Как найти напряжение пробоя

Электрическое поле – это область пространства вокруг заряженной частицы, которая воздействует на другие заряженные частицы. Направление этого поля является направлением силы, которую поле будет оказывать на положительный пробный электрический заряд. Напряженность электрического поля составляет вольт на метр (В / м). Технически изоляторы не проводят электричество, но если электрическое поле достаточно велико, изолятор разрушается и проводит электричество.

Иногда это можно рассматривать как электрический разряд или дугу в воздухе между двумя электродами. Напряжение пробоя газа можно рассчитать по закону Пашена. Физика отличается для полупроводниковых диодов, где напряжение пробоя – это точка, в которой устройство начинает проводить в режиме обратного смещения.

Напряжение пробоя

Диоды и полупроводники

Диоды обычно изготавливаются из полупроводниковых кристаллов, обычно из кремния или германия. Примеси добавляются для создания области отрицательных носителей заряда (электронов) на одной стороне, создавая полупроводник n-типа, и положительных носителей заряда (дырок) для создания полупроводника p-типа на другой.

Когда материалы p-типа и n-типа сближаются, мгновенный поток заряда создает третью область или область обеднения, где нет носителей заряда. Ток течет, когда к р-стороне приложена достаточно большая разность потенциалов, чем к н-стороне.

Диод обычно имеет высокое сопротивление в обратном направлении и не позволяет электронам течь в этом режиме с обратным смещением. Когда обратное напряжение достигает определенного значения, это сопротивление падает, и диод проводит в режиме обратного смещения. Потенциал, при котором это происходит, называется напряжением пробоя.

Изоляторы

В отличие от проводников, у изоляторов есть электроны, которые тесно связаны с их атомами, которые сопротивляются свободному электронному потоку. Сила, удерживающая эти электроны на месте, не бесконечна, и при достаточном напряжении эти электроны могут получить достаточно энергии, чтобы преодолеть эти связи, и изолятор становится проводником. Пороговое напряжение, при котором это происходит, известно как напряжение пробоя или диэлектрическая прочность. В газе напряжение пробоя определяется законом Пашена.

Закон Пашена – это уравнение, которое дает напряжение пробоя как функцию атмосферного давления и длины зазора и записывается в виде

V _b = Bpd /]

где V _b – напряжение пробоя постоянного тока, p – давление газа, d – расстояние зазора в метрах, A и B – постоянные, которые зависят от окружающего газа, а γ _se – коэффициент вторичной электронной эмиссии. Коэффициент эмиссии вторичных электронов – это точка, в которой падающие частицы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении с другими частицами они вызывали эмиссию вторичных частиц.

Расчет пробивного напряжения воздуха на дюйм

Таблица напряжений пробоя воздушного зазора может использоваться для поиска напряжения пробоя для любого газа. Если справочное руководство отсутствует, расчет диэлектрической прочности для двух электродов, разделенных одним дюймом (2, 54 см), можно рассчитать с использованием закона Пашена, где

A = 112.50 (кПакм) ^-1

B = 2737, 50 В / (кПа.см) ^-1

γ _se = 0, 01

P = 101, 325 Па

Включение этих значений в приведенное выше уравнение дает

V _b = (2737, 50 × 101, 325 × 2, 54 × 10 ^-2) /

Это следует из того

V _b = 20, 3 кВ

Исходя из технических и физических таблиц, типичный диапазон напряжения пробоя в воздухе ожидается от 20 кВ до 75 кВ. Существуют и другие факторы, которые влияют на напряжение пробоя в воздухе, например, влажность, толщина и температура, следовательно, широкий диапазон.

Как найти пробивное напряжение формула

Пробой диэлектрика (нарушение электрической прочности) — это потеря изоляционных свойств материала при его нахождении в электрическом поле. При этом в диэлектрике образуется канал проводимости. При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства.

Электрическая прочность — это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.

