Awaria elektryczna - Electrical breakdown

Przebicie elektryczne w wyładowaniu elektrycznym ukazujące wstęgowe włókna plazmy z cewki Tesli .

Przebicie elektryczne lub przebicie dielektryczne to proces, który występuje, gdy elektryczny materiał izolacyjny poddany działaniu wystarczająco wysokiego napięcia nagle staje się przewodnikiem elektrycznym i przepływa przez niego prąd elektryczny . Wszystkie materiały izolacyjne ulegają przebiciu, gdy pole elektryczne wywołane przyłożonym napięciem przekracza wytrzymałość dielektryczną materiału . Napięcia , przy którym dany obiekt izolacyjnego przewodzi nazywa jej napięcia przebicia i zależy od rozmiaru i kształtu. Przy wystarczającym potencjale elektrycznym przebicie elektryczne może wystąpić w ciałach stałych, cieczach, gazach lub próżni. Jednak specyficzne mechanizmy przebicia są różne dla każdego rodzaju ośrodka dielektrycznego .

Awaria elektryczna może być zdarzeniem chwilowym (jak w przypadku wyładowania elektrostatycznego ) lub może prowadzić do ciągłego łuku elektrycznego, jeśli urządzenia ochronne nie przerywają prądu w obwodzie zasilania. W takim przypadku awaria elektryczna może spowodować katastrofalną awarię sprzętu elektrycznego i zagrożenie pożarowe.

Wyjaśnienie

Prąd elektryczny to przepływ naładowanych elektrycznie cząstek w materiale wywołany polem elektrycznym , zwykle wytworzonym przez różnicę napięć w materiale. Ruchome naładowane cząstki, które tworzą prąd elektryczny, nazywane są nośnikami ładunku . W różnych substancjach różne cząstki służą jako nośniki ładunku: w metalach i niektórych innych ciałach stałych niektóre zewnętrzne elektrony każdego atomu ( elektrony przewodzące ) są w stanie poruszać się w materiale; w elektrolitach i osoczu jest jony , elektrycznie naładowane atomy i cząsteczki , i elektrony, które są nośnikami ładunku. Materiał, który ma wysoką koncentrację nośników ładunku dostępnych do przewodzenia, taki jak metal , będzie przewodził duży prąd przy danym polu elektrycznym, a zatem ma niską oporność elektryczną ; nazywa się to przewodnikiem elektrycznym . Materiał, który ma niewiele nośników ładunku, taki jak szkło lub ceramika, będzie przewodził bardzo mały prąd przy danym polu elektrycznym i ma wysoką rezystywność; nazywa się to izolatorem elektrycznym lub dielektrykiem . Cała materia składa się z naładowanych cząstek, ale wspólną właściwością izolatorów jest to, że ładunki ujemne, elektrony orbitalne, są ściśle związane z ładunkami dodatnimi, jądrami atomowymi , i nie można ich łatwo uwolnić, aby stały się ruchome.

Jednak po przyłożeniu odpowiednio dużego pola elektrycznego do dowolnej substancji izolacyjnej, przy określonym natężeniu pola liczba nośników ładunku w materiale nagle wzrasta o wiele rzędów wielkości, więc jego rezystancja spada i staje się przewodnikiem. Nazywa się to awarią elektryczną . Mechanizm fizyczny powodujący rozpad różni się w zależności od substancji. W ciele stałym zwykle występuje, gdy pole elektryczne staje się wystarczająco silne, aby odciągnąć zewnętrzne elektrony walencyjne od ich atomów, dzięki czemu stają się one ruchome, a ciepło wytworzone przez ich zderzenia uwalnia dodatkowe elektrony. W gazie pole elektryczne przyspiesza niewielką liczbę naturalnie występujących wolnych elektronów (w wyniku procesów takich jak fotojonizacja i rozpad radioaktywny ) do wystarczająco dużej prędkości, że zderzając się z cząsteczkami gazu wybijają z nich dodatkowe elektrony, co nazywa się jonizacją , co przejdź do jonizacji większej liczby cząsteczek, tworząc więcej wolnych elektronów i jonów w reakcji łańcuchowej zwanej wyładowaniem Townsenda . Jak wskazują te przykłady, w większości materiałów rozkład zachodzi w wyniku szybkiej reakcji łańcuchowej, w której ruchome cząstki naładowane uwalniają dodatkowe naładowane cząstki.

