Электрический пробой

Проведение электричества через изолятор при достаточно высоком напряжении

Электрический пробой при электрическом разряде , демонстрирующий лентовидные плазменные нити из катушки Теслы .

В электронике электрический пробой или диэлектрический пробой — это процесс, который происходит, когда электроизоляционный материал ( диэлектрик ), подвергаемый достаточно высокому напряжению , внезапно становится проводником и через него течет ток . Все изоляционные материалы подвергаются пробою, когда электрическое поле , вызванное приложенным напряжением, превышает диэлектрическую прочность материала . Напряжение, при котором данный изолирующий объект становится проводящим, называется его пробивным напряжением и, в дополнение к его диэлектрической прочности, зависит от его размера и формы, а также от места на объекте, к которому приложено напряжение. При достаточном напряжении электрический пробой может происходить в твердых телах , жидкостях или газах (и теоретически даже в вакууме ). Однако конкретные механизмы пробоя различны для каждого вида диэлектрической среды.

Электрический пробой может быть кратковременным событием (как при электростатическом разряде ) или может привести к непрерывной электрической дуге , если защитные устройства не смогут прервать ток в силовой цепи. В этом случае электрический пробой может привести к катастрофическому отказу электрооборудования и пожароопасности .

Объяснение

Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц в материале, вызванный электрическим полем , обычно создаваемым напряжением на материале. Подвижные заряженные частицы, которые составляют электрический ток, называются носителями заряда . В разных веществах носителями заряда служат разные частицы: в металлах и некоторых других твердых телах некоторые внешние электроны каждого атома ( электроны проводимости ) способны перемещаться в материале; в электролитах и ​​плазме носителями заряда являются ионы , электрически заряженные атомы или молекулы и электроны. Материал, который имеет высокую концентрацию носителей заряда, доступных для проводимости, такой как металл , будет проводить большой ток при заданном электрическом поле и, таким образом, имеет низкое электрическое сопротивление ; это называется электрическим проводником . ^[1] Материал, который имеет мало носителей заряда, такой как стекло или керамика, будет проводить очень мало тока при заданном электрическом поле и имеет высокое удельное сопротивление; это называется электрическим изолятором или диэлектриком . Вся материя состоит из заряженных частиц, но общим свойством изоляторов является то, что отрицательные заряды, орбитальные электроны, тесно связаны с положительными зарядами, атомными ядрами , и не могут быть легко освобождены, чтобы стать подвижными.

Однако, когда достаточно большое электрическое поле прикладывается к любому изолирующему веществу, при определенной напряженности поля число носителей заряда в материале внезапно увеличивается на много порядков, поэтому его сопротивление падает, и он становится проводником. ^[1] Это называется электрическим пробоем . Физический механизм, вызывающий пробой, отличается в разных веществах. В твердом теле это обычно происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы оторвать внешние валентные электроны от своих атомов, поэтому они становятся подвижными, а тепло, создаваемое их столкновениями с другими атомами, высвобождает дополнительные электроны. В газе электрическое поле ускоряет небольшое количество свободных электронов, присутствующих естественным образом (из-за таких процессов, как фотоионизация и радиоактивный распад ), до достаточно высокой скорости, что при столкновении с молекулами газа они выбивают из них дополнительные электроны, что называется ионизацией , которые затем ионизуют больше молекул, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, называемой разрядом Таунсенда . Как показывают эти примеры, в большинстве материалов пробой происходит в результате быстрой цепной реакции , в которой подвижные заряженные частицы высвобождают дополнительные заряженные частицы.

Диэлектрическая прочность и пробивное напряжение

Катушка Тесла , демонстрирующая несколько форм электрического пробоя. С правой стороны алюминиевой высоковольтной клеммы (справа вверху) находится фиолетовый коронный разряд . На конце провода, выступающего из клеммы (слева вверху), находится кистевой разряд . Флуоресцентная трубка, лежащая на подставке, освещается тлеющим разрядом, вызванным радиочастотным электрическим полем. Внизу аппарат катушки Тесла освещается интенсивным белым светом от электрической дуги в искровом промежутке , который генерирует высокое напряжение.

Напряженность электрического поля (в вольтах на метр), при которой происходит пробой, является внутренним свойством изоляционного материала, называемым его диэлектрической прочностью . Электрическое поле обычно вызывается напряжением , приложенным к материалу. Приложенное напряжение, необходимое для пробоя в данном изолирующем объекте, называется пробивным напряжением объекта . Электрическое поле, создаваемое в данном изолирующем объекте приложенным напряжением, варьируется в зависимости от размера и формы объекта и расположения на объекте электрических контактов, к которым приложено напряжение, поэтому в дополнение к диэлектрической прочности материала пробивное напряжение зависит от этих факторов.