где E_пр, В/м; U_пр – пробивное напряжение, В; d – толщина диэлектрика, м.

Кроме в В/м электрическую прочность часто выражают в МВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково: 1 МВ/м=10 6 В/м=1 кВ/мм.

Минимальное напряжение U_пр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

Различают следующие виды пробоя:

Ø полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому;

Ø неполный пробой (например, коронный разряд ) — канал проводимости не достигает одного из электродов;

Ø частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

При совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях, пробой может произойти не сквозь толщу одного из них, а по границе раздела фаз. Такой пробой называют поверхностным (поверхностным разрядом, или поверхностным перекрытием). Практически чаще всего изоляционная среда состоит из твердого диэлектрика и воздуха. В этом случае разряд происходит вдоль поверхности твердого диэлектрика в прилегающих слоях воздуха, и напряжение поверхностного разряда U _р будет ниже, чем U_np воздуха ( U _пр> U _р). При этом повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след-трекинг.

Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение U_пр от времени происходит из-за электрического старения изоляции — необратимых процессов под действием тепла и электрического поля.

Источник

Пробой диэлектриков

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика .

Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле

где d — толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Пробой жидких диэлектриков — явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. На рис. 5-13 показана зависимость изменения электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.

Рис. 5-13. Изменение электрической прочности трансформаторного масла от содержания в нем воды.

Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) подобно воде понижают электрическую прочность жидких диэлектриков.

Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 5-14).

Рис. 5-14. Зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от времени воздействия на него электрического поля.

Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных характеристик жидких диэлектриков (рис. 5-15 и 5-16).

Рис. 5-15. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами.
1 — плоскость против шара диаметром 125 мм; 2 — плоскость против острия.

Рис. 5-16. То же, что рис. 5-15, но для постоянного напряжения. Электроды острие — плоскость:
1 — острие отрицательное; 2 — острие положительное.

Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления (рис. 5-17). Зависимость пробивного напряжения от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей, что указывает на большое влияние газообразных примесей.

Рис. 5-17. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления при 50 Гц.1-невакуумированное масло; 2-вакуумированное масло.

При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.

Влияние температуры на пробивные характеристики жидких диэлектриков различно в зависимости от их химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загрязнений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко понижается.

Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессам пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий (авторы Н. Н. Семенов и А. Ф. Вальтер, Эдлер и др.) пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до с).
2. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин см).
3. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя.
4. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.
5. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.
2. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды (рис. 5-18).

Рис. 5-18. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от температуры (при тепловом пробое).

Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения (рис. 5-19).

Рис. 5-19. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от длительности приложенного напряжения (при тепловом пробое).

Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.

Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика (рис. 5-20).

Рис. 5-20. Зависимость пробивного напряжения от температуры для электротехнического фарфора (а — точка перехода к тепловому пробою).

Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.

Согласно выводам теории теплового пробоя твердых диэлектриков (В. А. Фок, Н. Н. Семенов) можно подсчитать величину пробивного напряжения для простых электроизоляционных конструкций (пластины) по формулам

а) для постоянного напряжения

б) для переменного напряжения

где — функция величины,

— коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; — коэффициент теплопроводности электродов, Дж/(с м °С); — коэффициент теплопроводности диэлектрика Дж/(с м °С); h — половина толщины диэлектрика, м; — толщина электрода, м; а — постоянная, характеризующая рост проводимости диэлектрика с температурой; — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); — тангенс угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); f — частота, Гц.

По известным значениям вычисляют величину с и, воспользовавшись графиком (рис. 5-21), находят .

Рис. 5-21. Значения функции. К расчету пробивного напряжения твердого диэлектрика при тепловом пробое (по В. А. Фоку).

При неограниченном возрастании с величина стремится к пределу, равному 0,66.