Wytrzymałość dielektryczna i napięcie przebicia

Natężenie pola elektrycznego (w woltach na metr), przy którym następuje przebicie, jest wewnętrzną właściwością materiału izolacyjnego zwaną jego wytrzymałością dielektryczną . Pole elektryczne jest zwykle spowodowane różnicą napięcia przyłożoną do materiału. Przyłożone napięcie wymagane do spowodowania przebicia w danym obiekcie izolacyjnym nazywamy napięciem przebicia obiektu . Pole elektryczne wytworzone w danym obiekcie izolacyjnym przez przyłożone napięcie zmienia się w zależności od wielkości i kształtu obiektu oraz miejsca na obiekcie, w którym jest przyłożone napięcie, więc oprócz wytrzymałości dielektrycznej materiału zależy od nich napięcie przebicia czynniki.

W płaskim arkuszu izolatora między dwiema płaskimi metalowymi elektrodami pole elektryczne jest proporcjonalne do różnicy napięć podzielonej przez grubość izolatora, więc ogólnie napięcie przebicia jest proporcjonalne do wytrzymałości dielektrycznej i długości izolacji między dwoma przewodami ${\ Displaystyle E}$${\ Displaystyle V}$${\ Displaystyle D}$${\displaystyle V_{\tekst{b}}}$${\ Displaystyle E_ {\ tekst {ds}}}$

${\ Displaystyle V_ {\ tekst {b}} = DE_ {\ tekst {ds}}}$

Jednak kształt przewodników może wpływać na napięcie przebicia.

Proces awarii

Przebicie jest procesem lokalnym, a w ośrodku izolacyjnym poddanym działaniu wysokiej różnicy napięć rozpoczyna się w dowolnym punkcie izolatora, w którym pole elektryczne najpierw przekracza lokalną wytrzymałość dielektryczną materiału. Ponieważ pole elektryczne na powierzchni przewodnika jest najwyższe w wystających częściach, ostrych punktach i krawędziach, w jednorodnym izolatorze, takim jak powietrze lub olej, w sąsiedztwie przewodu, awaria zwykle zaczyna się w tych punktach. Jeśli awaria jest spowodowana lokalną wadą izolatora litego, taką jak pęknięcie lub pęcherz w izolatorze ceramicznym, może ona pozostać ograniczona do małego obszaru; nazywa się to wyładowaniem częściowym . W gazie sąsiadującym z ostro zakończonym przewodnikiem lokalne procesy rozpadu, wyładowania koronowe lub wyładowania szczotkowe , mogą umożliwić wyciekanie prądu z przewodnika do gazu w postaci jonów. Jednak zwykle w jednorodnym stałym izolatorze po tym, jak jeden obszar uległ uszkodzeniu i stał się przewodzący, nie ma na nim spadku napięcia, a pełna różnica napięć jest przykładana do pozostałej długości izolatora. Ponieważ spadek napięcia występuje teraz na krótszej długości, tworzy to wyższe pole elektryczne w pozostałym materiale, co powoduje rozpad większej ilości materiału. Tak więc obszar przebicia szybko (w ciągu mikrosekund) rozprzestrzenia się w kierunku gradientu napięcia od jednego końca izolatora do drugiego, aż do utworzenia ciągłej ścieżki przewodzącej przez materiał między dwoma stykami, stosując różnicę napięć, umożliwiając przepływ prądu przepływ między nimi.

Przebicie elektryczne może również wystąpić bez przyłożonego napięcia, z powodu fali elektromagnetycznej. Kiedy wystarczająco intensywna fala elektromagnetyczna przechodzi przez ośrodek materialny, pole elektryczne fali może być wystarczająco silne, aby spowodować chwilowe przebicie elektryczne. Na przykład wiązka laserowa skupiona na małej plamce w powietrzu może spowodować awarię elektryczną i jonizację powietrza w ognisku.