В плоском листе изолятора между двумя плоскими металлическими электродами электрическое поле пропорционально напряжению, деленному на толщину изолятора, поэтому в общем случае напряжение пробоя пропорционально диэлектрической прочности и длине изоляции между двумя проводниками. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle V_{\text{b}}}$ ${\displaystyle E_{\text{ds}}}$

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

Однако форма проводников может влиять на напряжение пробоя.

Процесс развала

Пробой — это локальный процесс, и в изолирующей среде, подверженной высокой разнице напряжений, начинается в любой точке изолятора, где электрическое поле впервые превышает локальную диэлектрическую прочность материала. Поскольку электрическое поле на поверхности проводника наиболее высоко на выступающих частях, острых точках и краях, для проводника, погруженного в однородный изолятор, такой как воздух или масло, пробой обычно начинается в этих точках. В твердом изоляторе пробой часто начинается на локальном дефекте, таком как трещина или пузырек в керамическом изоляторе. Если напряжение достаточно низкое, пробой может оставаться ограниченным этой небольшой областью; это называется частичным разрядом . В газе, прилегающем к остроконечному проводнику, локальные процессы пробоя, коронный разряд или кистевой разряд , могут позволить току вытекать из проводника в газ в виде ионов. Однако обычно в однородном твердом изоляторе после того, как одна область сломалась и стала проводящей, на ней нет падения напряжения, и полная разница напряжений прикладывается к оставшейся длине изолятора. Поскольку падение напряжения теперь происходит на меньшей длине, это создает более сильное электрическое поле в оставшемся материале, что приводит к разрушению большего количества материала. Таким образом, область пробоя быстро (в течение наносекунд) распространяется в направлении градиента напряжения (электрического поля) от одного конца изолятора к другому, пока не будет создан непрерывный проводящий путь через материал между двумя контактами, применяющими разницу напряжений, позволяя току течь между ними, вызывая электрическую дугу .

Электрический пробой может также произойти без приложенного напряжения, из-за электромагнитной волны. Когда достаточно интенсивная электромагнитная волна проходит через материальную среду, электрическое поле волны может быть достаточно сильным, чтобы вызвать временный электрический пробой. Например, лазерный луч, сфокусированный в небольшую точку в воздухе, может вызвать электрический пробой и ионизацию воздуха в точке фокусировки.

Последствия

В практических электрических цепях электрический пробой обычно является нежелательным явлением, отказом изоляционного материала, вызывающим короткое замыкание , что может привести к катастрофическому отказу оборудования. В силовых цепях внезапное падение сопротивления приводит к протеканию большого тока через материал, вызывая электрическую дугу , и если защитные устройства быстро не прерывают ток, внезапное сильное джоулево тепло может привести к расплавлению или взрывному испарению изоляционного материала или других частей цепи, что повреждает оборудование и создает опасность возгорания. Однако внешние защитные устройства в цепи, такие как автоматические выключатели и ограничители тока , могут предотвратить большой ток; и сам процесс пробоя не обязательно является разрушительным и может быть обратимым, как, например, в газоразрядной лампе. Если ток, подаваемый внешней цепью, отключается достаточно быстро, материалу не наносится никакого ущерба, а снижение приложенного напряжения вызывает переход обратно в изолирующее состояние материала.

Молнии и искры, вызванные статическим электричеством, являются естественными примерами электрического пробоя воздуха. Электрический пробой является частью нормального режима работы ряда электрических компонентов , таких как газоразрядные лампы , такие как люминесцентные лампы , и неоновые лампы , стабилитроны, лавинные диоды , диоды IMPATT , ртутные выпрямители , тиратроны , игнитроны и трубки Krytron, а также свечи зажигания .

Нарушение электроизоляции

Электрический пробой часто связан с отказом твердых или жидких изоляционных материалов, используемых внутри высоковольтных трансформаторов или конденсаторов в распределительной сети электроэнергии , что обычно приводит к короткому замыканию или перегоранию предохранителя. Электрический пробой может также произойти в изоляторах, которые подвешивают воздушные линии электропередач , в подземных силовых кабелях или линиях, дугообразующих к близлежащим ветвям деревьев.

Диэлектрический пробой также важен при проектировании интегральных схем и других твердотельных электронных устройств. Изоляционные слои в таких устройствах рассчитаны на то, чтобы выдерживать нормальные рабочие напряжения, но более высокое напряжение, например, статическое электричество, может разрушить эти слои, сделав устройство бесполезным. Диэлектрическая прочность конденсаторов ограничивает количество энергии, которое может быть сохранено, и безопасное рабочее напряжение для устройства. ^[2]

Механизмы

Механизмы пробоя различаются в твердых телах, жидкостях и газах. На пробой влияют материал электрода, резкая кривизна материала проводника (приводящая к локальному усилению электрических полей), размер зазора между электродами и плотность материала в зазоре.

