Высокое напряжение

Высокое напряжение может привести к электрическому пробою , что приведет к электрическому разряду, о чем свидетельствуют плазменные нити, текущие из катушки Тесла .

Лаборатория высокого напряжения Джабалпурского инженерного колледжа (JEC)

Под электричеством высокого напряжения понимается электрический потенциал, достаточно большой, чтобы вызвать травму или повреждение. В некоторых отраслях под высоким напряжением понимается напряжение выше определенного порога. Оборудование и проводники , на которых установлено высокое напряжение, требуют особых 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 вакуумных лампах усилителей высокой мощности , а также в других промышленных устройствах. военные и научные приложения.

Определение [ править ]

Числовое 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 партнеры ( ИЭППЫ , IEEE , VDE и т.д.) определяют высокое напряжение , как указаны выше 1000  V для переменного тока , и по меньшей мере 1500 В для постоянного тока . ^[1]

В Соединенных Штатах Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определяет высокое напряжение как более 100–230 кВ. ^[2] Британский стандарт BS 7671 : 2008 определяет высокое напряжение как любую разницу 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]

Электрики могут иметь лицензию только на определенные классы напряжения в некоторых юрисдикциях. ^[4] Например, лицензия на электрооборудование для специализированной подотрасли, такой как установка систем отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха, систем пожарной сигнализации, систем замкнутого телевидения , может быть разрешена для установки систем, находящихся под напряжением только до 30 вольт между проводниками, и может быть не разрешена. для работы в цепях сетевого напряжения. Обычные люди могут рассматривать бытовые электросети (от 100 до 250 В переменного тока), в которых присутствует самое высокое напряжение, с которым они обычно сталкиваются, как с высоким напряжением .

Напряжения выше примерно 50 вольт обычно могут вызвать опасное количество тока, протекающего через человека, который касается двух точек цепи, поэтому стандарты безопасности более строгие в отношении таких цепей.

В автомобильной технике под низким напряжением понимается 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 более 275 000 вольт, называется источником питания сверхвысокого напряжения и часто используется в экспериментах в физика. Ускоряющее напряжение для телевизионной электронно-лучевой трубки можно описать как сверхвысокое напряжение или сверхвысокое напряжение (EHT) по сравнению с другими источниками напряжения внутри оборудования. Диапазон этого типа электроснабжения составляет от 5 кВ до 30 кВ.

Производство [ править ]

Обычные статические электрические искры, наблюдаемые в условиях низкой влажности, всегда имеют напряжение значительно выше 700 В. Например, искры от дверей автомобиля зимой могут иметь напряжение до 20 000 В. ^[7]

Электростатические генераторы, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшерста, могут вырабатывать напряжение, приближающееся к одному миллиону вольт, но обычно вырабатывают малые токи. Индукционные катушки работают на эффекте обратного хода, в результате чего напряжения превышают отношение витков, умноженное на входное напряжение. Обычно они производят более высокие токи, чем электростатические машины, но каждое удвоение желаемого выходного напряжения примерно вдвое увеличивает вес из-за количества проводов, необходимых во вторичной обмотке. Таким образом, масштабирование их до более высоких напряжений путем добавления большего количества витков провода может стать непрактичным. Cockcroft-Уолтон множительможет использоваться для умножения напряжения, создаваемого индукционной катушкой. Он генерирует постоянный ток с помощью диодных переключателей для зарядки лестницы конденсаторов. Катушки Тесла используют резонанс, легки и не требуют полупроводников.

Искры наибольшего масштаба возникают в результате естественного разряда молнии . Средний разряд отрицательной молнии несет ток от 30 до 50 килоампер, передает заряд в 5 кулонов и рассеивает 500 мегаджоулей энергии ( эквивалент 120 кг в тротиловом эквиваленте)., или достаточно, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку примерно на 2 месяца). Однако средний разряд положительной молнии (от вершины грозы) может переносить ток 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 десятки микросекунд, но часто бывает несколько ударов. Положительный удар молнии - это обычно единичное событие. Однако больший пиковый ток может протекать в течение сотен миллисекунд, что делает его значительно более энергичным, чем отрицательная молния.

