Электрический пробой - Electrical breakdown

Электрический пробой в электрический разряд показывая ленту плазма нити из Катушка Тесла.

Электрический пробой или же пробой диэлектрика это процесс, который происходит, когда электроизоляция материал, подвергнутый достаточно высокой Напряжение, внезапно становится электрический проводник и электрический ток протекает через него. Все изоляционные материалы выходят из строя при электрическое поле вызванное приложенным напряжением, превышает допустимое для материала диэлектрическая прочность. В Напряжение при котором данный изолирующий объект становится проводящим, называется его напряжение пробоя и зависит от его размера и формы. При достаточном электрическом потенциале электрический пробой может произойти в твердых телах, жидкостях, газах или вакууме. Однако конкретные механизмы разрушения различны для каждого вида диэлектрик средний.

Электрический пробой может быть кратковременным событием (например, электростатический разряд ), или может привести к непрерывному электрическая дуга если защитные устройства не прерывают ток в силовой цепи. В этом случае электрический пробой может вызвать катастрофический отказ электрооборудования и опасность пожара.

Объяснение

Электрический ток это поток электрически заряженные частицы в материале, вызванном электрическое поле, обычно создается Напряжение разница по материалу. Подвижные заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носители заряда. В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и некоторых других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома (электроны проводимости ) могут перемещаться по материалу; в электролиты и плазма это ионы, электрически заряженный атомы или же молекулы, и электроны, являющиеся носителями заряда. Материал с высокой концентрацией носителей заряда, доступных для проводимости, например металл, будет проводить большой ток с данным электрическим полем и, следовательно, имеет низкую удельное электрическое сопротивление; это называется электрический проводник.^[1] Материал с небольшим количеством носителей заряда, такой как стекло или керамика, будет проводить очень небольшой ток с заданным электрическим полем и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрический изолятор или же диэлектрик. Вся материя состоит из заряженных частиц, но общим свойством изоляторов является то, что отрицательные заряды, орбитальные электроны, прочно связаны с положительными зарядами, т.е. атомные ядра, и не может быть легко освобожден, чтобы стать мобильным.

Однако, когда к любому изолирующему веществу прикладывается достаточно большое электрическое поле, при определенной напряженности поля количество носителей заряда в материале внезапно увеличивается на много порядков, поэтому его сопротивление падает, и он становится проводником.^[1] Это называется электрический пробой. Физический механизм, вызывающий разрушение, различается у разных веществ. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы тянуть наружу. валентные электроны от их атомов, поэтому они становятся мобильными, а тепло, создаваемое их столкновениями, высвобождает дополнительные электроны. В газе электрическое поле ускоряет небольшое количество естественных свободных электронов (из-за таких процессов, как фотоионизация и радиоактивный распад ) до достаточно высокой скорости, чтобы при столкновении с молекулами газа они выбивали из них дополнительные электроны, называемые ионизация, которые продолжают ионизировать больше молекул, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, называемой Выписка из Таунсенда. Как показывают эти примеры, в большинстве материалов разрушение происходит из-за быстрого цепная реакция в котором частицы подвижного заряда высвобождают дополнительные заряженные частицы.

Электрическая прочность и напряжение пробоя

Напряженность электрического поля (в вольт на метр), при котором происходит пробой, считается внутренняя собственность изоляционного материала называется его диэлектрическая прочность. Электрическое поле обычно вызывается Напряжение разница применяется по всему материалу. Приложенное напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать пробой в данном изолирующем объекте, называется его напряжением. напряжение пробоя. Электрическое поле, создаваемое в данном изолирующем объекте приложенным напряжением, изменяется в зависимости от размера и формы объекта, а также от местоположения на объекте, к которому прикладывается напряжение, поэтому, помимо диэлектрической прочности материала, от них зависит напряжение пробоя. факторы.

В плоском листе изолятора между двумя плоскими металлическими электродами электрическое поле ${\displaystyle E}$ пропорциональна разнице напряжений ${\displaystyle V}$ делится на толщину ${\displaystyle D}$ изолятора, поэтому в целом напряжение пробоя ${\displaystyle V_{\text{b}}}$ пропорциональна диэлектрической прочности ${\displaystyle E_{\text{ds}}}$ и длина изоляции между двумя проводниками

${\displaystyle V_{\text{b}}=DE_{\text{ds}}}$

Однако форма проводников может влиять на напряжение пробоя.

Процесс поломки

Пробой - это локальный процесс, и в изолирующей среде, подверженной воздействию большой разницы напряжений, она начинается в любой точке изолятора, где электрическое поле сначала превышает локальную электрическую прочность материала. Поскольку электрическое поле на поверхности проводника является самым высоким в выступающих частях, острых точках и краях, в однородном изоляторе, таком как воздух или масло, рядом с проводником пробой обычно начинается в этих точках. Если пробой вызван локальным дефектом твердого изолятора, например трещиной или пузырем в керамическом изоляторе, он может оставаться ограниченным небольшой областью; это называется частичная разрядка. В газе, прилегающем к заостренному проводнику, происходят локальные процессы пробоя, коронный разряд или же кисть, может позволить току течь по проводнику в газ в виде ионов. Однако обычно в однородном твердом изоляторе после того, как одна область разрушилась и стала проводящей, на ней нет падения напряжения, и полная разность напряжений применяется к оставшейся длине изолятора. Поскольку падение напряжения теперь происходит на меньшей длине, это создает более высокое электрическое поле в оставшемся материале, что вызывает разрушение большего количества материала. Таким образом, область пробоя быстро (в течение микросекунд) распространяется в направлении градиента напряжения от одного конца изолятора к другому, пока не будет создан непрерывный проводящий путь через материал между двумя контактами, применяя разность напряжений, позволяя току проходить через течет между ними.

Электрический пробой может произойти и без приложенного напряжения из-за электромагнитной волны. Когда достаточно интенсивный электромагнитная волна проходит через материальную среду, электрическое поле волны может быть достаточно сильным, чтобы вызвать временный электрический пробой. Например лазер луч, сфокусированный в небольшую точку в воздухе, может вызвать электрический пробой и ионизация воздуха в фокусе.

Последствия

В практике электрические цепи электрический пробой обычно является нежелательным явлением, отказ изоляционного материала вызывает короткое замыкание, что может привести к катастрофическому отказу оборудования. В силовых цепях резкое падение сопротивления вызывает протекание большого тока через материал, начинающегося электрическая дуга, и если предохранительные устройства не прерывают быстро ток, внезапно Джоулевое нагревание может вызвать взрывоопасное плавление или испарение изоляционного материала или других частей цепи, что приведет к повреждению оборудования и возникновению опасности возгорания. Однако внешние защитные устройства в цепи, такие как Автоматические выключатели и ограничение тока может предотвратить высокий ток; и сам процесс разрушения не обязательно является деструктивным и может быть обратимым. Если ток, подаваемый внешней цепью, снимается достаточно быстро, материал не повреждается, а уменьшение приложенного напряжения вызывает переход материала обратно в изолирующее состояние.

Молния и искры из-за статичное электричество являются естественными примерами электрического пробоя воздуха. Электрический пробой является частью нормального режима работы ряда электрические компоненты, Такие как газоразрядные лампы подобно люминесцентные лампы, и неоновые лампы, стабилитроны, лавинные диоды, IMPATT диоды, выпрямители паров ртути, тиратрон, игнитрон, и Критрон трубки и Свечи зажигания.

Нарушение электроизоляции

Электрический пробой часто связан с выходом из строя твердых или жидких изоляционных материалов, используемых внутри высокого напряжения. трансформаторы или же конденсаторы в распределение электроэнергии сетка, обычно приводящая к короткое замыкание или перегоревший предохранитель. Электрический пробой может также произойти через изоляторы, которые подвешивают подвесные потолки. линии электропередач внутри подземных силовых кабелей или линий, идущих к ближайшим ветвям деревьев.

Пробой диэлектрика также важен при проектировании интегральные схемы и другие твердотельные электронные устройства. Изоляционные слои в таких устройствах спроектированы так, чтобы выдерживать нормальные рабочие напряжения, но более высокое напряжение, такое как статическое электричество, может разрушить эти слои, сделав устройство бесполезным. Диэлектрическая прочность конденсаторы ограничивает количество хранимой энергии и безопасное рабочее напряжение устройства.^[2]

Механизм

Механизмы разрушения различаются в твердых телах, жидкостях и газах. На пробой влияют материал электрода, резкая кривизна материала проводника (приводящая к локально усиленным электрическим полям), размер зазора между электродами и плотность материала в зазоре.

Твердые тела

В твердых материалах (например, в электрические кабели ) долго частичная разрядка обычно предшествует пробою, разрушая изоляторы и металлы, ближайшие к промежутку напряжения. В конечном итоге частичный разряд проходит через канал из карбонизированного материала, по которому ток проходит через зазор.

Жидкости

Возможные механизмы разрушения жидкостей включают пузырьки, мелкие примеси и электрические перегрев. Процесс разрушения жидкостей осложняется гидродинамическими эффектами, так как дополнительное давление на жидкость оказывает нелинейная напряженность электрического поля в зазоре между электродами.

В сжиженных газах используются как охлаждающие жидкости за сверхпроводимость - например, гелий на 4,2K или азот при 77 К - пузырьки могут вызвать разрушение.

В масляном охлаждении и с масляной изоляцией У трансформаторов напряженность поля на пробой составляет около 20 кВ / мм (по сравнению с 3 кВ / мм для сухого воздуха). Несмотря на использование очищенных масел, виноваты мелкие частицы.

Газы

Электрический пробой происходит в газе, когда диэлектрическая прочность газа превышено. Области сильных градиентов напряжения могут привести к частичной ионизации близлежащего газа и появлению проводимости. Это сделано намеренно при сбросе низкого давления, например, в люминесцентные лампы. Напряжение, приводящее к электрическому пробою газа, приблизительно равно Закон Пашена.

Частичный разряд в воздухе вызывает запах «свежего воздуха» озон во время грозы или около высоковольтного оборудования. Хотя воздух обычно является отличным изолятором, когда он подвергается воздействию достаточно высокого напряжения ( электрическое поле примерно 3 х 10⁶ V / м или 3 кВ / мм^[3]) воздух может начать разрушаться, становясь частично проводящим. В относительно небольших зазорах напряжение пробоя в воздухе является функцией длины зазора, умноженной на давление. Если напряжение достаточно высокое, полный электрический пробой воздуха завершится электрическая искра или электрическая дуга что ликвидирует весь разрыв.

Цвет искры зависит от газов, входящих в состав газовой среды. В то время как маленькие искры, генерируемые статичное электричество могут быть едва слышны, более крупные искры часто сопровождаются громким треском или треском. Молния это пример огромной искры, которая может достигать многих миль.

Постоянные дуги

Если предохранитель или же автоматический выключатель не может прервать ток через искру в силовой цепи, ток может продолжаться, образуя очень горячий электрическая дуга (около 30 000 градусов). Цвет дуги зависит в первую очередь от проводящих газов, некоторые из которых могли быть твердыми до того, как испарились и смешались с горячими. плазма в дуге. Свободные ионы внутри дуги и вокруг нее рекомбинируют с образованием новых химических соединений, таких как озон, монооксид углерода, и оксид азота. Озон легче всего заметить по его отчетливому запаху.^[4]

Хотя искры и дуги обычно нежелательны, они могут быть полезны в таких приложениях, как Свечи зажигания для бензиновых двигателей, электрические сварка металлов, или для плавки металлов в электродуговая печь. Перед газоразрядом газ светится разными цветами, которые зависят от уровни энергии атомов. Не все механизмы полностью изучены.

Соотношение напряжения и тока до пробоя

В вакуум ожидается, что он сам подвергнется электрическому пробою на или рядом с Предел Швингера.

Отношение напряжения к току

До пробоя газа существует нелинейная зависимость между напряжением и током, как показано на рисунке. В области 1 находятся свободные ионы, которые могут ускоряться полем и индуцировать ток. Они будут насыщаться после определенного напряжения и давать постоянный ток, область 2. Области 3 и 4 вызваны ионной лавиной, как объясняется Выписка из Таунсенда механизм.

Фридрих Пашен установлена ​​связь между состоянием пробоя и напряжением пробоя. Он получил формула определяющее напряжение пробоя (${\displaystyle V_{\text{b}}}$) для равномерных зазоров поля в зависимости от длины зазора (${\displaystyle d}$) и давление в зазоре (${\displaystyle p}$).^[5]

${\displaystyle V_{\text{b}}={Bpd \over \ln \left({Apd \over \ln \left(1+{1 \over \gamma }\right)}\right)}}$

Пашен также вывел соотношение между минимальным значением зазора давления, при котором пробой происходит при минимальном напряжении.^[5]

${\displaystyle {\begin{aligned}(pd)_{\min }&={2.718 \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\\V_{{\text{b}},\min }&=2.718{B \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\end{aligned}}}$

${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$ - константы, зависящие от используемого газа.

Пробой короны

Частичный пробой воздуха происходит как коронный разряд на высоковольтных проводниках в точках с наибольшим электрическим напряжением. Проводники с острыми концами или шарики с маленькими радиусы, склонны к пробою диэлектрика, потому что напряженность поля вокруг точек выше, чем вокруг плоской поверхности. Аппарат высокого напряжения имеет закругленные кривые и сортировочные кольца чтобы избежать концентрированных полей, вызывающих поломку.

Внешность

Корону иногда видят как голубоватое свечение вокруг высоковольтных проводов и слышно как шипящий звук вдоль высоковольтных линий электропередачи. Corona также генерирует радиочастотный шум, который также можно услышать как «статический» или жужжащий на радиоприемниках. Корона также может возникать в природе как "Огонь Святого Эльма "на высоких точках, таких как церковные шпили, верхушки деревьев или корабельные мачты во время грозы.

Генерация озона

Генераторы озона с коронным разрядом использовались более 30 лет в очистка воды процесс. Озон - токсичный газ, даже более мощный, чем хлор. В типичной установке для очистки питьевой воды газообразный озон растворяется в фильтрованной воде, чтобы убить бактерии и уничтожить вирусы. Озон также удаляет неприятный запах и вкус из воды. Основное преимущество озона заключается в том, что при любой остаточной передозировке он разлагается до газообразного кислорода задолго до того, как вода достигнет потребителя. Это контрастирует с хлор газ или соли хлора, которые дольше остаются в воде и могут ощущаться потребителем.

Другое использование

Хотя коронный разряд обычно нежелателен, до недавнего времени он был необходим в работе копировальных аппаратов (ксерография ) и лазерные принтеры. Многие современные копиры и лазерные принтеры теперь заряжают барабан фотокондуктора с помощью электропроводящего ролика, уменьшая нежелательные внутренние озон загрязнение.

Громоотводы используйте коронный разряд, чтобы создать в воздухе токопроводящие дорожки, указывающие на стержень, отклоняя потенциально опасные молния вдали от зданий и других построек.^[6]

Коронные разряды также используются для изменения поверхностных свойств многих полимеры. Примером может служить обработка пластиковых материалов коронным разрядом, которая позволяет краске или чернилам правильно прилипать.

Подрывные устройства

Пробой диэлектрика в твердом изоляторе может навсегда изменить его внешний вид и свойства. Как показано в этом Фигура Лихтенберга

А подрывное устройство^{[нужна цитата ]} предназначен для электрического перенапряжения диэлектрик за его диэлектрическая прочность так, чтобы намеренно вызвать электрическую поломку устройства. Нарушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в сильно проводящий государственный. Этот переход характеризуется образованием электрическая искра или же плазма канал, возможно, за которым следует электрическая дуга через часть диэлектрического материала.

Если диэлектрик является твердым, постоянные физические и химические изменения на пути разряда значительно снизят диэлектрическую прочность материала, и устройство можно использовать только один раз. Однако, если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после того, как ток через плазменный канал будет прерван извне.

Коммерческий искровые разрядники используйте это свойство для резкого переключения высокого напряжения в импульсная мощность системы, чтобы обеспечить всплеск защита для телекоммуникации и электричество систем и воспламенять топливо через Свечи зажигания в двигатель внутреннего сгорания. Датчики искрового разрядника использовались в ранних системах радиотелеграфа.

Смотрите также

• Сравнительный индекс отслеживания

Рекомендации

1. Рэй, Субир (2013). Введение в технику высокого напряжения, 2-е изд.. PHI Learning Ltd. стр. 1. ISBN  9788120347403.
2. Белкин, А .; Безрядин, А .; Hendren, L .; Хублер, А. (2017). «Восстановление наноконденсаторов из оксида алюминия после высоковольтного пробоя». Научные отчеты. 7 (1): 932. Bibcode:2017НатСР ... 7..932Б. Дои:10.1038 / s41598-017-01007-9. ЧВК  5430567. PMID  28428625.
3. Хонг, Алиса (2000). «Диэлектрическая прочность воздуха». Книга фактов по физике.
4. "Лабораторная запись №106 Воздействие дугогасителя на окружающую среду". Технологии гашения дуги. Апрель 2011 г.. Получено 15 марта, 2012.
5. Рэй, Субир (2009). Введение в технику высокого напряжения. PHI Learning. С. 19–21. ISBN  978-8120324176.
6. Янг, Хью Д .; Роджер А. Фридман; А. Льюис Форд (2004) [1949]. "Электрический потенциал". Физика Университета Сирса и Земанского (11-е изд.). Сан-Франциско: Эддисон Уэсли. С. 886–7. ISBN  0-8053-9179-7.