Перенапряжения на оборудовании, подключенном к линии

Решение телеграфных уравнений линии показывает, что перенапряжение составлено падающей и отраженной волнами напряжения. Отраженная волна возникает в конце линии при отражении волны от нагрузки линии. Характер отражения волны напряжения и получающееся итоговое напряжение на нагрузке линии зависит от характера этой нагрузки. В этом разделе рассмотрены простейшие ситуации падения волны на активную нагрузку, на емкостную нагрузку и на индуктивную нагрузку линии.

В любом случае напряжение и ток в линии - и в конце ее на нагрузке в том числе - определяется наложением падающих и отраженных волн, связанных в напряжении и токе волновым сопротивлением линии:

,

или для нагрузки линии

что при суммировании этих уравнений дает . Последнее уравнение соответствует электрической схеме с источником ЭДС величиной и последовательно включенными элементами >Z_В и нагрузки линии (рис. 6.3а).

Рисунок 6.3 - Схема замещения линии при падении волны напряжения на нагрузку

При падении волны грозового перенапряжения на резистивную нагрузку R_н выполняется соотношение , или

,

то есть напряжение на нагрузке может быть в пределах от до нуля. Форма напряжения на нагрузке повторяет форму падающей волны, а наибольшее напряжение получается при отсутствии нагрузки в конце линии или при большом входном сопротивлении нагрузки.

емкостной нагрузки линии (рис. 6.3б) достаточно простые уравнения получаются только для прямоугольной волны напряжения, что эквивалентно включению схемы под постоянное напряжение величиной . Задача расчета напряжения на конденсаторе при его заряжении от источника постоянного напряжения через резистор является простейшей задачей анализа переходных процессов; ток через конденсатор и напряжение на нем равны

.

Характерное значение входной емкости оборудования (силовых трансформаторов с изолированной нейтралью) C=1000 пФ, если Z_В=300 Ом, то Z_В C=0.3 мкс, это означает заряжение емкости оборудования за время менее 1 мкс. Таким образом, при воздействии на оборудование падающей волны грозового перенапряжения с фронтом порядка 1 мкс или более емкость оборудования в 1000 пФ почти не влияет на время нарастания напряжения и на оборудование действует удвоенная волна грозового перенапряжения. Если же входная емкость оборудования велика, порядка 1 мкФ и более (кабельные вставки и конденсаторы), то Z_В C=300 мкс, и будет происходить существенное снижение перенапряжения.

Анализ воздействия волны перенапряжения на индуктивную нагрузку (рис. 6.3в) также проще сделать для прямоугольной падающей волны. В этом случае, как известно, ток через катушку определяется формулой , где - постоянная времени цепи. Напряжение на нагрузке равно , что означает спад напряжения на нагрузке через некоторое время, определяемое постоянной . Если это время велико по сравнению с длительностью падающей волны, то это равнозначно отсутствию нагрузки линии. При L=0.1 Гн (у силового трансформатора при заземлении нейтрали индуктивность катушки значительно больше) и Z_В=300 Ом =0.3 мс, падающая волна грозового напряжения с длительностью в десятки микросекунд будет удваиваться на такой нагрузке.

Таким образом, отсутствие нагрузки линии, небольшая емкостная нагрузка линии или большая индуктивная нагрузка приводят к удвоению падающей волны грозового перенапряжения на конце линии.