Искры в воздухе [ править ]

Пробой диэлектрика прочность сухого воздуха при стандартной температуре и давлении (STP), между сферическими электродами составляет около 33 кВ / см. ^[8] Это только приблизительное руководство, 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 коронный разряд фиолетового цвета в воздухе, а также видимые искры. Напряжения ниже примерно 500–700 вольт не могут вызвать видимых искр или свечения в воздухе при атмосферном давлении, поэтому по этому правилу эти напряжения являются «низкими». Однако в условиях низкого атмосферного давления (например, на большой высотесамолет ), или в среде благородного газа, такого как аргон или неон , искры возникают при гораздо более низких напряжениях. От 500 до 700 вольт не является фиксированным минимумом для искрового пробоя, но это практическое правило. Для воздуха в STP минимальное напряжение пробоя составляет около 327 вольт, как отметил Фридрих Пашен . ^[9]

В то время как более низкие напряжения, как правило, не перескакивают через промежуток, который присутствует до подачи напряжения, прерывание существующего тока через промежуток часто вызывает искру или дугу низкого напряжения . Поскольку контакты разделены, несколько маленьких точек контакта отделяются последними. Ток становится ограниченным в этих маленьких горячих точках , заставляя их накалиться, так что они испускают электроны (посредством термоэлектронной эмиссии ). Даже небольшая батарейка на 9 В может вызвать заметное искрение от этого механизма в затемненном помещении. Ионизированный воздух и пары металла (от контактов) образуют плазму, которая временно перекрывает расширяющийся зазор. Если источник питания и нагрузка пропускают достаточный ток, возникает самоподдерживающаяся дуга.может образоваться. После образования дуга может быть увеличена до значительной длины до разрыва цепи. Попытка разомкнуть индуктивную цепь часто приводит к образованию дуги, поскольку индуктивность выдает импульс высокого напряжения всякий раз, когда прерывается ток. В системах переменного тока вероятность возникновения продолжительной дуги несколько ниже, поскольку ток возвращается к нулю дважды за цикл. Дуга гаснет каждый раз, когда ток проходит через нулевое значение , и должна повторно зажигаться в течение следующего полупериода для поддержания дуги.

В отличие от омического проводника сопротивление дуги уменьшается с увеличением тока. Это делает непреднамеренные дуги в электрическом устройстве опасными, поскольку даже небольшая дуга может стать достаточно большой, чтобы повредить оборудование и вызвать возгорание, если имеется достаточный ток. Преднамеренно созданная дуга, например, используемая при освещении или сварке , требует наличия какого-либо элемента в цепи для стабилизации характеристик тока / напряжения дуги.

Использует [ редактировать ]

Распространение [ править ]

В линиях электропередачи и распределения электроэнергии обычно используется напряжение от десятков до сотен киловольт. Линии могут быть надземными или подземными. Высокое напряжение используется в распределительной сети для снижения омических потерь при транспортировке электроэнергии на большие расстояния.

Промышленное [ править ]

Он используется в производстве полупроводников для напыления тонких слоев металлических пленок на поверхность пластины. Он также используется для электростатического флокирования, чтобы покрыть предметы с мелкими волокнами, стоящими на краю.

Научный [ править ]

Искровые разрядники исторически использовались как ранняя форма радиопередачи. Точно так же, грозовые разряды в атмосфере Юпитера , как полагает, являются источник мощных планеты радио выбросов частот. ^[10]

Высокое напряжение использовалось в важных экспериментах и ​​открытиях в области химии и физики элементарных частиц. Электрические дуги были использованы для выделения и открытия элемента аргона из атмосферного воздуха. Индукционные катушки питали первые рентгеновские трубки. Мозли использовал рентгеновскую трубку, чтобы определить атомный номер набора металлических элементов по спектру, излучаемому при использовании в качестве анодов. Высокое напряжение используется для генерации электронных лучей для микроскопии . Кокрофт и Уолтон изобрели умножитель напряжения для преобразования атомов лития в оксиде лития в гелий путем ускорения атомов водорода.

Безопасность [ править ]

Напряжение более 50 В, приложенное к сухой неповрежденной коже человека, может вызвать фибрилляцию сердца, если оно создает электрические токи в тканях тела, которые проходят через область груди . Напряжение, при котором существует опасность поражения электрическим током, зависит от электропроводности сухой кожи человека. Живые человеческие ткани могут быть защищены от повреждений за счет изоляционных свойств сухой кожи при напряжении около 50 вольт. Если та же самая кожа становится влажной, если есть раны или если напряжение подается на электроды, 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 прохождения тока, вызывая повреждение тканей и сердечную недостаточность. Другие травмы могут включать ожоги от дуги, возникшей при случайном контакте. Эти ожоги могут быть особенно опасными, если поражены дыхательные пути пострадавшего. Травмы также могут быть получены в результате физических сил, которые испытывают люди, падающие с большой высоты или брошенные на значительное расстояние.

