Электричество высокого напряжения относится к электрическому потенциалу, достаточно большому, чтобы вызвать травму или ущерб. В некоторых отраслях под высоким напряжением понимается напряжение выше определенного порога. К оборудованию и проводникам , находящимся под высоким напряжением, предъявляются особые требования и процедуры 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 фотоумножительных трубках , в вакуумных лампах усилителей большой мощности , а также в других промышленных устройствах. , военное и научное применение.
Численное определение высокого напряжения зависит от контекста. При классификации напряжения как высокого напряжения учитываются два фактора: 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 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 электроэнергетических систем с частотой 60 Гц и напряжением более 100 В. В частности, ANSI C84.1-2020 определяет высокое напряжение как от 115 до 230 кВ, сверхвысокое напряжение как от 345 кВ до 765 кВ и сверхвысокого напряжения до 1100 кВ. [2] Британский стандарт BS 7671 :2008 определяет высокое напряжение как любую разность напряжений между проводниками, превышающую 1000 В переменного тока или 1500 В постоянного тока без пульсаций, или любую разницу напряжений между проводником и землей, превышающую 600 В переменного тока или 900 В. постоянный ток без пульсаций. [3]
В некоторых юрисдикциях электрики могут иметь лицензию только на определенные классы напряжения. [4] Например, электротехническая лицензия для специализированной субторговли, такой как установка систем отопления , вентиляции и кондиционирования, систем пожарной сигнализации , систем замкнутого телевидения , может быть разрешена для установки систем с напряжением до 30 В между проводниками, и может быть не разрешена. для работы в цепях сетевого напряжения. Широкая общественность может считать, что бытовые сети (от 100 до 250 В переменного тока), которые несут самые высокие напряжения, с которыми они обычно сталкиваются, являются высоковольтными .
Напряжения выше примерно 50 В обычно могут вызвать протекание опасного количества тока через человека, который касается двух точек цепи, поэтому стандарты безопасности в отношении 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 технике передачи электроэнергии сверхвысокое напряжение классифицируется как напряжение в диапазоне 345 000–765 000 В. [6] В электронных системах источник питания, обеспечивающий напряжение более 275 000 вольт, называется источником питания сверхвысокого напряжения и часто используется в экспериментах по физика. Ускоряющее напряжение для телевизионной электронно-лучевой трубки можно охарактеризовать как сверхвысокое напряжение или сверхвысокое напряжение (EHT) по сравнению с другими источниками напряжения в оборудовании. Этот тип питания находится в диапазоне от 5 кВ до примерно 30 кВ.
Обычные статические электрические искры , наблюдаемые в условиях низкой влажности, всегда связаны с напряжением значительно выше 700 В. Например, искры на дверях автомобиля зимой могут возникать с напряжением до 20 000 В. [7]
Электростатические генераторы, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшерста, могут создавать напряжение, приближающееся к миллиону вольт при нагрузке в несколько ампер, но обычно они не работают достаточно долго, чтобы нанести ущерб. Индукционные катушки работают по принципу обратного хода, в результате чего напряжение превышает коэффициент трансформации, умноженный на входное напряжение. Обычно они производят 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, создаваемого индукционной катушкой. Он генерирует постоянный ток, используя диодные переключатели для зарядки лестницы конденсаторов. Катушки Теслы используют резонанс, легки и не требуют полупроводников.
Искры самого большого размера – это те, которые естественным образом возникают от молнии . Средняя вспышка отрицательной молнии несет ток от 30 до 50 килоампер, передает заряд в 5 кулонов и рассеивает 500 мегаджоулей энергии (120 кг тротилового эквивалента , что достаточно, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку в течение примерно 2 месяцев). Однако средний разряд положительной молнии (из вершины грозы) может проводить 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 в тротиловом эквиваленте, или достаточно энергии, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку на срок до 95 лет). Отрицательный удар молнии обычно длится всего несколько десятков микросекунд, но часто встречаются множественные удары. Положительный удар молнии обычно представляет собой единичное событие, но больший пиковый ток может течь в течение сотен миллисекунд, что делает его значительно более энергичным, чем отрицательная молния.
