Высоковольтное электричество относится к электрическому потенциалу, достаточно большому, чтобы вызвать травму или ущерб. В некоторых отраслях промышленности высокое напряжение относится к напряжению выше определенного порога. Оборудование и проводники , которые несут высокое напряжение, требуют специальных требований и процедур безопасности .
Высокое напряжение используется в распределении электроэнергии , в электронно-лучевых трубках , для генерации рентгеновских лучей и пучков частиц , для создания электрических дуг , для зажигания, в фотоэлектронных умножителях и в мощных усилительных вакуумных лампах , а также в других промышленных, военных и научных приложениях.
Числовое определение высокого напряжения зависит от контекста. Два фактора, которые учитываются при классификации напряжения как высокого, — это возможность возникновения искры в воздухе и опасность поражения электрическим током при контакте или близости.
Международная электротехническая комиссия и ее национальные коллеги ( IET , IEEE , VDE и т. д.) определяют высокое напряжение как напряжение выше 1000 В для переменного тока и не менее 1500 В для постоянного тока . [1]
В Соединенных Штатах Американский национальный институт стандартов (ANSI) устанавливает номинальные значения напряжения для систем электроснабжения частотой 60 Гц свыше 100 В. В частности, ANSI C84.1-2020 определяет высокое напряжение как напряжение от 115 кВ до 230 кВ, сверхвысокое напряжение как напряжение от 345 кВ до 765 кВ и сверхвысокое напряжение как напряжение 1100 кВ. [2] Британский стандарт BS 7671 :2008 определяет высокое напряжение как любую разницу напряжений между проводниками, которая превышает 1000 В переменного тока или 1500 В постоянного тока без пульсаций, или любую разницу напряжений между проводником и землей, которая превышает 600 В переменного тока или 900 В постоянного тока без пульсаций. [3]
В некоторых юрисдикциях электрики могут иметь лицензию только на определенные классы напряжения. [4] Например, электрическая лицензия на специализированную подотрасль, такую как установка систем HVAC , систем пожарной сигнализации , систем замкнутого телевидения, может быть разрешена для установки систем, находящихся под напряжением всего до 30 вольт между проводниками, и может не разрешать работать с цепями с сетевым напряжением. Широкая общественность может считать бытовые сетевые цепи (от 100 до 250 В переменного тока), которые несут самые высокие напряжения, с которыми они обычно сталкиваются, высоковольтными .
Напряжение свыше 50 вольт обычно может привести к протеканию опасного тока через человека, который касается двух точек цепи, поэтому стандарты безопасности для таких цепей более строгие.
В автомобильной технике высокое напряжение определяется как напряжение в диапазоне от 30 до 1000 В переменного тока или от 60 до 1500 В постоянного тока. [5]
Определение сверхвысокого напряжения (СВН) снова зависит от контекста. В электротехнике передачи электроэнергии СВН классифицируется как напряжение в диапазоне 345 000–765 000 В. [6] В электронных системах источник питания, который обеспечивает более 275 000 вольт, называется источником питания СВН и часто используется в экспериментах по физике. Ускоряющее напряжение для телевизионной электронно-лучевой трубки можно описать как сверхвысокое напряжение или сверхвысокое напряжение (СВН) по сравнению с другими источниками напряжения в оборудовании. Этот тип источника питания находится в диапазоне от 5 кВ до примерно 30 кВ.
Текстовый символ Unicode , представляющий «высокое напряжение», — это U+26A1, символ «⚡︎» .
