Elektrik arızası - Electrical breakdown

Bir Tesla bobininden şerit benzeri plazma filamanlarını gösteren bir elektrik boşalmasında elektriksel bozulma .

Elektriksel bozulma veya dielektrik bozulma , yeterince yüksek bir voltaja maruz kalan bir elektriksel yalıtım malzemesinin aniden bir elektrik iletkeni haline gelmesi ve içinden elektrik akımı geçmesiyle meydana gelen bir süreçtir . Uygulanan bir voltajın neden olduğu elektrik alanı , malzemenin dielektrik gücünü aştığında, tüm yalıtım malzemeleri bozulur . Voltaj , belirli bir yalıtım amacı iletken hale geldiği de denir kırılma voltajı ve boyutu ve şekline bağlıdır. Yeterli elektrik potansiyeli altında, katılar, sıvılar, gazlar veya vakum içinde elektriksel bozulma meydana gelebilir. Bununla birlikte, her tür dielektrik ortam için spesifik bozulma mekanizmaları farklıdır .

Elektrik arızası anlık bir olay olabilir ( elektrostatik boşalmada olduğu gibi ) veya koruyucu cihazların bir güç devresindeki akımı kesmemesi durumunda sürekli bir elektrik arkına neden olabilir . Bu durumda elektrik arızası, elektrikli ekipmanın feci şekilde arızalanmasına ve yangın tehlikelerine neden olabilir.

açıklama

Elektrik akımı , genellikle malzeme üzerindeki voltaj farkıyla oluşturulan, bir elektrik alanının neden olduğu bir malzemede elektrik yüklü parçacıkların akışıdır . Elektrik akımını oluşturan hareketli yüklü parçacıklara yük taşıyıcıları denir . Farklı maddelerde farklı parçacıklar yük taşıyıcı görevi görür: metallerde ve diğer bazı katılarda her atomun dış elektronlarından bazıları ( iletim elektronları ) malzeme içinde hareket edebilir; olarak elektrolit ve plazma o iyonları , elektrik yüklü atomlar veya moleküller , ve yük taşıyıcı olan elektronlar. İletim için yüksek konsantrasyonda yük taşıyıcılara sahip olan bir metal , örneğin bir metal , belirli bir elektrik alanı ile büyük bir akım iletecektir ve bu nedenle düşük bir elektrik özdirencine sahiptir ; buna elektrik iletkeni denir . Cam veya seramik gibi az sayıda yük taşıyıcısı olan bir malzeme, belirli bir elektrik alanı ile çok az akım iletecektir ve yüksek bir özdirence sahiptir; buna elektrik yalıtkanı veya dielektrik denir . Tüm maddeler yüklü parçacıklardan oluşur, ancak yalıtkanların ortak özelliği, negatif yüklerin, yörünge elektronlarının, pozitif yüklere, atom çekirdeğine sıkı sıkıya bağlı olmaları ve hareketli hale gelmek için kolayca serbest bırakılamamalarıdır.

Bununla birlikte, herhangi bir yalıtkan maddeye yeterince büyük bir elektrik alanı uygulandığında, belirli bir alan kuvvetinde malzemedeki yük taşıyıcıların sayısı aniden birçok büyüklük mertebesinde artar, bu nedenle direnci düşer ve iletken olur. Buna elektrik arızası denir . Bozulmaya neden olan fiziksel mekanizma farklı maddelerde farklılık gösterir. Bir katıda, genellikle elektrik alanı, dış değerlik elektronlarını atomlarından uzaklaştıracak kadar güçlü hale geldiğinde meydana gelir , böylece hareketli hale gelirler ve çarpışmalarının yarattığı ısı ek elektronları serbest bırakır. Bir gaz olarak, elektrik alanı (nedeniyle gibi işlemler için doğal olarak mevcut olan serbest elektron az sayıda hızlandırır fotoiyonizasyon ve radyoaktif bozunma da gaz molekülleri ile çarpıştığında da adlandırılan bunların üzerinden ek elektronları, vuruş yetecek kadar yüksek hız) iyonizasyon , burada Townsend deşarjı adı verilen bir zincirleme reaksiyonda daha fazla serbest elektron ve iyon yaratarak daha fazla molekülü iyonize etmeye devam edin . Bu örneklerin gösterdiği gibi, çoğu malzemede parçalanma, hareketli yüklü parçacıkların ek yüklü parçacıklar saldığı hızlı bir zincirleme reaksiyonla meydana gelir .

