Złącza wysokiego napięcia: rodzaje i konstrukcja

Wysokiego napięcia używa się w szerokim zakresie zastosowań, w tym w zasilaczach wysokonapięciowych, wysokonapięciowych urządzeniach testujących, testerach hi-pot, filtrach elektrostatycznych, systemach utwardzania UV, wysokonapięciowych lampach zapłonowych, spektrometrach mas, wiązkach elektronów, sprzęcie pomiarowym do diagnostyki kabli, technologii procesów plazmowych, przemysłowej technologii rentgenowskiej, systemów zgrzewania ultradźwiękowego, pomiarów dla przemysłu fotowoltaicznego i aplikacji laserowych. Złącza zaprojektowane do takich zastosowań muszą spełniać szczególne wymagania bezpieczeństwa i stawiają trudne wyzwania projektowe.

Co jest uważane za wysokie napięcie?

Liczbowa definicja wysokiego napięcia zależy od kontekstu. Dwa czynniki brane pod uwagę przy klasyfikowaniu napięcia jako ‘wysokiego’ to możliwość wywołania iskry w powietrzu oraz niebezpieczeństwo porażenia prądem w wyniku kontaktu lub bliskiej odległości. Definicje mogą też odnosić się do napięcia między dwoma przewodami systemu lub między dowolnym przewodnikiem a ziemią.

Jeśli chodzi o dolne granice, to napięcia wyższe niż 50V przyłożone do suchej, nieuszkodzonej skóry ludzkiej, jeśli wytwarzają prądy elektryczne w tkankach ciała, które przechodzą przez obszar klatki piersiowej, mogą powodować migotanie serca. Z drugiej strony, w branży przesyłu energii elektrycznej za wysokie napięcie uważa się zwykle każde napięcie powyżej ~35.000 V.

W tabeli 1 przedstawiono definicje IEC dotyczące niskiego i wysokiego napięcia oraz związane z nimi zagrożenia.

Tabela 1: Definicje napięcia IEC (źródło: Wikipedia)

Projektowanie obwodów wysokiego napięcia: problemy i uwagi

Wysokie napięcia stanowią obciążenie wszystkich elementów systemu połączeń. Izolacja, która w pełni wystarczająca przy napięciu 12V, może szybko ulec degradacji lub całkowicie zawieść przy napięciu 12kV. Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem napięcia wokół przewodu wysokiego napięcia tworzy się korona, po której następuje przebicie dielektryczne, co prowadzi do wyładowania łukowego lub groźnej awarii.

Wyładowanie koronowe

Wyładowanie koronowe to wyładowanie elektryczne wywołane jonizacją powietrza otaczającego przewodnik, który jest naładowany elektrycznie. Korona pojawi się, gdy siła (gradient potencjału) pola elektrycznego wokół przewodnika jest wystarczająco wysoka, aby utworzyć obszar przewodzący, ale nie wystarczająco wysoka, aby spowodować przebicie elektryczne lub wyładowanie łukowe do pobliskich obiektów. Może to nastąpić nawet przy napięciu tak niskim jak 300V. Korona może również wystąpić z powodu jonizacji powietrza w pustej przestrzeni w dielektryku lub w pobliżu powierzchni stykowych wewnątrz złącza.

Chociaż korona jest procesem niskoenergetycznym, występując przez dłuższy czas może znacząco degradować izolatory, powodując awarię systemu ze względu na uszkodzenia dielektryka.

Aby zminimalizować efekt wyładowania koronowego w projekcie złącza, ważne jest, aby zmaksymalizować odległość między przewodami, które mają duże różnice napięcia, używać przewodów o dużych promieniach, a także unikać projektów z ostrymi punktami lub krawędziami i stosować dielektryki bez pustych przestrzeni.

Wyładowanie łukowe w obwodach elektrycznych

Łuk elektryczny lub wyładowanie łukowe to przebicie elektryczne w atmosferze gazu, które powoduje ciągłe wyładowanie plazmowe, wynikające z przepływu prądu przez normalnie nieprzewodzące media, takie jak powietrze. W standardowych warunkach w powietrzu zjawisko takie może wystąpić przy około 3 kV/mm.

W przypadku ośrodka stałego, takiego jak dielektryk, jego przebicie następuje, gdy napięcie jest wystarczająco duże, aby wywołać łuk przebiegający przez dielektryk między przewodnikiem a ziemią. Ta awaria jest krytyczna, ponieważ przepływ prądu przez dielektryk pozostawia w nim puste przestrzenie wypełnione węglem i dielektryk nie będzie już w stanie wytrzymać wymaganego napięcia.

Normy bezpieczeństwa wysokiego napięcia

Zjawiska te mogą mieć poważne, a nawet śmiertelne konsekwencje w sprzęcie wysokonapięciowym, w tym w złączach, dlatego też w zależności od zastosowania opracowano wiele norm bezpieczeństwa.

Tabela 2: Niektóre wspólne normy bezpieczeństwa (źródło: Feryster)

Inne dziedziny, takie jak motoryzacja, mają własny zestaw standardów ustanowiony przez organizacje branżowe, takie jak SAE.