Низкоэнергетическое воздействие высокого напряжения может быть безвредным, например искра, возникающая в сухом климате при прикосновении к дверной ручке после прогулки по покрытому ковром полу. Напряжение может быть в диапазоне тысяч вольт, но средний ток является низким.

Стандартные меры предосторожности во избежание травм включают работу в условиях, при которых электрическая энергия не проходит через тело, особенно через область сердца, например, между руками или между рукой и ногой. Электричество может течь между двумя проводниками в высоковольтном оборудовании, и тело может замкнуть цепь. Чтобы этого не произошло, рабочий должен носить изоляционную одежду, такую ​​как резиновые перчатки, использовать изолированные инструменты и избегать касания оборудования более чем одной рукой. Электрический ток также может протекать между оборудованием и заземлением. Чтобы этого не произошло, рабочий должен стоять на изолированной поверхности, например, на резиновом коврике. Защитное оборудование регулярно проверяется, чтобы убедиться, что оно по-прежнему защищает пользователя. Правила тестирования различаются в зависимости от страны. Тестирующие компании могут тестировать до 300,000 вольт и предлагаем услуги от тестирования перчаток доПовышенная рабочая платформа (или EWP) тестирование.

Распространение [ править ]

Прикосновение к проводам или близкое приближение к ним представляет опасность поражения электрическим током . Контакт с воздушными проводами может привести к травмам или смерти. Металлические лестницы, сельскохозяйственное оборудование, лодочные мачты, строительная техника, воздушные антенны и подобные предметы часто вступают в смертельный контакт с воздушными проводами. Посторонние лица, взбирающиеся на опоры электропередач или электрические устройства, также часто становятся жертвами поражения электрическим током. ^[11] При очень высоких напряжениях передачи даже близкое расстояние может быть опасным, поскольку высокое напряжение может вызвать дугу через значительный воздушный зазор.

Копание в закопанном кабеле также может быть опасным для рабочих на месте раскопок. Землеройное оборудование (ручные инструменты или привод от машин), контактирующее с проложенным кабелем, может вызвать подачу напряжения на трубопровод или землю в этом районе, что приведет к поражению электрическим током ближайших рабочих. Неисправности в линии передачи высокого напряжения или подстанции могут привести к высоким токам , протекающих по поверхности Земли, производя подъем потенциала земли , что также представляет опасность поражения электрического тока.

Для линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения специально обученный персонал использует методы « линии под напряжением», чтобы обеспечить непосредственный контакт с оборудованием, находящимся под напряжением. В этом случае рабочий электрически подключен к высоковольтной линии, но полностью изолирован от земли, так что он имеет тот же электрический потенциал, что и линия. Поскольку подготовка к таким операциям является длительной и по-прежнему представляет опасность для персонала, только очень важные линии электропередачи подлежат техническому обслуживанию во время эксплуатации. Вне этих должным образом спроектированных ситуаций изоляция от земли не гарантирует отсутствие тока на землю, поскольку заземление или искрение на землю могут возникать неожиданными способами, а токи высокой частоты могут обжечь даже незаземленного человека. Прикосновение к передающемуантенна опасна по этой причине, а высокочастотная катушка Тесла может выдержать 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 устройства, прерывающие цепи высокого напряжения, предназначены для безопасного направления образовавшейся дуги, чтобы она рассеивалась 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.

Проводка в оборудовании, таком как рентгеновские аппараты и лазеры, требует осторожности. Секция высокого напряжения физически удалена от стороны низкого напряжения, чтобы уменьшить вероятность образования дуги между ними. Во избежание корональных потерь проводники должны быть как можно короче и без острых концов. В изолированном пластиковом покрытии не должно быть пузырьков воздуха, которые приводят к корональным разрядам внутри пузырьков.

Электростатические генераторы [ править ]

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, вырабатывающие напряжение, приближающееся к одному миллиону вольт, они доставляют кратковременный удар. Это потому, что ток низкий, например, движется только относительно небольшое количество электронов. Эти устройства имеют ограниченное количество накопленной энергии, поэтому средний вырабатываемый ток невелик и обычно в течение короткого времени с импульсами, достигающими пика в диапазоне 1 А в течение наносекунды. ^{[12] [13]}

Разряд может включать в себя очень высокое напряжение в течение очень короткие периоды, но производить фибрилляции сердца, электрический источник питания должны производить значительный ток в сердечной мышце может продолжаться в течение многих миллисекунд , и должны внести полную энергию в диапазоне , по крайней мере , мДж или выше. Поэтому относительно высокий ток, превышающий примерно пятьдесят вольт, может быть значимым с медицинской точки зрения и потенциально смертельным.