Konsekwencje

W praktycznych obwodach elektrycznych przebicie elektryczne jest zwykle zjawiskiem niepożądanym, awarią materiału izolacyjnego powodującą zwarcie , co może skutkować katastrofalną awarią sprzętu. W obwodach zasilających nagły spadek rezystancji powoduje przepływ dużego prądu przez materiał, rozpoczynając łuk elektryczny , a jeśli urządzenia zabezpieczające nie przerywają szybko prądu, nagłe ekstremalne nagrzewanie się Joule'a może spowodować, że materiał izolacyjny lub inne części obwodu do wybuchowego stopienia lub odparowania, uszkadzania sprzętu i stwarzania zagrożenia pożarowego. Jednak zewnętrzne urządzenia zabezpieczające w obwodzie, takie jak wyłączniki i ograniczniki prądu, mogą zapobiec wysokiemu prądowi; a sam proces awarii niekoniecznie jest destrukcyjny i może być odwracalny. Jeżeli prąd dostarczany przez obwód zewnętrzny zostanie odprowadzony wystarczająco szybko, materiał nie zostanie uszkodzony, a zmniejszenie przyłożonego napięcia powoduje powrót do stanu izolacyjnego materiału.

Błyskawice i iskry spowodowane elektrycznością statyczną są naturalnymi przykładami elektrycznego rozkładu powietrza. Podział elektryczny jest częścią normalnej pracy szereg elementów elektrycznych , takich jak lampy wyładowcze , takie jak światła fluorescencyjnego , i neon , diody Zenera , lawinowego diod , diody IMPATT , prostowników rtęciowych , tyratron , ignitron i kriotronowe rur i świece zapłonowe .

Awaria izolacji elektrycznej

Awaria elektryczna jest często związana z awarią stałych lub ciekłych materiałów izolacyjnych stosowanych wewnątrz transformatorów wysokiego napięcia lub kondensatorów w sieci dystrybucji energii elektrycznej , co zwykle skutkuje zwarciem lub przepaleniem bezpiecznika. Awaria elektryczna może również wystąpić w izolatorach, które zawieszają napowietrzne linie energetyczne , w podziemnych kablach zasilających lub liniach łukowych do pobliskich gałęzi drzew.

Przebicie dielektryczne jest również ważne przy projektowaniu układów scalonych i innych półprzewodnikowych urządzeń elektronicznych. Warstwy izolacyjne w takich urządzeniach są zaprojektowane tak, aby wytrzymać normalne napięcia robocze, ale wyższe napięcie, takie jak elektryczność statyczna, może zniszczyć te warstwy, czyniąc urządzenie bezużytecznym. Wytrzymałość dielektryczna kondensatorów ogranicza ilość energii, którą można zmagazynować i bezpieczne napięcie pracy urządzenia.

Mechanizm

Mechanizmy rozkładu różnią się zawartością ciał stałych, cieczy i gazów. Na rozkład ma wpływ materiał elektrody, ostra krzywizna materiału przewodnika (powodująca lokalnie nasilone pola elektryczne), wielkość szczeliny między elektrodami oraz gęstość materiału w szczelinie.

Ciała stałe

W materiałach stałych (takich jak kable zasilające ) długotrwałe wyładowanie niezupełne zwykle poprzedza awarię, degradując izolatory i metale znajdujące się najbliżej przerwy napięciowej. Ostatecznie wyładowanie częściowe zwęgla się przez kanał z nawęglonego materiału, który przewodzi prąd przez szczelinę.

Płyny

Możliwe mechanizmy rozpadu w cieczach to pęcherzyki, drobne zanieczyszczenia i przegrzanie elektryczne . Proces rozkładu w cieczach komplikują efekty hydrodynamiczne, ponieważ na ciecz wywierane jest dodatkowe ciśnienie spowodowane nieliniowym natężeniem pola elektrycznego w szczelinie między elektrodami.

W gazach skroplonych stosowanych jako chłodziwa dla nadprzewodnictwa – takich jak hel w temperaturze 4,2  K lub azot w temperaturze 77 K – pęcherzyki mogą powodować rozpad.

W transformatorach chłodzonych olejem iz izolacją olejową natężenie pola dla przebicia wynosi około 20 kV/mm (w porównaniu do 3 kV/mm dla suchego powietrza). Pomimo stosowanych olejów oczyszczonych, winne są zanieczyszczenia drobnocząsteczkowe.

Gazy

Przebicie elektryczne następuje w gazie po przekroczeniu wytrzymałości dielektrycznej gazu. Obszary o intensywnych gradientach napięcia mogą powodować częściową jonizację pobliskiego gazu i rozpoczęcie przewodzenia. Odbywa się to celowo podczas wyładowań niskociśnieniowych, takich jak lampy fluorescencyjne . Napięcie, które prowadzi do przebicia elektrycznego gazu, jest aproksymowane przez prawo Paschena .