Обычные статические электрические искры, наблюдаемые в условиях низкой влажности, всегда имеют напряжение, значительно превышающее 700 В. Например, искры на дверях автомобиля зимой могут иметь напряжение до 20 000 В. [7]
Электростатические генераторы, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшурста, могут вырабатывать напряжение, приближающееся к миллиону вольт при силе тока в несколько ампер, но обычно их хватает ненадолго, чтобы нанести ущерб. Индукционные катушки работают на эффекте обратного хода, что приводит к напряжению, превышающему отношение витков к входному напряжению. Обычно они вырабатывают более высокие токи, чем электростатические машины, но каждое удвоение желаемого выходного напряжения примерно удваивает вес из-за количества провода, необходимого во вторичной обмотке. Таким образом, масштабирование их до более высоких напряжений путем добавления большего количества витков провода может стать непрактичным. Умножитель Кокрофта-Уолтона можно использовать для умножения напряжения, вырабатываемого индукционной катушкой. Он генерирует постоянный ток с помощью диодных переключателей для зарядки лестницы конденсаторов. Катушки Теслы используют резонанс, они легкие и не требуют полупроводников.
Самые крупные искры возникают естественным образом в результате воздействия молнии . Средний разряд отрицательной молнии несет ток силой от 30 до 50 килоампер, переносит заряд в 5 кулонов и рассеивает 500 мегаджоулей энергии ( эквивалент 120 кг тротила или достаточно для освещения 100-ваттной лампочки в течение примерно 2 месяцев). Однако средний разряд положительной молнии (с вершины грозы) может нести ток силой от 300 до 500 килоампер, передавать заряд до 300 кулонов, иметь разность потенциалов до 1 гигавольта (миллиарда вольт) и может рассеивать 300 ГДж энергии (72 тонны тротила или достаточно энергии для освещения 100-ваттной лампочки в течение до 95 лет). Удар отрицательной молнии обычно длится всего несколько десятков микросекунд, но распространены множественные удары. Положительный удар молнии обычно является единичным событием, но более сильный пиковый ток может течь в течение сотен миллисекунд, что делает его значительно более энергичным, чем отрицательная молния.
Диэлектрическая прочность на пробой сухого воздуха при стандартной температуре и давлении (СТП) между сферическими электродами составляет приблизительно 33 кВ/см. [8] Это лишь приблизительное руководство, поскольку фактическое напряжение пробоя сильно зависит от формы и размера электрода. Сильные электрические поля (от высоких напряжений, приложенных к маленьким или заостренным проводникам) часто вызывают фиолетовые коронные разряды в воздухе, а также видимые искры. Напряжения ниже примерно 500–700 вольт не могут производить легко видимые искры или свечение в воздухе при атмосферном давлении, поэтому по этому правилу эти напряжения являются «низкими». Однако в условиях низкого атмосферного давления (например, в высотных самолетах ) или в среде благородных газов, таких как аргон или неон , искры появляются при гораздо более низких напряжениях. 500–700 вольт не являются фиксированным минимумом для создания искрового пробоя, но это эмпирическое правило. Для воздуха при STP минимальное напряжение пробоя составляет около 327 вольт, как отметил Фридрих Пашен . [9]
Хотя более низкие напряжения, как правило, не перескакивают зазор, который присутствовал до подачи напряжения, прерывание существующего тока зазором часто приводит к возникновению искры или дуги низкого напряжения . По мере разделения контактов несколько небольших точек контакта разделяются последними. Ток сужается до этих небольших горячих точек , заставляя их раскаляться, так что они испускают электроны (через термоэлектронную эмиссию ). Даже небольшая батарея на 9 В может заметно искрить с помощью этого механизма в затемненной комнате. Ионизированный воздух и пары металла (от контактов) образуют плазму , которая временно перекрывает расширяющийся зазор. Если источник питания и нагрузка допускают достаточный ток, может образоваться самоподдерживающаяся дуга . После образования дуга может быть расширена на значительную длину, прежде чем разорвать цепь. Попытка разомкнуть индуктивную цепь часто образует дугу, поскольку индуктивность обеспечивает высоковольтный импульс всякий раз, когда ток прерывается. Системы переменного тока делают устойчивую дугу несколько менее вероятной, поскольку ток возвращается к нулю дважды за цикл. Дуга гаснет каждый раз, когда ток проходит через нулевое значение , и должна снова загореться в течение следующего полупериода, чтобы поддерживать дугу.
В отличие от омического проводника, сопротивление дуги уменьшается с увеличением тока. Это делает непреднамеренные дуги в электроприборах опасными, поскольку даже небольшая дуга может стать достаточно большой, чтобы повредить оборудование и вызвать пожар, если доступен достаточный ток. Намеренно созданные дуги, например, используемые в освещении или сварке , требуют некоторого элемента в цепи для стабилизации характеристик тока/напряжения дуги.
Линии электропередачи и распределения электроэнергии обычно используют напряжение от десятков до сотен киловольт. Линии могут быть воздушными или подземными. Высокое напряжение используется в распределении электроэнергии для снижения омических потерь при транспортировке электроэнергии на большие расстояния.
Используется в производстве полупроводников для напыления тонких слоев металлических пленок на поверхность пластины . Также применяется для электростатического флокирования для покрытия предметов небольшими волокнами, стоящими на ребре.
Искровые разрядники исторически использовались как ранняя форма радиопередачи. Аналогично, разряды молний в атмосфере Юпитера считаются источником мощного радиочастотного излучения планеты. [10]
Высокое напряжение использовалось в эпохальных экспериментах и открытиях в области химии и физики элементарных частиц. Электрические дуги использовались при выделении и открытии элемента аргона из атмосферного воздуха. Индукционные катушки питали первые рентгеновские трубки. Мозли использовал рентгеновскую трубку для определения атомного номера ряда металлических элементов по спектру, испускаемому при использовании в качестве анодов. Высокое напряжение используется для генерации электронных пучков для микроскопии . Кокрофт и Уолтон изобрели умножитель напряжения для преобразования атомов лития в оксиде лития в гелий путем ускорения атомов водорода.
Напряжение более 50 В, приложенное к сухой неповрежденной коже человека, может вызвать фибрилляцию сердца , если оно создает электрические токи в тканях тела, которые случайно проходят через область груди . Напряжение, при котором существует опасность поражения электрическим током, зависит от электропроводности сухой кожи человека. Живая человеческая ткань может быть защищена от повреждения изолирующими свойствами сухой кожи до примерно 50 вольт. Если та же кожа намокнет, если есть раны или если напряжение приложено к электродам , которые проникают в кожу, то даже источники напряжения ниже 40 В могут быть смертельными.
Случайный контакт с любым высоким напряжением, обеспечивающим достаточную энергию, может привести к серьезным травмам или смерти. Это может произойти, поскольку тело человека обеспечивает путь для тока, вызывая повреждение тканей и сердечную недостаточность. Другие травмы могут включать ожоги от дуги, образованной случайным контактом. Эти ожоги могут быть особенно опасны, если затронуты дыхательные пути жертвы. Травмы также могут быть получены в результате физических сил, испытываемых людьми, которые падают с большой высоты или отбрасываются на значительное расстояние.
Низкоэнергетическое воздействие высокого напряжения может быть безвредным, например, искра, возникающая в сухом климате при прикосновении к дверной ручке после ходьбы по ковровому покрытию. Напряжение может достигать тысячи вольт, но средний ток низок.
Стандартные меры предосторожности для предотвращения травм включают работу в условиях, которые исключают прохождение электрической энергии через тело, особенно через область сердца, например, между руками или между рукой и ногой. Электричество может протекать между двумя проводниками в высоковольтном оборудовании, и тело может замкнуть цепь. Чтобы этого не произошло, работник должен носить изолирующую одежду, например, резиновые перчатки, использовать изолированные инструменты и избегать прикосновения к оборудованию более чем одной рукой одновременно. Электрический ток также может протекать между оборудованием и заземлением. Чтобы этого не произошло, работник должен стоять на изолированной поверхности, например, на резиновых ковриках. Средства безопасности регулярно проверяются, чтобы убедиться, что они по-прежнему защищают пользователя. Правила испытаний различаются в зависимости от страны. Испытательные компании могут проводить испытания при напряжении до 300 000 вольт и предлагают услуги от тестирования перчаток до тестирования на возвышенной рабочей платформе (или EWP).