Источник

Основные расчетные выражения и необходимые пояснения

Электрическая прочность диэлектриков

Основные расчетные выражения и необходимые пояснения

Электрической прочностью, E_пр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой изоляционного промежутка. Напряжение, при котором происходит электрический пробой, называют «пробивным напряжением», U_пр.

(6.1.)

где h- толщина диэлектрика (изоляционный промежуток между электродами, разрядный промежуток).

Пробивное напряжение зависит от размера разрядного промежутка. При увеличении промежутка пробивное напряжение возрастает, а электрическая прочность снижается.

Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности материала при воздействии высокого напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости через этот канал.

Механизмы развития разряда в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках различны

При электрическом пробое большого газового промежутка последовательно развиваются следующие явления:

I. Появление свободного электрона в газовом промежутке (случайного, из металлического электрода, в результате фотоионизации молекулы газа и т.п.)

II. Разгон свободного электрона электрическим полем до энергии, достаточной для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом ионизировать последний (ударная ионизация).

III. Развитие электронной лавины как следствие множественных актов ударной ионизации.

IV. Рост стримера – проводящего плазменного канала, формирующегося из положительных ионов, оставшихся после прохождения лавины, и отрицательных зарядов, втягиваемых в положительную плазму.

V. Преобразование стримера в лидер за счет термоионизации, вызываемой прохождением емкостного тока по стримеру.

VI. Главный разряд происходит при замыкании каналом разряда разрядного промежутка.

При малых промежутках процесс пробоя может завершиться на стадиях III (лавинный пробой) и IV (стримерный пробой, искра).

Электрическая прочность газов зависит:

А) от давления. (При увеличении давления уменьшаются расстояния между молекулами. Разгоняющемуся электрону необходимо на более коротком пути разгона (называемого длиной свободного пробега) получить ту же энергию, достаточную для ионизации атома. Эта энергия определяется в первую очередь конечной (в момент соударения) скоростью электрона. Большего ускорения электрон может достичь за счет увеличения действующей на него силы – напряженности электрического поля. Экспериментальная зависимость пробивного напряжения газового промежутка от произведения давления «р» на величину промежутка «h» называется законом Пашẻна. Минимальное значение пробивного напряжения для воздуха при ph=0,7Па×м составляет примерно 330 В. Левее указанного значения ph электрическая прочность возрастает из-за малой вероятности столкновения электронов с молекулами газа.); кривая Пашена представлена на рис. 6.1

Рис 6.1.Кривая Пашẻна для лавинного пробоя воздушного промежутка

10 Па·м и более можно пользоваться следующей приближенной формулой для расчета пробивного напряжения

(6.2.)

где параметры a₀ и b₀ зависят от сорта газа:

Здесь предполагается давление p₀ =101,3 кПа, температура T₀ = 293 К.

При изменении температуры и давления предыдущая формула слегка модифицируется

, где (6.3.)

Б) От сродства молекулы газа к электрону, электроотрицательности газа. (Сродство к электрону – это способность некоторых нейтральных атомов и молекул присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы. В электроотрицательных газах, состоящих из атомов с высоким сродством к электрону, требуется бǒльшая энергия разгона электронов полем для образования электронной лавины).

Электрическая прочность жидкого диэлектрика не связана непосредственно с химическим строением жидкостей. Из-за близкого расположения молекул в жидком диэлектрике не реализуется механизм ударной ионизации.

На значение электрической прочности влияет в первую очередь количество газа в жидкости, состояние и площадь поверхности электродов

Электрический пробой жидкого диэлектрика начинается, как правило, с пробоя микроскопических газовых пузырьков. Из-за низкой диэлектрической проницаемости газа напряженность в пузырьке выше, чем в жидкости. А электрическая прочность газа – ниже.

Частичные разряды в пузырьках приводят к росту последних, что в итоге завершается пробоем жидкого диэлектрика.

Электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается при:

— очистке от твердых проводящих микрочастиц (сажа, уголь и т.п.);

— сушке жидкости (удалении воды);

— дегазации жидкости (вакууммировании);

Для учета давления Р и площади электродов S используется обобщение эмпирических зависимостей в виде формулы Мартина.

(6.4.)

где постоянная M зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса τ следует подставлять в микросекундах, давление в атм., а площадь электродов S — в см 2 . Постоянная М составляет 0,7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0,6 МВ/см для глицерина, 0,5 МВ/см для этилового спирта, 0,6 МВ/см для воды (в случае пробоя с катода) и 0,3 МВ/см (в случае пробоя с анода).

Механизмы пробоя твердых диэлектриков зависят от времени воздействия напряжения (с момента подачи до пробоя), определяющим физические процессы, происходящие при этом воздействии. Различают:

— электрический пробой (время воздействия – доли секунды);

— тепловой пробой (время воздействия от секунд до часов);

— пробой под действием частичных разрядов (время воздействия от нескольких часов до года и более).

При электрическом пробое твёрдого диэлектрика под действием приложенного напряжения разрываются химические связи, и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорциональна энергии химических связей.

Причиной теплового пробоя является разогрев диэлектрика, чаще всего за счет диэлектрических потерь, когда мощность потерь превышает мощность, отводимую от диэлектрика.

При повышении температуры увеличиваются электропроводность (за счет увеличения числа носителей) и угол диэлектрических потерь, что приводит к дополнительному росту энерговыделения, и снижению электрической прочности.

Частичным разрядом, ЧР называют разряд, проходящий в какой-либо ограниченной области изоляционного промежутка, и не замыкающий весь промежуток. Одним из примеров частичного разряда является коронный разряд в газах в неравномерном электрическом поле, когда стримером пробивается лишь область вблизи электрода с напряженностью поля выше электрической прочности газа (например, у провода высоковольтной линии электропередачи). В твердых телах ЧР – это локальный многолавинный разряд в газовой поре диэлектрика.

Для возникновения частичного разряда в твердом диэлектрике необходимы два условия:

— наличие воздушного включения, напряженность поля в котором выше, чем в самом диэлектрике;

— напряжение, приложенное к диэлектрику, должно быть достаточным для того, чтобы напряженность поля в воздушном включении превысила пробивную.

При переменном поле, приложенном к диэлектрику, частичные разряды возникают на каждом полупериоде при достижении напряжением пробивного значения. Длительные периодические ЧР химически разрушают диэлектрик, увеличивают диэлектрические потери, что в конечном итоге приводит к пробою диэлектрика.

Для определения напряжённости поля, изоляции коаксиального кабеля можно использовать выражение:

(6.5.)

где r – расстояние от оси кабеля до точки в изоляции, r₂ — радиус внешнего электрода, r₁ – радиус внутреннего электрода.

Источник

Так, по-порядку.
1. Пробой любого вещества происходит при достижении определенной напряженности электрического поля [кВ/см]. Это значение еще называют электрической прочностью материала.

Например, у воздуха при атмосферном давлении она 33кВ/см. То есть при расстоянии между электродами 1см напряжение пробоя составит около 33кВ (это факт). При уменьшении расстояния в 2 раза – напряжение так же снизится в 2 раза.

2. Но эта зависимость не всегда линейная. Она описывается законом Пашена. Согласно этому закону напряжение пробоя зависит от произведения p*d – давления газа на расстояние между электродами. Если взглянешь на кривую Пашена, то заметишь, что при маленьком расстоянии (или давлении) закон перестает быть линейным и напряжение пробоя наоборот – начинает расти.

3. Фактически пробой так же зависит от формы электродов. Так, на острых электродах (твои гвозди) можно получить напряжение пробоя несколько меньше, чем по закону Пашена (плоские электроды).