Wyładowanie częściowe w powietrzu powoduje zapach „świeżego powietrza” ozonu podczas burzy lub w pobliżu urządzeń wysokiego napięcia. Chociaż powietrze jest zwykle doskonałym izolatorem, pod wpływem wystarczająco wysokiego napięcia ( pole elektryczne około 3 x ¹⁰⁶  V /m lub 3 kV/mm) powietrze może zacząć się rozkładać, stając się częściowo przewodzące. W stosunkowo małych szczelinach napięcie przebicia w powietrzu jest funkcją długości szczeliny razy ciśnienia. Jeśli napięcie jest wystarczająco wysokie, całkowite przebicie elektryczne powietrza zakończy się iskrą elektryczną lub łukiem elektrycznym, który wypełni całą lukę.

Kolor iskry zależy od gazów wchodzących w skład ośrodka gazowego. Podczas gdy małe iskry generowane przez elektryczność statyczną mogą być ledwo słyszalne, większym iskrom często towarzyszy głośny trzask lub huk. Błyskawica jest przykładem ogromnej iskry, która może mieć wiele mil długości.

Trwałe łuki

Jeśli bezpiecznik lub wyłącznik automatyczny nie przerwie prądu przez iskrę w obwodzie zasilania, prąd może nadal występować, tworząc bardzo gorący łuk elektryczny (około 30 000 stopni). Kolor łuku zależy przede wszystkim od przewodzących gazów, z których niektóre mogły być ciałami stałymi przed odparowaniem i zmieszaniem z gorącą plazmą w łuku. Wolne jony w łuku i wokół niego łączą się, tworząc nowe związki chemiczne, takie jak ozon , tlenek węgla i podtlenek azotu . Ozon jest najłatwiejszy do zauważenia ze względu na jego wyraźny zapach.

Chociaż iskry i łuki są zwykle niepożądane, mogą być przydatne w zastosowaniach, takich jak świece zapłonowe do silników benzynowych, spawanie elektryczne metali lub do topienia metalu w elektrycznym piecu łukowym . Przed wyładowaniem gaz świeci różnymi kolorami, które zależą od poziomu energii atomów. Nie wszystkie mechanizmy są w pełni zrozumiałe.

Relacja napięcie-prąd przed awarią

Próżniowej przewiduje się sam poddać awariom elektrycznym na lub w pobliżu granicy Schwinger .

Relacja napięcie-prąd

Przed przebiciem gazu istnieje nieliniowa zależność między napięciem a prądem, jak pokazano na rysunku. W obszarze 1 znajdują się wolne jony, które mogą być przyspieszane przez pole i indukować prąd. Zostaną one nasycone po pewnym napięciu i dadzą stały prąd, obszar 2. Regiony 3 i 4 są powodowane przez lawinę jonową, jak wyjaśnia mechanizm rozładowania Townsenda .

Friedrich Paschen ustalił związek między stanem przebicia a napięciem przebicia. Wyprowadził wzór, który definiuje napięcie przebicia ( ) dla jednorodnych szczelin pola w funkcji długości szczeliny ( ) i ciśnienia szczeliny ( ). ${\displaystyle V_{\tekst{b}}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle p}$

${\ Displaystyle V_ {\ tekst {b}} = {BPD \ nad \ ln \ lewo ({Apd \ nad \ ln \ lewo (1+ {1 \ nad \ gamma} \ po prawej)} \ po prawej)}}$

Paschen wyprowadził również zależność między minimalną wartością szczeliny ciśnieniowej, dla której następuje przebicie przy minimalnym napięciu.

${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} (PD) _ {\ min} i = {2,718 \ ponad A} \ ln \ lewo (1+ {\ Frac {1} {\ gamma}} \ po prawej) \ \ V_ { {\text{b}},\min }&=2.718{B \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\end{aligned}}}$

${\ Displaystyle A}$i są stałymi w zależności od użytego gazu. ${\ Displaystyle B}$

Awaria korony

Częściowe przebicie powietrza następuje jako wyładowanie koronowe na przewodach wysokiego napięcia w punktach o największym naprężeniu elektrycznym. Przewodniki, które mają ostre punkty lub kulki o małych promieniach , są podatne na przebicie dielektryczne, ponieważ natężenie pola wokół punktów jest wyższe niż wokół płaskiej powierzchni. Aparatura wysokonapięciowa została zaprojektowana z zaokrąglonymi krzywymi i pierścieniami stopniowania, aby uniknąć skoncentrowanych pól, które powodują przebicie.