Dielektrik dayanım ve arıza gerilimi

Arızanın meydana geldiği elektrik alan kuvveti ( metre başına volt olarak ) , yalıtkan malzemenin dielektrik kuvveti olarak adlandırılan içsel bir özelliğidir . Elektrik alanı genellikle malzemeye uygulanan voltaj farkından kaynaklanır. Belirli bir yalıtkan nesnede bozulmaya neden olmak için gereken uygulanan gerilime, nesnenin bozulma gerilimi denir . Belirli bir yalıtkan nesnede uygulanan voltaj tarafından oluşturulan elektrik alanı, nesnenin boyutuna ve şekline ve voltajın uygulandığı nesne üzerindeki konumuna bağlı olarak değişir, bu nedenle malzemenin dielektrik kuvvetine ek olarak, kırılma voltajı bunlara bağlıdır. faktörler.

İki düz metal elektrot arasındaki düz bir yalıtkan levhada , elektrik alanı , yalıtkanın kalınlığına bölünen voltaj farkıyla orantılıdır , bu nedenle genel olarak arıza voltajı , dielektrik gücü ve iki iletken arasındaki yalıtımın uzunluğu ile orantılıdır.

Ancak iletkenlerin şekli arıza gerilimini etkileyebilir.

Arıza süreci

Bozulma yerel bir süreçtir ve yüksek voltaj farkına maruz kalan bir yalıtkan ortamda, yalıtkanın hangi noktasında olursa olsun, elektrik alanı ilk önce malzemenin yerel dielektrik gücünü aşar. Bir iletkenin yüzeyindeki elektrik alan çıkıntılı kısımlarda, keskin noktalarda ve kenarlarda en yüksek olduğu için, hava veya yağ gibi homojen bir yalıtkanda iletken arızası genellikle bu noktalarda başlar. Bozulma, seramik bir yalıtkandaki çatlak veya kabarcık gibi katı bir yalıtkandaki yerel bir kusurdan kaynaklanıyorsa, küçük bir bölgeyle sınırlı kalabilir; buna kısmi deşarj denir . Sivri uçlu bir iletkene bitişik bir gazda, lokal bozulma süreçleri, korona deşarjı veya fırça deşarjı , akımın iletkenden iyonlar halinde gaza sızmasına izin verebilir. Bununla birlikte, genellikle homojen bir katı yalıtkanda, bir bölge bozulduktan ve iletken hale geldikten sonra, üzerinde voltaj düşüşü olmaz ve yalıtkanın kalan uzunluğuna tam voltaj farkı uygulanır. Voltaj düşüşü artık daha kısa bir uzunluk boyunca olduğundan, bu kalan malzemede daha yüksek bir elektrik alanı oluşturur ve bu da daha fazla malzemenin bozulmasına neden olur. Böylece, arıza bölgesi hızla (mikrosaniyeler içinde) yalıtkanın bir ucundan diğerine voltaj gradyanı yönünde yayılır, ta ki voltaj farkını uygulayan iki kontak arasında malzeme boyunca sürekli bir iletken yol oluşturulana kadar, bir akımın aralarında akış.

Elektromanyetik bir dalga nedeniyle uygulanan voltaj olmadan da elektrik arızası meydana gelebilir. Maddi bir ortamdan yeterince yoğun bir elektromanyetik dalga geçtiğinde, dalganın elektrik alanı, geçici elektriksel bozulmaya neden olacak kadar güçlü olabilir. Örneğin , havada küçük bir noktaya odaklanan bir lazer ışını , odak noktasında elektriksel bozulmaya ve havanın iyonlaşmasına neden olabilir .