Твердые вещества

В твердых материалах (например, в силовых кабелях ) длительный частичный разряд , вызванный дефектом, таким как трещина или пузырь в материале, обычно предшествует пробою. Частичный разряд представляет собой локальную ионизацию и нагрев области, разрушая изоляторы и металлы, ближайшие к дефекту. В конечном итоге частичный разряд обугливается через канал обугленного материала, который проводит ток через зазор.

Жидкости

Возможные механизмы пробоя в жидкостях включают пузырьки, мелкие примеси и электрический перегрев . Процесс пробоя в жидкостях осложняется гидродинамическими эффектами, поскольку на жидкость оказывается дополнительное давление со стороны нелинейной напряженности электрического поля в зазоре между электродами.

В сжиженных газах, используемых в качестве хладагентов для сверхпроводимости , например, в гелии при 4,2 К или азоте при 77 К, пузырьки могут вызывать пробой.

В трансформаторах с масляным охлаждением и масляной изоляцией напряженность поля пробоя составляет около 20 кВ/мм (по сравнению с 3 кВ/мм для сухого воздуха). Несмотря на использование очищенных масел, виной являются мелкие частицы загрязняющих веществ.

Газы

Электрический пробой происходит в газе, когда диэлектрическая прочность газа превышается. Области интенсивных градиентов напряжения могут привести к частичной ионизации близлежащего газа и началу проводимости. Это делается намеренно в разрядах низкого давления, таких как флуоресцентные лампы . Напряжение, которое приводит к электрическому пробою газа, приблизительно определяется законом Пашена .

Частичный разряд в воздухе вызывает запах озона «свежего воздуха» во время гроз или вокруг высоковольтного оборудования. Хотя воздух обычно является отличным изолятором, при воздействии достаточно высокого напряжения ( электрическое поле около 3 x 10 ⁶  В/м или 3 кВ/мм ^[3] ) воздух может начать разрушаться, становясь частично проводящим. В относительно небольших зазорах пробивное напряжение в воздухе является функцией длины зазора, умноженной на давление. Если напряжение достаточно высокое, полный электрический пробой воздуха завершится электрической искрой или электрической дугой , которая перекроет весь зазор.

Цвет искры зависит от газов, входящих в состав газообразной среды. В то время как небольшие искры, генерируемые статическим электричеством, могут быть едва слышны, более крупные искры часто сопровождаются громким щелчком или ударом. Молния — пример огромной искры, которая может быть длиной во много миль, а производимый ею гром слышен на очень большом расстоянии.

Постоянные дуги

Если предохранитель или автоматический выключатель не прерывает ток через искру в силовой цепи, ток может продолжаться, образуя очень горячую электрическую дугу (около 30 000 градусов  по Цельсию ). Цвет дуги зависит в первую очередь от проводящих газов, некоторые из которых могли быть твердыми до того, как испарились и смешались с горячей плазмой в дуге. Свободные ионы внутри и вокруг дуги рекомбинируют, создавая новые химические соединения, такие как озон , окись углерода и закись азота . Озон легче всего заметить из-за его отчетливого запаха. ^[4]

Хотя искры и дуги обычно нежелательны, они могут быть полезны в таких приложениях, как свечи зажигания для бензиновых двигателей, электросварка металлов или плавка металлов в электродуговой печи . До газового разряда газ светится различными цветами, которые зависят от энергетических уровней атомов. Не все механизмы полностью понятны.

Соотношение напряжения и тока до пробоя

Ожидается, что сам вакуум подвергнется электрическому пробою на пределе Швингера или вблизи него .

Соотношение напряжение-ток

До пробоя газа существует нелинейная зависимость между напряжением и током, как показано на рисунке. В области 1 находятся свободные ионы, которые могут быть ускорены полем и индуцировать ток. Они будут насыщены после определенного напряжения и дадут постоянный ток, область 2. Области 3 и 4 вызваны ионной лавиной, как объясняется механизмом разряда Таунсенда .

Фридрих Пашен установил связь между условием пробоя и напряжением пробоя. Он вывел формулу , которая определяет напряжение пробоя ( ) для однородных полевых зазоров как функцию длины зазора ( ) и давления зазора ( ). ^[5] ${\displaystyle V_{\text{b}}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle p}$

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

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 являются константами, зависящими от используемого газа. ${\displaystyle B}$

Распад короны

Частичный пробой воздуха происходит в виде коронного разряда на высоковольтных проводниках в точках с наибольшим электрическим напряжением. Проводники с острыми концами или шариками с малым радиусом склонны вызывать пробой диэлектрика, поскольку напряженность поля вокруг точек выше, чем вокруг плоской поверхности. Высоковольтные аппараты проектируются с закругленными кривыми и градуировочными кольцами, чтобы избежать концентрированных полей, которые ускоряют пробой.

Появление

Корона иногда выглядит как голубоватое свечение вокруг высоковольтных проводов и слышится как шипящий звук вдоль высоковольтных линий электропередач. Корона также генерирует радиочастотный шум, который также может быть услышан как «статический» или жужжание на радиоприемниках. Корона также может возникать естественным образом как « Огни Святого Эльма » на высоких точках, таких как церковные шпили, верхушки деревьев или корабельные мачты во время грозы.

Генерация озона

Генераторы озона с коронным разрядом используются в процессе очистки воды уже более 30 лет . Озон — токсичный газ, даже более мощный, чем хлор. На типичной установке по очистке питьевой воды озоновый газ растворяется в отфильтрованной воде, убивая бактерии и уничтожая вирусы . Озон также удаляет неприятные запахи и привкус из воды. Главное преимущество озона заключается в том, что любая остаточная передозировка разлагается до газообразного кислорода задолго до того, как вода достигнет потребителя. Это контрастирует с газообразным хлором или солями хлора, которые остаются в воде дольше и могут быть ощутимы потребителем.

Другие применения

Хотя коронный разряд обычно нежелателен, до недавнего времени он был необходим для работы фотокопировальных аппаратов ( ксерографии ) и лазерных принтеров . Многие современные копировальные аппараты и лазерные принтеры теперь заряжают фотопроводящий барабан электропроводящим роликом, что снижает нежелательное загрязнение озоном в помещении.

Молниеотводы используют коронный разряд для создания токопроводящих путей в воздухе, направленных к молниеотводу, отклоняя потенциально разрушительную молнию от зданий и других сооружений. ^[6]

Коронные разряды также используются для изменения поверхностных свойств многих полимеров . Примером является обработка пластмасс коронным разрядом, которая позволяет краске или чернилам хорошо прилипать.

Подрывные устройства

Диэлектрический пробой внутри твердого изолятора может навсегда изменить его внешний вид и свойства. Как показано на этой фигуре Лихтенберга

Разрушающее устройство [ ^{требуется ссылка ]} предназначено для электрического перенапряжения диэлектрика сверх его диэлектрической прочности , чтобы намеренно вызвать электрический пробой устройства. Разрушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в высокопроводящее состояние . Этот переход характеризуется образованием электрической искры или плазменного канала, за которым может следовать электрическая дуга через часть диэлектрического материала.

Если диэлектрик окажется твердым, постоянные физические и химические изменения вдоль пути разряда значительно снизят диэлектрическую прочность материала, и устройство можно будет использовать только один раз. Однако, если диэлектрик является жидкостью или газом, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после того, как ток через плазменный канал будет прерван извне.

Коммерческие искровые разрядники используют это свойство для резкого переключения высокого напряжения в импульсных системах питания, для защиты от перенапряжения в телекоммуникационных и электрических системах питания, а также для воспламенения топлива через свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания . Передатчики с искровыми разрядниками использовались в ранних радиотелеграфных системах.

Смотрите также

• Сравнительный индекс отслеживания

Ссылки

1. Ray, Subir (2013). Введение в высоковольтную технику, 2-е изд. PHI Learning Ltd. стр. 1. ISBN 9788120347403.
2. Белкин, А.; Безрядин, А.; Хендрен, Л.; Хаблер, А. (2017). «Восстановление наноконденсаторов из оксида алюминия после высоковольтного пробоя». Scientific Reports . 7 (1): 932. Bibcode :2017NatSR...7..932B. doi :10.1038/s41598-017-01007-9. PMC 5430567 . PMID  28428625. 
3. Хонг, Элис (2000). «Диэлектрическая прочность воздуха». The Physics Factbook .
4. "Lab Note #106 Влияние подавления дуги на окружающую среду". Технологии подавления дуги. Апрель 2011 г. Получено 15 марта 2012 г.
5. Ray, Subir (2009). Введение в высоковольтную технику. PHI Learning. С. 19–21. ISBN 978-8120324176.
6. Янг, Хью Д.; Роджер А. Фридман; А. Льюис Форд (2004) [1949]. «Электрический потенциал». Университетская физика Сирса и Земанского (11-е изд.). Сан-Франциско : Addison Wesley . С. 886–7. ISBN 0-8053-9179-7.