Osaltaistumisen periaatteen analyysi

Osittaisen sähköiskun periaateanalyysi (1)

Sähkökentän vaikutuksessa eräissä alueissa sähköjohtojärjestelmässä tapahtuu sähköiskua, joka ei ylity sähköjohtimien välille sovitulla jännitteellä. Tätä ilmiötä kutsutaan osittaiseksi sähköiskuksi. Jos osittainen sähköisku tapahtuu kaasulla ympäröidyn johtimen lähellä, sitä voidaan myös kutsua koronaksi.

Osittainen sähköisku voi tapahtua paitsi johtimen reunalla myös eristäjän pinnalla tai sisällä. Pinnalla tapahtuva sähköisku kutsutaan pintaolettavaksi sähköiskuksi, ja sisällä tapahtuva sisäiseksi osittaiseksi sähköiskuksi. Kun sähköisku tapahtuu ilmakappaleen sisällä eristäjän sisällä, varauksen vaihto ja kertyminen ilmakappaleessa heijastuvat välttämättä eristäjän molempiin pääihin (tai johtimiin) liittyvään varausten muutokseen. Kummankin välinen suhde voidaan analysoida ekvivalenttikirjaimella.

Alla selitetään osittaisen sähköiskun kehitysprosessia ristiriippuvan polyetyyleenikaapelin esimerkin avulla. Kun kaapelin eristäjässä on pieni ilmakappale, sen ekvivalenttikirjain näyttää seuraavalta:

Kuvassa Ca on ilmakappaleen kapasiteetti, Cb on sarjassa oleva kiinteän eristäjän kapasiteetti ilmakappaleen kanssa, ja Cc on muiden eristäjän osien kapasiteetti. Jos ilmakappale on hyvin pieni, niin Cb on paljon pienempi kuin Cc ja Cb on paljon pienempi kuin Ca. Kun AC-jännite hetkellisellä arvolla u annetaan elektrodeihin, jännite ua Ca:n yli on .

Kun ua kasvaa u:n mukaisesti saakka ilmakappaleen sähköiskujännitteen U2, ilmakappale alkaa sähköiskua. Sähköiskusta syntyneet avaruusvaraukset luovat sähkökentän, joka aiheuttaa Ca:n yli jännitteen nopean pudotuksen jäännäsjännitteeseen U1. Tässä vaiheessa kärsimet pienee, ja yksi osittainen sähköiskukierros on suoritettu.

Tässä prosessissa ilmenee vastaava osittainen sähköiskusähkövirtapulssi. Sähköiskuprosessi on hyvin lyhyt ja sitä voidaan pitää suoritetuna välittömästi. Joka kerta, kun ilmakappale sähköiskuu, sen jännite pudottuu välittömästi Δua = U2 - U1. Kun sovellettu jännite jatkaa nousua, Ca uudelleensytyy, kunnes ua saavuttaa taas U2, ja ilmakappale sähköiskuu toisen kerran.

Hetkellä, kun osittainen sähköisku tapahtuu, ilmakappale tuottaa jännite- ja sähkövirtapulssit, jotka puolestaan luovat liikkuvia sähkö- ja magneettikenttiä linjassa. Osittaisen sähköiskun havaitseminen voidaan tehdä näiden kenttien perusteella.

Itse asiassa havaitsemisessa on huomattu, että jokaisen sähköiskun suuruus (eli pulssin korkeus) ei ole sama, ja sähköiskut tapahtuvat enimmäkseen sovelletun jännitteen itseisarvon nousuvaiheessa. Vain erittäin voimakkaassa sähköiskussa se ulottuu jännitteen itseisarvon laskuvaiheeseen. Tämä johtuu siitä, että käytännössä usein sähköiskuu useita ilmaongelmaa samanaikaisesti; tai vain yksi iso ilmakappale, mutta jokainen sähköisku ei käsitle hiekkaa kokonaan, vaan vain paikallista aluetta.

Ilmeisesti jokaisen sähköiskun varausmäärä ei ole välttämättä sama, ja voi olla jopa käänteisiä sähköiskuja, jotka eivät neutraloi alkuperäisesti kertynyttä varautumista. Sen sijaan sekä positiiviset että negatiiviset varaukset kertyvät ilmakappaleen seinän lähelle, mikä aiheuttaa sähköiskun ilmakappaleen seinän pitkin. Lisäksi ilmakappaleen seinän lähellä oleva tila on rajallinen. Sähköiskun aikana ilmakappaleen sisällä muodostuu kapea johtava kanava, mikä johtaa osan sähköiskusta syntyneiden avaruusvarauksien vuotoon.