Zeitparameter (IEC 60-2 und DIN VDE 0432) T 1 = Ts = 1,2 µs ± 30% Stirnzeit T2 = Tr = 50 µs ± 20% Rückenhalbwertszeit Der Verlauf der Blitzstoßspannung 1,2/50 kann berechnet werden nach folgender Gleichung: u(t) =û $ 1, 037 $ (e t 2 e t 1 ) u(t) =û $ 1, 037 $ (e t t 68,5 s e 0,405 s ) Beyer, Boeck, Möller, Zaengl, Hochspannungstechnik

10 12.10 Blitzstoßspannung, Verlauf in der Front Seite 10 Zeitparameter (IEC 60-2 und DIN VDE 0432) T 1 = Ts = 1,2 µs ± 30% Stirnzeit T2 = Tr = 50 µs ± 20% Rückenhalbwertszeit Punkt A: (x;y) = (0,14 µs ; 0,3) Punkt B: (x;y) = (0,86 µs ; 0,9) Steilheit der Geraden zur Bestimmung der Stirnzeit T1: y x = 0,9 0,3 (0,86 0,14) s = 0,6 0,72 s = 1 T 1 Daraus erhält man T 1 = 0,72 s 0,6 = 1, 2 s Anfangspunkt 0 1 bzw. Zeit t01 0,3 t A t 01 = 0,6 0,72 s t A t 01 = 0,3 0,6 $ 0, 72 s = 0, 36 s t 01 = t A 0, 36 s = 0, 14 s 0, 36 s = 0, 22 s Zeit t100% t 100% = t 01 + T 1 = 0, 22 s + 1, 2 s = 0, 98 s Beyer, Boeck, Möller, Zaengl, Hochspannungstechnik

11 Seite Blitzstoßspannung Verlauf im Rücken der Stoßspannung Abgeschnittene Stoßspannung Zeitparameter (IEC 60-2 und DIN VDE 0432) T 1 = Ts = 1,2 µs ± 30% Stirnzeit T2 = Tr = 50 µs ± 20% Rückenhalbwertszeit Die Rückenhalbwertszeit ist die Zeitspanne T2 = Tr, bis zu der die Spannung auf 50% der Amplitude abgefallen ist. Die Rückenhalbwertszeit wird gemessen vom Startzeitpunkt 01. Die Durchschlagszeit oder Abschneidezeit Tc wird bis zum Beginn des Spannungszusammenbruches gezählt (siehe Kapitel 12.9). Beyer, Boeck, Möller, Zaengl, Hochspannungstechnik

12 Seite Prüfverfahren mit Blitzstoßspannung Nachweis der Nennstehblitzspannung Û nsts = Bemessungs-Steh-Blitzstoßspannung U rbmax Verfahren nach VDE 0111: Bei selbstheilender Isolation werden n = 15 positive Impulse (dabei dürfen 2 Durchschläge auftreten) und n = 15 negative Impulse (dabei dürfen 2 Durchschläge auftreten) mit Blitzstoßspannung U rbmax angelegt. Bei nicht-selbstheilender Isolation werden n = 3 positive Impulse (dabei darf kein Durchschlag auftreten) und n = 3 negative Impulse (dabei darf kein Durchschlag auftreten) mit Blitzstoßspannung U rbmax angelegt. Statistisches Verfahren: Bei Kenntnis der Durchschlagswahrscheinlichkeits-Funktion h d (ÛLI) muß gezeigt werden: Û rb [ û d10% D.h. die Bemessungs-Steh-Blitzstoßspannung U rbmax muß kleiner sein als die 10%-Durchschlagsspannung Mosch, Hauschild, Statistik für Elektrotechniker, Seite 178

13 Seite Transformatormodell Bei Transformatorwicklungen muß die dynamische Spannungsverteilung bei Impulsbeanspruchungen berücksichtigt werden. Die Wicklungen werden als Kettenleiter betrachtet. (Siehe auch Praktikumsversuch Kettenleiter) Maßnahmen: Überspannungsableiter RC-Dämpfungsglieder

14 Seite Teilspannungen an den Wicklungen Infolge der Schwingungen in den Teilwicklungen treten Spannungsüberhöhungen auf.

15 Seite Spannungsverteilung über den Wicklungen Im Zeitbereich der Blitzamplitude (t=1,5µs) werden die Wickelköpfe dielektrisch überproportional stark beansprucht.

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