Sonuçlar

Pratik elektrik devrelerinde elektrik arızası genellikle istenmeyen bir olaydır, yalıtım malzemesinin arızalanması kısa devreye neden olur ve muhtemelen ekipmanda feci bir arızaya neden olur . Güç devrelerinde, dirençteki ani düşüş, malzemeden yüksek bir akımın geçmesine, bir elektrik arkının başlamasına neden olur ve eğer güvenlik cihazları akımı hızlı bir şekilde kesmezse , ani aşırı Joule ısınması , yalıtkan malzemeye veya devrenin diğer kısımlarına neden olabilir. Patlayarak erimek veya buharlaşmak, ekipmana zarar vermek ve yangın tehlikesi oluşturmak. Ancak devredeki devre kesiciler ve akım sınırlama gibi harici koruyucu cihazlar yüksek akımı önleyebilir; ve bozulma sürecinin kendisi mutlaka yıkıcı değildir ve tersine çevrilebilir. Dış devre tarafından sağlanan akım yeterince hızlı bir şekilde uzaklaştırılırsa malzemeye herhangi bir zarar gelmez ve uygulanan voltajın azaltılması malzemenin tekrar yalıtkan durumuna geçmesine neden olur.

Statik elektrikten kaynaklanan şimşek ve kıvılcımlar , havanın elektriksel bozulmasının doğal örnekleridir. Elektrik arıza bir dizi normal çalışma modunda bir parçası olan elektrikli bileşenler gibi, gaz deşarj lambaları gibi floresan lambaları ve neon ışıkları , Zener diyotları , çığ dıyotları , IMPATT diyotlar , cıva buharlı redresörler , thyratron , Ignitron ve kritron borular ve bujiler .

Elektrik yalıtımının başarısızlığı

Elektrik arızası genellikle , elektrik dağıtım şebekesindeki yüksek voltajlı transformatörler veya kapasitörler içinde kullanılan katı veya sıvı yalıtım malzemelerinin arızalanmasıyla ilişkilidir ve genellikle kısa devre veya sigortanın atmasına neden olur. Elektrik arızası, havai elektrik hatlarını askıya alan yalıtkanlarda , yer altı elektrik kablolarında veya yakındaki ağaç dallarına giden hatlarda da meydana gelebilir .

Dielektrik arıza, entegre devrelerin ve diğer katı hal elektronik cihazların tasarımında da önemlidir . Bu tür cihazlardaki yalıtım katmanları, normal çalışma voltajlarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır, ancak statik elektrik gibi daha yüksek voltaj, bu katmanları tahrip ederek bir cihazı işe yaramaz hale getirebilir. Kondansatörlerin dielektrik gücü, ne kadar enerji depolanabileceğini ve cihaz için güvenli çalışma voltajını sınırlar.

mekanizma

Parçalanma mekanizmaları katılarda, sıvılarda ve gazlarda farklılık gösterir. Arıza, elektrot malzemesinden, iletken malzemenin keskin eğriliğinden (yerel olarak yoğunlaştırılmış elektrik alanlarıyla sonuçlanır), elektrotlar arasındaki boşluğun boyutundan ve boşluktaki malzemenin yoğunluğundan etkilenir.

katılar

Katı malzemelerde ( güç kablolarında olduğu gibi ) uzun süreli kısmi deşarj tipik olarak arızadan önce gelir, yalıtkanları ve voltaj aralığına en yakın metalleri bozar. Nihayetinde kısmi deşarj, boşluk boyunca akım ileten bir karbonize malzeme kanalından geçer.

sıvılar

Sıvılarda bozulma için olası mekanizmalar arasında kabarcıklar, küçük kirlilikler ve elektriksel aşırı ısınma yer alır . Elektrotlar arasındaki boşlukta lineer olmayan elektrik alan kuvveti tarafından sıvıya ek basınç uygulandığından, sıvılarda bozulma süreci hidrodinamik etkiler nedeniyle karmaşıktır.

4,2 K'da Helyum veya 77 K'da Azot gibi  süper iletkenlik için soğutucu olarak kullanılan sıvılaştırılmış gazlarda kabarcıklar bozulmaya neden olabilir.

Yağ soğutmalı ve yağ yalıtımlı transformatörlerde bozulma için alan gücü yaklaşık 20 kV/mm'dir (kuru hava için 3 kV/mm ile karşılaştırıldığında). Kullanılan saflaştırılmış yağlara rağmen, küçük partikül kirleticiler suçlanmaktadır.

gazlar

Gazın dielektrik gücü aşıldığında bir gaz içinde elektriksel bozulma meydana gelir . Yoğun voltaj gradyanlarının olduğu bölgeler, yakındaki gazın kısmen iyonlaşmasına ve iletmeye başlamasına neden olabilir. Bu, floresan lambalar gibi düşük basınçlı deşarjlarda bilinçli olarak yapılır . Bir gazın elektriksel olarak bozulmasına yol açan voltaj, Paschen Yasası ile yaklaşık olarak hesaplanır .

Havadaki kısmi deşarj, fırtınalar sırasında veya yüksek voltajlı ekipmanların çevresinde "temiz hava" ozon kokusuna neden olur . Hava, normal mükemmel yalıtkan olmasına rağmen, yeterince yüksek bir gerilim (bir tarafından gerildiği zaman, elektrik alanı 10 x 3 yaklaşık 6  V / m veya 3 kV / mm), hava kısmen iletken hale yıkmak başlayabilir. Nispeten küçük boşluklarda, havadaki arıza gerilimi, boşluk uzunluğunun basıncın bir fonksiyonudur. Gerilimi yeterince yüksek değilse, havanın tam elektrik arızası bir sonuçlanacak elektriksel kıvılcım veya elektrik arkı tüm boşluğu kapatır.

Kıvılcımın rengi, gaz halindeki ortamı oluşturan gazlara bağlıdır. Statik elektriğin ürettiği küçük kıvılcımlar zar zor duyulabilirken, daha büyük kıvılcımlara genellikle yüksek sesli bir çarpma veya çarpma eşlik eder. Yıldırım , kilometrelerce uzunlukta olabilen muazzam bir kıvılcım örneğidir.

Kalıcı yaylar

Bir sigorta veya devre kesici , bir güç devresindeki bir kıvılcım yoluyla akımı kesemezse, akım devam ederek çok sıcak bir elektrik arkı (yaklaşık 30 000 derece) oluşturabilir. Bir arkın rengi, esas olarak, bazıları buharlaştırılmadan ve arktaki sıcak plazmaya karışmadan önce katı olabilen iletken gazlara bağlıdır . Arkın içindeki ve etrafındaki serbest iyonlar, ozon , karbon monoksit ve nitröz oksit gibi yeni kimyasal bileşikler oluşturmak için yeniden birleşir . Ozon, belirgin kokusu nedeniyle en kolay fark edilir.

Kıvılcımlar ve arklar genellikle istenmeyen olmasına rağmen, benzinli motorlar için bujiler , metallerin elektrik kaynağı veya bir elektrik ark ocağında metal eritme gibi uygulamalarda faydalı olabilirler . Gaz deşarjından önce gaz , atomların enerji seviyelerine bağlı olarak farklı renklerle parlar . Tüm mekanizmalar tam olarak anlaşılmamıştır.

Arıza öncesi gerilim-akım ilişkisi

Vakum kendisi ya da yakınında elektrik kesintisine geçmesi beklenen Schwinger sınırı .

Gerilim-akım ilişkisi

Gaz bozulmasından önce, şekilde gösterildiği gibi voltaj ve akım arasında doğrusal olmayan bir ilişki vardır. 1. bölgede, alan tarafından hızlandırılabilen ve bir akım indükleyebilen serbest iyonlar vardır. Bunlar belirli bir voltajdan sonra doyurulacak ve sabit bir akım verecektir, bölge 2. Bölge 3 ve 4, Townsend deşarj mekanizması tarafından açıklandığı gibi iyon çığından kaynaklanır .

Friedrich Paschen , arıza durumu ile arıza gerilimi arasındaki ilişkiyi kurdu. Boşluk uzunluğunun ( ) ve boşluk basıncının ( ) bir fonksiyonu olarak düzgün alan boşlukları için arıza gerilimini ( ) tanımlayan bir formül türetmiştir .

Paschen ayrıca, minimum voltajla bozulmanın meydana geldiği minimum basınç aralığı değeri arasında bir ilişki türetmiştir.

ve kullanılan gaza bağlı olarak sabitlerdir.

Korona dökümü

Havanın kısmen bozulması , en yüksek elektriksel strese sahip noktalarda yüksek gerilim iletkenleri üzerinde bir korona boşalması olarak meydana gelir . Keskin noktaları veya küçük yarıçaplı topları olan iletkenler, dielektrik bozulmaya neden olmaya eğilimlidir, çünkü noktaların etrafındaki alan kuvveti, düz bir yüzeyin etrafındakinden daha yüksektir. Yüksek voltajlı aparat, bozulmayı hızlandıran yoğun alanlardan kaçınmak için yuvarlak eğriler ve derecelendirme halkaları ile tasarlanmıştır .