4. Да, напряжение пробоя зависит от диэлектрической проницаемости вещества. Но нельзя однозначно сказать, что если у двух веществ в 2 раза отличается проницаемость, то и напряжение пробоя будет отличаться в 2 раза. Это возможно только у веществ со схожей решеткой. Если будешь сравнивать газ и, например, твердое тело – такого точно не будет.
Вот тут почитай
https://cyberleninka.ru/article/v/elektricheskaya-prochnost-dielektrikov-i-ih-dielektricheskaya-pronitsaemost
5. В твоем случае можно:
а) Использовать известные значения электрической прочности материалов. гугл в помощь – при известном расстоянии найдешь напряжение пробоя. (для газов гугли кривые Пашена)
б) Проводить эксперимент для каждого интересующего вещества. Получил напряжение пробоя при одном расстоянии – можешь с уверенностью сказать, что при изменении этого расстояния напряжение пробоя изменится пропорционально.

From Wikipedia, the free encyclopedia

The breakdown voltage of an insulator is the minimum voltage that causes a portion of an insulator to experience electrical breakdown and become electrically conductive.

For diodes, the breakdown voltage is the minimum reverse voltage that makes the diode conduct appreciably in reverse. Some devices (such as TRIACs) also have a forward breakdown voltage.

Electrical breakdown[edit]

Materials are often classified as conductors or insulators based on their resistivity. A conductor is a substance which contains many mobile charged particles called charge carriers which are free to move about inside the material. An electric field is created across a piece of the material by applying a voltage difference between electrical contacts on different sides of the material. The force of the field causes the charge carriers within the material to move, creating an electric current from the positive contact to the negative contact. For example, in metals one or more of the negatively charged electrons in each atom, called conduction electrons, are free to move about the crystal lattice. An electric field causes a large current to flow, so metals have low resistivity, making them good conductors. In contrast in materials like plastics and ceramics all the electrons are tightly bound to atoms, so under normal conditions there are very few mobile charge carriers in the material. Applying a voltage causes only a very small current to flow, giving the material a very high resistivity, and these are classed as insulators.

However, if a strong enough electric field is applied, all insulators become conductors. If the voltage applied across a piece of insulator is increased, at a certain electric field strength the number of charge carriers in the material suddenly increases enormously and its resistivity drops, causing a strong current to flow through it. This is called electrical breakdown. Breakdown occurs when the electric field becomes strong enough to pull electrons from the molecules of the material, ionizing them. The released electrons are accelerated by the field and strike other atoms, creating more free electrons and ions in a chain reaction, flooding the material with charged particles. This occurs at a characteristic electric field strength in each material, measured in volts per centimeter, called its dielectric strength.

When a voltage is applied across a piece of insulator, the electric field at each point is equal to the gradient of the voltage. The voltage gradient may vary at different points across the object, due to its shape or local variations in composition. Electrical breakdown occurs when the field first exceeds the dielectric strength of the material in some region of the object. Once one area has broken down and become conductive, that area has almost no voltage drop and the full voltage is applied across the remaining length of the insulator, resulting in a higher gradient and electric field, causing additional areas in the insulator to break down. The breakdown quickly spreads in a conductive path through the insulator until it extends from the positive to the negative contact. The voltage at which this occurs is called the breakdown voltage of that object. Breakdown voltage^[1] varies with the material composition, shape of an object, and the length of material between the electrical contacts.

Solids[edit]

Breakdown voltage is a characteristic of an insulator that defines the maximum voltage difference that can be applied across the material before the insulator conducts. In solid insulating materials, this usually^{[citation needed]} creates a weakened path within the material by creating permanent molecular or physical changes by the sudden current. Within rarefied gases found in certain types of lamps, breakdown voltage is also sometimes called the striking voltage.^[2]

The breakdown voltage of a material is not a definite value because it is a form of failure and there is a statistical probability whether the material will fail at a given voltage. When a value is given it is usually the mean breakdown voltage of a large sample. Another term is withstand voltage, where the probability of failure at a given voltage is so low it is considered, when designing insulation, that the material will not fail at this voltage.