Диэлектрическая прочность сухого воздуха при стандартной температуре и давлении (STP) между сферическими электродами составляет примерно 33 кВ/см. [8] Это лишь приблизительная оценка, поскольку фактическое напряжение пробоя сильно зависит от формы и размера электрода. Сильные электрические поля (от высокого напряжения, приложенного к маленьким или заостренным проводникам) часто вызывают в воздухе коронные разряды фиолетового цвета , а также видимые искры. Напряжения ниже 500–700 вольт не могут вызывать 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 возникают при гораздо более низких напряжениях. От 500 до 700 вольт не является фиксированным минимумом для возникновения искрового пробоя, но это практическое правило. Для воздуха на STP минимальное напряжение искрового пробоя составляет около 327 вольт, как заметил Фридрих Пашен . [9]
Хотя более низкие напряжения, как правило, не преодолевают зазор, который присутствует до подачи напряжения, прерывание существующего тока с помощью зазора часто приводит к образованию низковольтной искры или дуги . Поскольку контакты разъединяются, несколько небольших точек соприкосновения отделяются последними. Ток сужается в этих маленьких горячих точках , заставляя их накаляться и испускать электроны (посредством термоэлектронной эмиссии ). Благодаря этому механизму даже небольшая батарейка на 9 В может заметно искрить в затемненном помещении. Ионизированный воздух и пары металла (из контактов) образуют плазму , которая временно перекрывает расширяющийся зазор. Если источник питания и нагрузка пропускают достаточный ток, может образоваться самоподдерживающаяся дуга . После формирования дуга может быть удлинена на значительную длину, прежде чем разорвать цепь. Попытка разомкнуть индуктивную цепь часто приводит к образованию дуги, поскольку индуктивность обеспечивает импульс высокого напряжения при каждом прерывании тока. Системы переменного тока несколько снижают вероятность образования устойчивой дуги, поскольку ток возвращается к нулю дважды за цикл. Дуга гаснет каждый раз, когда ток проходит через ноль , и должна повторно зажечься в течение следующего полупериода, чтобы сохранить дугу.
В отличие от омического проводника сопротивление дуги уменьшается с увеличением тока. Это делает непреднамеренные дуги в электрическом устройстве опасными, поскольку даже небольшая дуга может вырасти достаточно большой, чтобы повредить оборудование и вызвать пожар, если имеется достаточный ток. Намеренно создаваемые дуги, например, используемые при освещении или сварке , требуют наличия некоторого элемента в цепи для стабилизации характеристик тока/напряжения дуги.
В линиях передачи и распределения электроэнергии обычно используется напряжение от десятков до сотен киловольт. Линии могут быть надземными или подземными. Высокое напряжение используется в распределении электроэнергии для уменьшения омических потерь при транспортировке электроэнергии на большие расстояния.
Его используют в производстве полупроводников для напыления тонких слоев металлических пленок на поверхность пластины . Его также используют для электростатического флокирования для покрытия предметов небольшими волокнами, стоящими на краях.
Искровые разрядники исторически использовались как ранняя форма радиопередачи. Точно так же разряды молний в атмосфере Юпитера считаются источником мощных радиочастотных излучений планеты. [10]
Высокие напряжения использовались в знаковых экспериментах и открытиях в области химии и физики элементарных частиц. Электрические дуги использовались для выделения и открытия элемента аргона из атмосферного воздуха. Индукционные катушки приводили в действие ранние рентгеновские трубки. Мозли использовал рентгеновскую трубку для определения атомного номера ряда металлических элементов по спектру, излучаемому при использовании в качестве анодов. Высокое напряжение используется для генерации электронных лучей в микроскопии . Кокрофт и Уолтон изобрели умножитель напряжения для преобразования атомов лития в оксиде лития в гелий путем ускорения атомов водорода.
Напряжения более 50 В, приложенные к сухой неповрежденной коже человека, могут вызвать фибрилляцию сердца , если они производят электрические токи в тканях тела, которые проходят через область грудной клетки . Напряжение, при котором возникает опасность поражения электрическим током , зависит от электропроводности сухой кожи человека. Живые ткани человека можно защитить от повреждений благодаря изолирующим свойствам сухой кожи при напряжении до 50 Вольт. Если та же самая кожа намокнет, при наличии ран или если на электроды , проникающие в кожу, будет подано напряжение, то даже источники напряжения ниже 40 В могут оказаться смертельными.
Случайный контакт с любым источником высокого напряжения, обеспечивающим достаточную энергию, может привести к серьезной травме 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, возникшей в результате случайного контакта. Эти ожоги могут быть особенно опасны, если затронуты дыхательные пути пострадавшего. Травмы также могут быть получены в результате воздействия физических сил, испытываемых людьми, которые падают с большой высоты или отбрасываются на значительное расстояние.
Воздействие низкого напряжения высокого напряжения может быть безвредным, например, искра, возникающая в сухом климате при прикосновении к дверной ручке после прогулки по ковровому полу. Напряжение может находиться в диапазоне тысяч вольт, но средний ток низкий.
Стандартные меры предосторожности во избежание травм включают работу в условиях, исключающих прохождение электрической энергии через тело, особенно через область сердца, например, между руками или между рукой и ногой. Электричество может течь между двумя проводниками в оборудовании высокого напряжения, и тело может замыкать цепь. Чтобы этого не произошло, работник должен носить изолирующую одежду, например резиновые перчатки, использовать изолированные инструменты и не прикасаться к оборудованию более чем одной рукой одновременно. Электрический ток также может течь между оборудованием и заземлением. Чтобы предотвратить это, работник должен стоять на изолированной поверхности, например, на резиновом коврике. Защитное оборудование регулярно проверяется, чтобы гарантировать, что оно по-прежнему защищает пользователя. Правила испытаний различаются в зависимости от страны. Испытательные компании могут проводить испытания напряжением до 300 000 В и предлагать услуги от тестирования перчаток до тестирования на приподнятых рабочих платформах (или EWP).
Контакт или близкое приближение к линейным проводникам 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 подвергаются фатальному контакту с воздушными проводами. Несанкционированные лица, взбирающиеся на опоры электропередач или электрооборудование, также часто становятся жертвами поражения электрическим током. [11] При очень высоких напряжениях передачи даже близкое приближение может быть опасным, поскольку высокое напряжение может вызвать дугу через значительный воздушный зазор.
Копание закопанного кабеля также может быть опасным для рабочих на месте раскопок. Землеройное оборудование (ручные инструменты или машинный привод), которое контактирует с закопанным кабелем, может привести к тому, что трубопроводы или земля на участке окажется под напряжением, что приведет к поражению электрическим током находящихся рядом рабочих. Неисправность высоковольтной линии электропередачи или подстанции может привести к протеканию сильных токов по поверхности земли, вызывая повышение потенциала земли , что также представляет опасность поражения электрическим током.
На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения специально обученный персонал использует методы « линии под напряжением », позволяющие осуществлять непосредственный контакт с оборудованием, находящимся под напряжением. В этом случае рабочий электрически подключен к линии высокого напряжения , но тщательно изолирован от земли, так что он имеет тот же электрический потенциал, что и линия. Поскольку обучение таким операциям является длительным и по-прежнему представляет опасность для персонала, техническому обслуживанию под напряжением подлежат только очень важные линии электропередачи. За пределами этих правильно спроектированных ситуаций изоляция от земли не гарантирует отсутствие тока на землю, поскольку заземление или искрение на земле могут произойти неожиданным образом, а высокочастотные токи могут обжечь даже незаземленного человека. По этой причине прикосновение к передающей антенне опасно, а высокочастотная катушка Теслы может поддерживать искру только с одной конечной точкой.
Защитное оборудование на линиях электропередачи высокого напряжения обычно предотвращает образование нежелательной дуги или обеспечивает ее гашение в течение десятков миллисекунд. Электрический аппарат, разрывающий цепи высокого напряжения, предназначен для безопасного направления образующейся дуги так, чтобы она рассеялась без повреждений. В высоковольтных выключателях часто используется струя воздуха под высоким давлением, специальный диэлектрический газ (например, SF 6 под давлением) или погружение в минеральное масло для гашения дуги при разрыве цепи высокого напряжения.
Электропроводка такого оборудования, как рентгеновские аппараты и лазеры, требует осторожности. Секция высокого напряжения физически удалена от стороны низкого напряжения, чтобы уменьшить вероятность образования дуги между ними. Чтобы избежать корональных потерь, проводники делаются как можно короче и без острых концов. В случае изоляции пластиковое покрытие не должно содержать пузырьков воздуха, которые приводят к возникновению корональных разрядов внутри пузырьков.
Высокое напряжение не обязательно опасно, если оно не может обеспечить значительный ток . Несмотря на то, что электростатические машины, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшерста, производящие напряжение, приближающееся к миллиону вольт, они оказывают кратковременное воздействие. Это происходит потому, что ток мал, например, движется лишь относительно небольшое количество электронов. Эти устройства имеют ограниченное количество запасенной энергии, поэтому средний производимый ток невелик и обычно длится короткое время, с пиком импульсов в диапазоне 1 А в течение наносекунды. [12] [13]
Разряд может включать чрезвычайно высокое напряжение в течение очень коротких периодов времени, но для того, чтобы вызвать фибрилляцию сердца, источник электропитания должен создавать значительный ток в сердечной мышце, продолжающийся в течение многих миллисекунд , и должен выделять общую энергию в диапазоне по крайней мере миллиджоулей или выше. Поэтому относительно высокий ток при напряжении более пятидесяти вольт может быть значимым с медицинской точки зрения и потенциально смертельным.
Во время разряда эти машины подают на тело высокое напряжение всего на миллионную долю секунды или меньше. Таким образом, слабый ток подается в течение очень короткого времени, а количество участвующих электронов очень мало.
Несмотря на то, что катушки Теслы внешне кажутся похожими на генераторы Ван де Граафа, они не являются электростатическими машинами и могут непрерывно производить значительные радиочастотные токи. Ток, подаваемый в тело человека, будет относительно постоянным, пока сохраняется контакт, в отличие от электростатических машин, которым обычно требуется больше времени для накопления заряда, а напряжение будет намного выше, чем напряжение пробоя человеческой кожи. Как следствие, выходная мощность катушки Теслы может быть опасной или даже смертельной.
В зависимости от предполагаемого тока короткого замыкания, имеющегося в составе распределительного устройства , возникает опасность для обслуживающего и эксплуатационного 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 незащищенных работников. Такие комплекты распределительных устройств и источники дуги высокой энергии обычно присутствуют на подстанциях и электростанциях электроэнергетических предприятий, 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 предоставляет стандарты для защитной одежды, необходимой для электроработников, подвергающихся таким опасностям на рабочем месте.
Даже напряжение, недостаточное для разрушения воздуха, может дать достаточно энергии для воспламенения атмосферы, содержащей горючие газы или пары или взвешенную пыль. Например, газообразный водород, природный газ или бензин/ пары 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 взрывозащиты стали более единообразными в европейской и североамериканской практике. «Зонная» система классификации теперь используется в измененной форме в Национальных электротехнических правилах США и в Канадских электротехнических правилах . Искробезопасное оборудование теперь одобрено для использования в Северной Америке.
Электрические разряды, в том числе частичные и коронные , могут выделять 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 отличить по характерному запаху или цвету, поэтому время контакта можно свести к минимуму. Оксид азота невидим, но имеет сладкий запах. В течение нескольких минут он окисляется до диоксида азота , который имеет желтый или красновато-коричневый цвет в зависимости от концентрации и пахнет газообразным хлором, как бассейн. Озон невидим, но имеет резкий запах, как воздух 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 по людям или имуществу. Однако молния также может создавать опасные градиенты напряжения в земле, а также электромагнитный импульс и может заряжать протяженные металлические объекты, такие как телефонные кабели, заборы и трубопроводы, до опасного напряжения, которое может переноситься на многие мили от места удара. . Хотя многие из этих объектов обычно не являются проводящими, очень высокое напряжение может вызвать электрический пробой таких изоляторов, заставляя их действовать как проводники. Эти передаваемые потенциалы опасны для людей, домашнего скота и электронного оборудования. Удары молний также вызывают пожары и взрывы, которые приводят к гибели людей, травмам и материальному ущербу. Например, каждый год в Северной Америке тысячи лесных пожаров возникают из-за ударов молний.
Меры по контролю за молнией могут снизить опасность; к ним относятся громоотводы , экранирующие провода, а также соединение электрических и структурных частей зданий с образованием сплошного ограждения.