Görünüm

Korona bazen yüksek voltajlı kabloların etrafında mavimsi bir parıltı olarak görülür ve yüksek voltajlı elektrik hatları boyunca cızırtılı bir ses olarak duyulur. Corona ayrıca radyo alıcılarında 'statik' veya vızıltı olarak da duyulabilen radyo frekansı gürültüsü üretir. Korona, fırtınalar sırasında kilise kuleleri, ağaç tepeleri veya gemi direkleri gibi yüksek noktalarda doğal olarak " Aziz Elmo'nun Ateşi " olarak da ortaya çıkabilir .

ozon üretimi

Korona deşarjlı ozon jeneratörleri, su arıtma sürecinde 30 yılı aşkın süredir kullanılmaktadır . Ozon, klordan bile daha güçlü zehirli bir gazdır. Tipik bir içme suyu arıtma tesisinde ozon gazı, bakterileri öldürmek ve virüsleri yok etmek için filtrelenmiş suda çözülür . Ozon ayrıca sudaki kötü kokuları ve tadı da giderir. Ozonun ana avantajı, herhangi bir kalıntı aşırı dozun, su tüketiciye ulaşmadan çok önce gaz halinde oksijene ayrışmasıdır. Bu, suda daha uzun süre kalan ve tüketici tarafından tadılabilen klor gazı veya klor tuzlarının aksine .

Diğer kullanımlar

Korona deşarjı genellikle istenmeyen bir durum olmasına rağmen, yakın zamana kadar fotokopi makinelerinin ( xerography ) ve lazer yazıcıların çalıştırılmasında gerekliydi . Birçok modern fotokopi makinesi ve lazer yazıcı artık foto iletken tamburu elektriksel olarak iletken bir silindirle şarj ederek istenmeyen iç mekan ozon kirliliğini azaltıyor .

Paratonerler , havada çubuğa işaret eden iletken yollar oluşturmak için korona deşarjını kullanır ve potansiyel olarak zarar verici yıldırımları binalardan ve diğer yapılardan uzaklaştırır.

Korona deşarjları ayrıca birçok polimerin yüzey özelliklerini değiştirmek için kullanılır . Bir örnek, boya veya mürekkebin düzgün şekilde yapışmasını sağlayan plastik malzemelerin korona işlemidir.

Yıkıcı cihazlar

Katı bir yalıtkan içindeki dielektrik bozulma, görünümünü ve özelliklerini kalıcı olarak değiştirebilir. Bu Lichtenberg figüründe gösterildiği gibi

Bir yıkıcı cihaz bir overstress elektriksel olarak tasarlanmıştır dielektrik onun ötesinde dielektrik mukavemeti cihazının elektrik kesintisine neden kasıtlı şekilde. Bozulma, dielektrikin bir kısmının yalıtkan bir durumdan oldukça iletken bir duruma ani geçişine neden olur . Bu geçiş, bir elektrik kıvılcımı veya plazma kanalının oluşumu ile karakterize edilir, bunu muhtemelen dielektrik malzemenin bir kısmı boyunca bir elektrik arkı takip eder.

Dielektrik katı ise, deşarj yolu boyunca kalıcı fiziksel ve kimyasal değişiklikler malzemenin dielektrik dayanımını önemli ölçüde azaltacaktır ve cihaz yalnızca bir kez kullanılabilir. Bununla birlikte, dielektrik malzeme bir sıvı veya gaz ise, dielektrik, plazma kanalından geçen akım harici olarak kesildiğinde yalıtkan özelliklerini tamamen geri kazanabilir.

Ticari kıvılcım boşlukları içinde yüksek voltaj ani geçiş yapmak için bu özelliği kullanmak darbeli güç , sistem temin etmek üzere dalga koruma telekomünikasyon ve elektrik gücü ile sistemleri ve tutuşturmak yakıt bujilerin olarak içten yanmalı motorların . Kıvılcım aralığı vericileri erken radyo telgraf sistemlerinde kullanıldı.

Ayrıca bakınız

Referanslar