Two different breakdown voltage measurements of a material are the AC and impulse breakdown voltages. The AC voltage is the line frequency of the mains. The impulse breakdown voltage is simulating lightning strikes, and usually uses a 1.2 microsecond rise for the wave to reach 90% amplitude, then drops back down to 50% amplitude after 50 microseconds.^[3]

Two technical standards governing performing these tests are ASTM D1816 and ASTM D3300 published by ASTM.^[4]

Gases and vacuum[edit]

In standard conditions at atmospheric pressure, air serves as an excellent insulator, requiring the application of a significant voltage of 3.0 kV/mm before breaking down (e.g., lightning, or sparking across plates of a capacitor, or the electrodes of a spark plug). In partial vacuum, this breakdown potential may decrease to an extent that two uninsulated surfaces with different potentials might induce the electrical breakdown of the surrounding gas. This may damage an apparatus, as a breakdown is analogous to a short circuit.

In a gas, the breakdown voltage can be determined by Paschen’s law.

The breakdown voltage in a partial vacuum is represented as^[5][6][7]

where is the breakdown potential in volts DC, and are constants that depend on the surrounding gas, represents the pressure of the surrounding gas, represents the distance in centimetres between the electrodes,^{[clarification needed]} and represents the Secondary Electron Emission Coefficient.

A detailed derivation, and some background information, is given in the article about Paschen’s law.

Diodes and other semiconductors[edit]

Breakdown voltage is a parameter of a diode that defines the largest reverse voltage that can be applied without causing an exponential increase in the leakage current in the diode. Exceeding the breakdown voltage of a diode, per se, is not destructive; although, exceeding its current capacity will be. In fact, Zener diodes are essentially just heavily doped normal diodes that exploit the breakdown voltage of a diode to provide regulation of voltage levels.

Rectifier diodes (semiconductor or tube/valve) may have several voltage ratings, such as the peak inverse voltage (PIV) across the diode, and the maximum RMS input voltage to the rectifier circuit (which will be much less).

Many small-signal transistors need to have any breakdown currents limited to much lower values to avoid excessive heating. To avoid damage to the device, and to limit the effects excessive leakage current may have on the surrounding circuit, the following bipolar transistor maximum ratings are often specified:

V_CEO (sometimes written BV_CEO or V_(BR)CEO)

The maximum voltage between collector and emitter that can be safely applied (and with no more than some specified leakage current, often) when no circuit at the base of the transistor is there to remove collector-base leakage. Typical values: 20 volts to as high as 700 volts; very early Germanium point-contact transistors such as the OC10 had values around 5 volts or less.

V_CBO

The maximum collector-to-base voltage, with emitter open-circuit. Typical values 25 to 1200 volts.

V_CER

The maximum voltage rating between collector and emitter with some specified resistance (or less) between base and emitter. A more realistic rating for real-world circuits than the open-base or open-emitter scenarios above.

V_EBO

The maximum reverse voltage on the base with respect to the emitter. Typically around 5 volts – more for germanium transistors, less for UHF transistors usually.

V_CES

Collector to emitter rating when base is shorted to emitter; equivalent to V_CER when R = 0.

V_CEX

Collector to emitter rating when a specific base-emitter voltage is supplied, such as in some high voltage switching scenarios.

Field-effect transistors have similar maximum ratings, the most important one for junction FETs is the gate-drain voltage rating.

Some devices may also have a maximum rate of change of voltage specified.