Во время разряда эти машины прикладывают высокое напряжение к телу всего на одну миллионную секунды или меньше. Таким образом, слабый ток применяется в течение очень короткого времени, а количество вовлеченных электронов очень мало.

Катушки Тесла [ править ]

Несмотря на то, что катушки Тесла внешне похожи на генераторы Ван де Граафа, они не являются электростатическими машинами и могут непрерывно генерировать значительные радиочастотные токи. Ток, подаваемый к человеческому телу, будет относительно постоянным, пока поддерживается контакт, в отличие от электростатических машин, которым обычно требуется больше времени для накопления заряда, а напряжение будет намного выше, чем напряжение пробоя кожи человека. Как следствие, выход катушки Тесла может быть опасным или даже фатальным.

Опасность вспышки дуги [ править ]

В зависимости от предполагаемого тока короткого замыкания, имеющегося в составе распределительного устройства , существует опасность для обслуживающего и обслуживающего персонала из-за возможности возникновения электрической дуги высокой интенсивности . Максимальная температура дуги может превышать 10 000 кельвинов , а тепловое излучение, расширяющийся горячий воздух и взрывное испарение металла и изоляционного материала могут нанести тяжелые травмы незащищенным работникам. Такие комплекты распределительных устройств и источники дуги высокой энергии обычно присутствуют на электрических подстанциях и генерирующих станциях, промышленных предприятиях и крупных коммерческих зданиях. В США Национальная ассоциация противопожарной защиты опубликовала руководящий стандарт.NFPA 70E для оценки и расчета опасности вспышки дуги , а также стандарты для защитной одежды, необходимой для электрических рабочих, подвергающихся таким опасностям на рабочем месте.

Опасность взрыва [ править ]

Даже напряжение, недостаточное для разрушения воздуха, может обеспечить достаточно энергии для воспламенения атмосферы, содержащей горючие газы или пары, или взвешенную пыль. Например, газообразный водород , природный газ или пары бензина / бензина, смешанные с воздухом, могут воспламениться от искр, производимых электрическими устройствами. Примерами промышленных объектов с опасными зонами являются нефтехимические заводы, химические заводы , элеваторы и угольные шахты .

Меры, принятые для предотвращения таких взрывов, включают:

• Искробезопасность за счет использования устройства, сконструированного так, чтобы не накапливать достаточное количество накопленной электрической энергии, чтобы вызвать взрыв
• Повышенная безопасность, которая распространяется на устройства, использующие такие меры, как маслонаполненные корпуса для предотвращения искр.
• Взрывозащищенные (огнестойкие) корпуса, которые сконструированы таким образом, чтобы взрыв внутри корпуса не мог выйти и воспламенить окружающую взрывоопасную атмосферу (это обозначение не означает, что устройство может выдержать внутренний или внешний взрыв)

В последние годы стандарты защиты от взрыва стали более единообразными в европейской и североамериканской практике. Система классификации «зон» теперь используется в измененной форме в Национальных электротехнических правилах США и Канадских электротехнических правилах . Устройства искробезопасности теперь одобрены для использования в Северной Америке.

Токсичные газы [ править ]

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 идентифицировать по характерному запаху или цвету, что позволяет свести к минимуму время контакта. 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 запаха газообразного хлора, как в бассейне. Озон невидим, но имеет резкий запах, напоминающий запах воздуха после грозы. Это недолговечный вид, и половина его распадается наO
₂ в течение суток при нормальной температуре и атмосферном давлении.

Молния [ править ]

Опасности от молнии, 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 предметы, такие как телефонные кабели, заборы и трубопроводы, до опасного напряжения, которое может быть перенесено на много миль 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 переданные потенциалы опасны для людей, домашнего скота и электронных устройств. Удары молнии также приводят к возникновению пожаров и взрывов, что приводит к гибели людей, травмам и материальному ущербу. Например, ежегодно в Северной Америке от ударов молнии возникают тысячи лесных пожаров .

Меры по борьбе с молнией могут снизить опасность; к ним относятся молниеотводы , экранирующие провода и соединение электрических и конструктивных частей зданий с образованием сплошного ограждения.

См. Также [ править ]

• Конденсаторный трансформатор напряжения
• Зарядная станция
• Электротехника
• Передача электроэнергии (включает раздел «Проблемы со здоровьем»)
• Постоянный ток высокого напряжения
• Низкое напряжение
• Катушка Тесла
• Разрядник

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• NFPA 70E : Электробезопасность на рабочем месте, США
• Справочник по электробезопасности Министерства энергетики США
• Глава « Электробезопасность» изкниги и серии « Уроки электрических цепей, том 1 » .