Контакт или близкое приближение к проводникам линии представляет опасность поражения электрическим током . Контакт с воздушными проводами может привести к травме или смерти. Металлические лестницы, сельскохозяйственное оборудование, мачты лодок, строительная техника, воздушные антенны и подобные объекты часто оказываются в смертельном контакте с воздушными проводами. Несанкционированные лица, забирающиеся на опоры линий электропередач или электроприборы, также часто становятся жертвами поражения электрическим током. [11] При очень высоких напряжениях передачи даже близкое приближение может быть опасным, поскольку высокое напряжение может образовать дугу через значительный воздушный зазор.
Копание в закопанном кабеле также может быть опасным для рабочих на месте раскопок. Землеройное оборудование (ручные инструменты или приводимые в действие машиной), которое контактирует с закопанным кабелем, может подать напряжение на трубопровод или землю в этом районе, что приведет к поражению электрическим током находящихся поблизости рабочих. Неисправность высоковольтной линии электропередачи или подстанции может привести к протеканию сильных токов по поверхности земли, что приведет к повышению потенциала земли , что также представляет опасность поражения электрическим током.
Для высоковольтных и сверхвысоковольтных линий электропередачи специально обученный персонал использует методы « живой линии », чтобы обеспечить непосредственный контакт с оборудованием под напряжением. В этом случае работник электрически подключен к высоковольтной линии , но тщательно изолирован от земли, так что он находится под тем же электрическим потенциалом, что и линия. Поскольку обучение таким операциям является длительным и все еще представляет опасность для персонала, только очень важные линии электропередачи подлежат обслуживанию под напряжением. За пределами этих должным образом спроектированных ситуаций изоляция от земли не гарантирует, что ток не будет течь на землю, поскольку заземление или дуга на землю могут происходить неожиданными способами, а высокочастотные токи могут обжечь даже незаземленного человека. Прикосновение к передающей антенне опасно по этой причине, и высокочастотная катушка Тесла может поддерживать искру только с одной конечной точкой.
Защитное оборудование на высоковольтных линиях электропередачи обычно предотвращает образование нежелательной дуги или обеспечивает ее гашение в течение десятков миллисекунд. Электрические аппараты, которые прерывают высоковольтные цепи, предназначены для безопасного направления результирующей дуги таким образом, чтобы она рассеивалась без повреждений. Высоковольтные выключатели часто используют струю воздуха под высоким давлением, специальный диэлектрический газ (например, SF6 под давлением) или погружение в минеральное масло для гашения дуги при разрыве высоковольтной цепи.
Проводка в таком оборудовании, как рентгеновские аппараты и лазеры, требует осторожности. Высоковольтная часть физически удалена от низковольтной, чтобы снизить вероятность образования дуги между ними. Чтобы избежать корональных потерь, проводники делаются максимально короткими и без острых концов. При наличии изоляции пластиковое покрытие не должно содержать пузырьков воздуха, которые приводят к корональным разрядам внутри пузырьков.
Высокое напряжение не обязательно опасно, если оно не может обеспечить существенный ток . Несмотря на то, что электростатические машины, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшурста, производят напряжение, приближающееся к миллиону вольт, они производят кратковременный укус. Это происходит потому, что ток низок, т. е. движется лишь относительно небольшое количество электронов. Эти устройства имеют ограниченное количество накопленной энергии, поэтому средний производимый ток низок и обычно длится короткое время, с пиковыми импульсами в диапазоне 1 А в течение наносекунды. [12] [13]
Разряд может включать чрезвычайно высокое напряжение в течение очень коротких периодов, но для того, чтобы вызвать фибрилляцию сердца, источник электропитания должен производить значительный ток в сердечной мышце, продолжающийся в течение многих миллисекунд , и должен вкладывать общую энергию в диапазоне по крайней мере миллиджоулей или выше. Относительно высокий ток при чем-либо более чем около пятидесяти вольт может, следовательно, быть значимым с медицинской точки зрения и потенциально смертельным.
Во время разряда эти машины подают высокое напряжение на тело всего на миллионную долю секунды или меньше. Таким образом, слабый ток подается на очень короткое время, а число вовлеченных электронов очень мало.
Несмотря на то, что катушки Теслы внешне похожи на генераторы Ван де Граафа, они не являются электростатическими машинами и могут непрерывно вырабатывать значительные радиочастотные токи. Ток, подаваемый на тело человека, будет относительно постоянным, пока поддерживается контакт, в отличие от электростатических машин, которым обычно требуется больше времени для накопления зарядов, а напряжение будет намного выше, чем пробивное напряжение человеческой кожи. Как следствие, выход катушки Теслы может быть опасным или даже смертельным.
В зависимости от предполагаемого тока короткого замыкания , имеющегося в распределительном устройстве , существует опасность для обслуживающего и рабочего персонала из-за возможности возникновения электрической дуги высокой интенсивности . Максимальная температура дуги может превышать 10 000 кельвинов , а лучистое тепло, расширяющийся горячий воздух и взрывное испарение металла и изоляционного материала могут привести к серьезным травмам у незащищенных работников. Такие распределительные устройства и источники дуги высокой энергии обычно присутствуют на подстанциях и электростанциях электростанций, промышленных предприятиях и крупных коммерческих зданиях. В Соединенных Штатах Национальная ассоциация противопожарной защиты опубликовала руководящий стандарт NFPA 70E для оценки и расчета опасности вспышки дуги и устанавливает стандарты для защитной одежды, необходимой для электроработников, подвергающихся таким опасностям на рабочем месте.
Даже напряжение, недостаточное для расщепления воздуха, может обеспечить достаточно энергии для воспламенения атмосфер, содержащих горючие газы или пары, или взвешенную пыль. Например, водородный газ, природный газ или пары бензина/ бензина, смешанные с воздухом, могут воспламениться от искр, создаваемых электрическими приборами. Примерами промышленных объектов с опасными зонами являются нефтехимические заводы, химические заводы , элеваторы и угольные шахты .
Меры, принимаемые для предотвращения таких взрывов, включают:
В последние годы стандарты защиты от взрывоопасности стали более единообразными в европейской и североамериканской практике. Система классификации «зон» в настоящее время используется в измененной форме в Национальном электротехническом кодексе США и в Канадском электротехническом кодексе . Искробезопасное оборудование теперь одобрено для использования в североамериканских приложениях.
Электрические разряды, включая частичный разряд и коронный разряд , могут производить небольшие количества токсичных газов, которые в замкнутом пространстве могут представлять опасность для здоровья. Эти газы включают окислители, такие как озон и различные оксиды азота . Их легко определить по характерному запаху или цвету, и, таким образом, время контакта можно свести к минимуму. Оксид азота невидим, но имеет сладкий запах. Он окисляется до диоксида азота в течение нескольких минут, который имеет желтый или красновато-коричневый цвет в зависимости от концентрации и пахнет хлорным газом, как бассейн. Озон невидим, но имеет резкий запах, как у воздуха после грозы. Это недолговечный вид, и половина его распадается на O
2в течение суток при нормальной температуре и атмосферном давлении.
Опасности, связанные с молнией, очевидно, включают прямой удар в людей или имущество. Однако молния может также создавать опасные градиенты напряжения в земле, а также электромагнитный импульс и может заряжать протяженные металлические предметы, такие как телефонные кабели, ограждения и трубопроводы, до опасного напряжения, которое может передаваться на многие мили от места удара. Хотя многие из этих предметов обычно не являются проводниками, очень высокое напряжение может вызвать электрический пробой таких изоляторов, заставляя их действовать как проводники. Эти переданные потенциалы опасны для людей, скота и электронных приборов. Удары молнии также вызывают пожары и взрывы, которые приводят к смертельным случаям, травмам и повреждению имущества. Например, каждый год в Северной Америке удары молнии начинают тысячи лесных пожаров .
Меры по контролю молний могут снизить опасность; к ним относятся громоотводы , защитные провода и соединение электрических и структурных частей зданий для образования сплошного ограждения.