Electrical apparatus[edit]

Power transformers, circuit breakers, switchgear and other electrical apparatus connected to overhead transmission lines are exposed to transient lightning surge voltages induced on the power circuit. Electrical apparatus will have a basic lightning impulse level (BIL) specified. This is the crest value of an impulse waveform with a standardized wave shape, intended to simulate the electrical stress of a lightning surge or a surge induced by circuit switching. The BIL is coordinated with the typical operating voltage of the apparatus. For high-voltage transmission lines, the impulse level is related to the clearance to ground of energized components. As an example, a transmission line rated 138 kV would be designed for a BIL of 650 kV. A higher BIL may be specified than the minimum, where the exposure to lightning is severe.^[8]

See also[edit]

References[edit]

Наличие
максимумов коэффициента диэлектрических
потерь на определенных частотах
ограничивает применение полярных
диэлектриков в высоко частотных полях.
Так, в качестве изоляции в высокочастотных
радиокабелях типа РК-75 используется
полиэтилен с неполярными молекулами.
В силовых проводах типа АППВ в качестве
материала изоля-ции используется
полихлорвинил с полярными молекулами.
Если в радиокабеле вместо полиэтилена
использовать полихлорвинил, то при
рабочих частотах – десятки и сотни
мегагерц – потери будут настолько
велики, что сигнал по кабелю проходить
не будет. Напротив, в силовом кабеле
недопустимо использовать в качестве
изоляции полиэтилен, поскольку у
материалов с неполярными молекулами
прочность существенно ниже, чем у
материалов с полярными молекулами.

Под
пробоем диэлектриков понимают потерю
ими диэлектрических свойств. Принято
различать напряжение пробоя (Uпр) и
электрическую прочность (Епр). 
Напряжение
пробоя это то напряжение, при котором
резко снижается удельное сопротивление
материа-ла изделия. Рабочее напряжение
должно быть ниже напряжения пробоя в
2,5 – 4 раза. Электрической прочностью
называют напряженность электрического
поля, при которой происходит пробой. В
однородном поле электрическая прочность
определяется как отношение напряжения
пробоя к толщине материала. В неоднородных
полях под Епр понимают среднюю
напряженность электрического поля.
В
твердых диэлектриках после пробоя
нередко остается прожженное отверстие,
вокруг которого наблюдается область
частичного разложения и оплавления
материала. При повторном приложении
электрического поля пробой в этой
области наблюдается при меньшей
напряженности поля. Поэтому пробой
изоляции из твердых диэлектри-ков
проводит к выходу электрической машины
или аппарата из строя. Высокая подвижность
молекул жидких и газооб-разных диэлектриков
приводит к восстановлению свойств
изоляции после пробоя. В этом смысле
газообразные или жидкие диэлектрики
надежнее, чем твердые, хотя их
электропрочность ниже.
Причины пробоя
различных диэлектриков определяются
как природой материала, так и конструкцией
изоляторов и условиями их работы.
Различают три основных вида пробоя:
электрический, электротепловой и
электрохимический.

33) Кислотное число

Трансформаторное
масло используется
в силовых трансформаторах для отвода
тепла от обмоток и магнитопровода, а
также в качестве электроизоляционного
материала. Основа для производства
трансформаторного масла – нефть. Также
изготовление масла возможно из
синтезированных жидких
диэлектриков.

Основные
требования, которые предъявляются к
трансформаторному маслу, это хорошие
диэлектрические свойства и высокая
теплопроводность. Эти характеристики
в свою очередь оцениваются вполне
конкретными физическими параметрами:

Кислотное
число 

Кислотное
число показывает
степень старения масла по наличию в нём
кислых соединений. Измеряется в
миллиграммах едкого калия КОН, необходимого
для нейтрализации свободных кислот в
1 грамме масла. Кислотное число
трансформаторного масла должно быть
не более 0,25 миллиграммов едкого калия
на 1 грамм масла.

Своевременное
измерение кислотного числа позволяет
предупредить появление в масле
нерастворимых продуктов глубокого окисления,
предотвратить коррозию металла и
старение изоляции.

Водорастворимые кислотные
соединения,
содержащиеся в масле, свидетельствуют
о нарушении технологии производства
и/или окислении в процессе эксплуатации.
Их наличие определяется по изменению
цвета водного раствора метилоранжа.
При положительной реакции
производится восстановление масла.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #