Вторая редакция ранее публиковавшейся статьи с правками и дополнениями.
К написанию этой небольшой статьи меня побудили часто возникающие вопросы о выборе зазоров между проводниками, расположенными как на печатных платах, так и в различных шкафах автоматики. Постараюсь коротко, без глубокого погружения в теорию процессов, изложить необходимые данные для практического применения.
Основные понятия
Пробой – образование канала высокой проводимости, способного пропустить столь сильный ток, что напряжение на изоляционном промежутке резко падает.
Корона – высоковольтный самостоятельный электрический разряд в газе с достаточной плотностью, возникающий в резко неоднородном электрическом поле, вблизи электродов с малым радиусом кривизны (острие, тонкая проволока).
Корона бывает:
- Униполярная – когда коронирует один электрод;
- Биполярная – когда коронируют два электрода;
- Положительная, или отрицательная, в зависимости от полярности напряжения на коронирующем электроде.
Коронный разряд предшествует пробою газа в неоднородном поле, однако может и не завершиться пробоем.
Стримеры – множественные мелкие очаги, возникающие между больших поверхностей, напряжение между которыми превышает порог возникновения короны.
Импульсный ток стримера длиться доли микросекунд и достигает единиц и десятков ампер.
Дуговой разряд – самостоятельный электрический разряд в газе, горящий при относительно низком напряжении, которое соответствует значением потенциала ионизации атомов газа.
Особенности дугового разряда:
- Большой ток;
- Катодные пятна (катодным пятном называется небольшая сильно разогретая область на катоде, которая характеризуется ярким свечением);
- Высокая температура катода вплоть до оплавления.
Поверхностный разряд – разряд по поверхности диэлектрика.
При загрязненной и увлажненной поверхности диэлектрика, разрядное напряжение снижается в 5-10 и более раз.
Величина разрядного напряжения зависит от:
- Давления;
- Свойств твердого диэлектрика;
- Состояния его поверхности;
- Расположения ее относительно силовых линий электрического поля.
Лидер – волна ионизации, которая движется по подготовленной стримерами, траектории. Проводимость такого канала в 2-3 раза выше, чем у стримера. Возникает он на длинных промежутках (десятки и сотни сантиметров, и более), в резко неоднородных полях, при высоких напряжениях.
Пробой, в общем, поверхностном представлении, развивается в следующей последовательности:
1. Коронный разряд;
2. Стример;
3. Лидер;
4. Дуговой разряд.
Естественно, на сценарий развития влияют множество факторов. Применительно к пробою по воздуху можно выделить ряд следующих особенностей:
- Если давление воздуха больше 760 мм рт. ст., то напряжение пробоя увеличивается;
- Если давление воздуха меньше 760 мм рт. ст., то напряжение пробоя уменьшается;
- Если давление воздуха меньше 500 мм рт. ст., то напряжение пробоя увеличивается, т.к. из-за разряжения воздуха ударная ионизация затрудняется (закон Пашена);
- С ростом влажности пробивное напряжение повышается. Это явление называется адсорбцией, которая заключается в прилипании свободных электронов, или ионов к капелькам, взвешенной в воздухе, воды, что затрудняет процесс ионизации;
- Наибольшая напряженность электрического поля имеет место у электрода с меньшими размерами;
- Если электрод с меньшими размерами имеет положительную полярность, то пробой произойдет раньше при прочих равных условиях. При отрицательном напряжении на этом электроде, пробивное напряжение повышается;
- При переходе тока через нулевое значение, наблюдается рекомбинация молекул, т.е. их переход в нейтральное состояние.
Таким образом, пробой воздушного промежутка зависит от параметров окружающей среды, формы электродов, величины приложенного напряжения и расстояния между электродами. Формулу для расчета напряжения пробоя можно записать так:
В качестве примера, в таблице ниже приведены значения коэффициента K для конструкций стержневого типа. Для других типов изоляционных конструкций необходимо использовать справочную литературу.
Зависимость поправочного коэффициента K от давления водяных паров.
Справочные данные
Напряжение пробоя воздушного промежутка между плоскими пластинами при температуре 20°C, и давлении 760 мм рт. ст.
Из, приведенной выше, таблицы видно, что воздушному промежутку в 1 мм соответствует напряжение в 4,5 кВ. Однако в реальных конструкциях необходимо обеспечивать многократный запас относительно данных табличных значений, т.к. они не учитывают возможности наличия примесей в воздухе и попадания в воздушный зазор пыли и других загрязняющих веществ.
Так, например пункт 4.1.15. правил устройства электроустановок (ПУЭ) гласит: открытые токоведущие части, как правило, должны иметь изоляционное покрытие. Между неподвижно укрепленными токоведущими частями разной полярности, а также между ними и открытыми проводящими частями должны быть обеспечены расстояния не менее 20 мм по поверхности изоляции и не менее 12 мм по воздуху. От неизолированных токоведущих частей до ограждений должны быть обеспечены расстояния не менее 100 мм при сетчатых и 40 мм при сплошных съемных ограждениях.
Данное требование относится к распределительным устройствам с переменным напряжением до 1 кВ и постоянным до 1,5 кВ.
Зазоры в печатных платах
Для определения зазоров между элементами рисунка печатного монтажа можно руководствоваться таблицей, приведенной ниже. Данные, приведенные в этой таблице, соответствуют аналогичным данным, содержащимся в ГОСТ Р 53429-2009.
Следующая таблица выполнена на основе аналогичной таблицы, приведенной в стандарте IPC-2221.
Для напряжений выше 500 В, к табличным значениям зазора на 500 В, на каждый вольт должна быть добавлена величина, указанная в таблице. Пример вычисления электрического зазора для платы типа B1 с напряжением 600 В:
1. 600 В – 500 В = 100 В;
2. 0,25 мм + (100 · 0,0025) = 0,5 мм.
Если применяются высокие напряжения переменного тока и импульсные напряжения с потенциалом более 200 В, то диэлектрическая постоянная и эффект емкостного разделения материала должны учитываться вместе с рекомендуемым зазором.
Типы конформных покрытий:
- Тип AR – акрилатная смола 0,03 – 0,13 мм;
- Тип ER – эпоксидная смола 0,03 – 0,13 мм;
- Тип UR – уретановая смола 0,03 – 0,13 мм;
- Тип SR – силиконовая смола 0,05 – 0,21 мм;
- Тип XY – параксилиленовая смола 0,01 – 0,05 мм.
Источники:
- Материаловедение. Техника высоких напряжений: лабораторный практикум / А. П. Сухогузов, А. А. Косяков, Е. П. Никитина. — Екатеринбург: УрГУПС, 2016.
- Правила устройства электроустановок, издания 6 и 7.
- ГОСТ Р 53429-2009.
- Стандарт IPC-2221.