Wygląd

Korona jest czasami postrzegana jako niebieskawa poświata wokół przewodów wysokiego napięcia i słyszana jako skwierczący dźwięk wzdłuż linii wysokiego napięcia. Corona generuje również szum o częstotliwości radiowej, który może być również słyszalny jako „statyczny” lub brzęczący w odbiornikach radiowych. Korona może również występować naturalnie jako „ Ogień św. Elma ” w wysokich punktach, takich jak iglice kościołów, wierzchołki drzew lub maszty statków podczas burzy.

Generowanie ozonu

Generatory ozonu z wyładowaniem koronowym są używane od ponad 30 lat w procesie oczyszczania wody . Ozon jest gazem toksycznym, silniejszym nawet niż chlor. W typowej stacji uzdatniania wody pitnej ozon jest rozpuszczany w filtrowanej wodzie, aby zabić bakterie i wirusy . Ozon usuwa również z wody nieprzyjemne zapachy i smak. Główną zaletą ozonu jest to, że wszelkie pozostałości przedawkowania rozkładają się na gazowy tlen na długo przed dotarciem wody do konsumenta. Kontrastuje to z chlorem gazowym lub solami chloru, które dłużej pozostają w wodzie i mogą być smakowane przez konsumenta.

Inne zastosowania

Chociaż wyładowanie koronowe jest zwykle niepożądane, do niedawna było niezbędne w pracy kserokopiarek ( kserografii ) i drukarek laserowych . Wiele nowoczesnych kopiarek i drukarek laserowych ładuje bęben światłoczuły za pomocą rolki przewodzącej prąd elektryczny, zmniejszając niepożądane zanieczyszczenie ozonem w pomieszczeniach .

Piorunochrony wykorzystują wyładowanie koronowe do tworzenia ścieżek przewodzących w powietrzu, które są skierowane w stronę piorunochronu, odchylając potencjalnie szkodliwe pioruny z dala od budynków i innych konstrukcji.

Wyładowania koronowe są również wykorzystywane do modyfikowania właściwości powierzchni wielu polimerów . Przykładem jest obróbka koronowa tworzyw sztucznych, która umożliwia prawidłowe przyleganie farby lub tuszu.

Urządzenia zakłócające

Przebicie dielektryka w stałym izolatorze może trwale zmienić jego wygląd i właściwości. Jak pokazano na tej figurze Lichtenberg

Urządzenie zakłócające jest zaprojektowane do przeciążenia elektrycznego dielektryka powyżej jego wytrzymałości dielektrycznej , aby celowo spowodować awarię elektryczną urządzenia. Zakłócenie powoduje nagłe przejście części dielektryka ze stanu izolującego do stanu wysoce przewodzącego . To przejście charakteryzuje się tworzeniem iskry elektrycznej lub kanału plazmowego , po którym ewentualnie następuje łuk elektryczny przechodzący przez część materiału dielektrycznego.

Jeśli dielektryk stanie się ciałem stałym, trwałe zmiany fizykochemiczne na drodze wyładowania znacznie obniżą wytrzymałość dielektryczną materiału, a urządzenie może być użyte tylko raz. Jednakże, jeśli materiał dielektryczny jest cieczą lub gazem, dielektryk może w pełni odzyskać swoje właściwości izolacyjne po zewnętrznym przerwaniu prądu płynącego przez kanał plazmowy.

Komercyjne iskierniki wykorzystują tę właściwość do nagłego przełączania wysokich napięć w impulsowych systemach zasilania , w celu zapewnienia ochrony przeciwprzepięciowej w systemach telekomunikacyjnych i elektroenergetycznych oraz do zapłonu paliwa przez świece zapłonowe w silnikach spalinowych . Nadajniki iskiernikowe były używane we wczesnych systemach radiotelegraficznych.

Zobacz też

• Porównawczy indeks śledzenia

Bibliografia