Elektrisk gjennomslag

Elektrisk gjennomslag ved elektrisk utladning viser bånd-lignende plasmatråder fra en Tesla-spole.

Foto: Ian Tresman

Elektrisk gjennomslag eller dielektrisk sammenbrudd er en sterk reduksjon i motstanden over en elektrisk isolator når spenningen over den overstiger gjennomslagsspenningen. Dette resulterer i at isolatoren blir elektrisk ledende. Elektrisk gjennomslag kan være en kortvarig hendelse som i en elektrostatisk utladning, eller kan føre til en vedvarende lysbue, ofte forårsaket av sterk energiavgivelse og ødeleggelse.

Under tilstrekkelig spenningspåtrykk kan elektrisk gjennomslag skje i faste stoffer, væsker, gasser eller vakuum. Men de spesifikke nedbrytningsmekanismer er vesentlig forskjellige for hver enkelt av aggregattilstandene, og innenfor forskjellige typer dielektriske medium.

Elektrisk gjennomslag er ødeleggende for anleggkomponenter, og kan også påføre store skader på mennesker. Det gjøres derfor mange tiltak for å både begrense sannsynligheten og redusere skadene når det først skjer.

Feil i elektrisk isolasjon

Elektrisk gjennomslag er ofte forbundet med svikt i faste eller flytende isolasjonsmaterialer i komponenter som brukes i høyspente kraftsystemer, som transformatorer eller kondensatorer.

Gjennomslag er også noe som kan skje i gass eller luftisolerte anlegg, som isolatorer i utendørsinstallasjoner. Spesielt er utendørsinstallasjoner utsatt ved at støv og skitt på isolatorer kan føre til overslag, eller at et tre har vokst så høyt at dets greiner kommer for nært en faseleder i en kraftlinje. En annen årsak er overspenning på grunn av lynnedslag.

Gjennomslagsmekanismene synes å variere mellom faste stoffer, væsker og gasser. Mekanismene som inntreffer ved gjennomslaget påvirkes av materiale, sterke krumninger (skarpe kanter) av ledermaterialet, som resulterer i lokalt intensiverte elektrisk feltstyrke, størrelsen av gapet mellom deler med forskjellig spenning, og tettheten til materialet i gapet. Som oftest skjer gjennomslag når den elektriske feltstyrken blir så stor at stoffets såkalte dielektrisk holdfasthet overstiges.

Gjennomslag i faste stoffer

Skjematisk fremstilling av en kondensator eller et hvilket som helst fast stoff mellom to elektroder med motsatt spenning. Spenningen som er påtrykket forsårsaker det elektriske feltet $E$ mellom platene som er separert med avstanden $d$.

I faste materialer, som for eksempel en høyspent kraftkabel, vil ofte et langtids partielt gjennomslag skje forut for selve gjennomslaget. Denne påvirkningen over tid degraderer isolasjonsmaterialet og metall nærmeste det påvirkede stedet. Til sist oppstår en utbrent kanal av karbonisert materiale som leder strøm.

Et enkelt tilfelle som demonstrerer prinsippene for gjennomslag i faste stoffer betraktes kondensatoren til høyre. Den har to parallelle platter med et fast isolerende stoff mellom dem. Med en påtrykket spenning $U$ oppstår en elektrisk feltstyrke $E$ gitt av

$E={U \over d}$

der $d$ er avstanden mellom platene. Det forutsettes at feltet er homogent. Med tilstrekkelig sterkt elektrisk felt vil gjennomslag kunne skje på grunn av to mekanismer: varmegjennomslag eller elektrisk gjennomslag.

Varmegjennomslag skjer fordi molekylene i isolasjonsmediet, også kalt dielektrikumet, blir påvirket når det påtrykkes et elektrisk felt. Molekylene med sine elektriske partikler er enten dipoler, altså at de har postiv og negative poler, som blir påvirket av et elektrisk felt og dreier seg mot dette. En annen mulighet er at stoffet er nøytralt, men under påvrikning av et elektrisk felt dannes dipoler. I begge tilfeller vil dipolene orientere seg i feltets retning.. Om det elektriske feltet veksler, som vil være tilfelle om det er snakk om en påtrykket vekselspenning, vil dipolene svinge med svingningene til feltet noe som gir varmeutvikling. Denne varmeutviklingene kan føre til så stor temperaturutvikling av dielektrikummet enderer egenskaper og gjennomslag kan inntreffe. Tiden for at slike varmegjennomslag inntreffer kan være mange timer. I prinsippet er ikke varmegjennomslag avhengig av den elektriske feltstyrken, men av frekvensen.

Rent elektrisk gjennomslag kan skje i løpet av noen μs (10⁻⁶ sekund). Denne mekanismen er avhengig av blant annet feltstyrken, men det er flere konkurrerende teorier og ikke avklart hva som er riktig. En forklarer gjennomslag ved at elektronene får stadig høyere energinivåer ved elektrisk feltpåvirkning. Elektroner kommer opp i lednignsbåndet, altså de blir frie elektroner, som akselrerer på grunn av feltstyrken og dermed i neste omgang koliderer med nøytrale elktroner. Disse kollisjonene frigjør enda flere elektroner som leder til et såkalt elektronskredd når gjennomslaget inntreffer. Etter det såkalte høyenergikriterium inntreffer gjennomslaget når elektonenes energiøkning er større enn minskningen. I tillegg spiller temperaturen i mediet en rolle, det samme gjør også påkjenningstiden og det elektriske feltets form. Det siste betyr at spenningens som funksjon av tiden spiller en rolle: for eksempel sinusformet eller rampeform.

Gjennomslag i væsker

Teoriene for mekanismene for gjennomslag i væsker er veldig lik de hypotesene som er fremsatt for faste stoffer. Andre mulige mekanismer for gjennomslag i væsker er: bobler, små urenheter og elektrisk overoppheting. Prosessen med gjennomslag i væsker synes å være mer komplisert på grunn av hydrodynamiske effekter, ettersom trykkstigninger fører til strømninger og ekspansjon.

Olje er mye brukt som isolasjonsmedium i elektriske komponenter som transformatorer og kraftkabler for høyspenning. I oljeisolerte apparater og maskiner vil elektrisk feltstyrken for gjennomslag være 10-15 000 kV/mm Til tross for at det brukes rensede oljer er ofte små partikkelforurensninger eller fuktighet ofte årsaken til gjennomslag.

En mekanisme er partielle utladninger i gassbobler, om slike finnes i oljen. En slik utladning har sin årsak i høy elektrisk feltstyrke. Videre dekomposisjon og fordampning fører til ytterligere dannelse av gassbobler med ioniserte gasser. Dette kan vokse raskt til store gassblærer som leder til fullstendig gjennomslag. Andre årsaker med tilhørende forklarende hypoteser er ionisering av oljen, som videre fører til ladningtransport mellom komponenter med forskjellig spenning.

Gjennomslag i gasser

Elektrisk gjennomslag inntreffer i en gass (eller blanding av forskjellige gasser, for eksempel luft) når dens dielektrisk holdfasthet blir overskredet ved spenningsstigning. Regioner med intense spenningsgradient kan føre til at gass i nærheten delvis ioniserer og begynne å lede elektriske ladninger. For øvrig er dette et fenomen en drar nytte av i lysrør, der det er en gass som under lavt trykk som leder ladninger mellom elektroder slik at fluorescens prosesser finner sted.

Delvis elektrisk gjennomslag i luften fører til en karakteristisk "frisk luft", som egentlig er ozon som dannes under tordenvær eller rundt høyspentutstyr. Selv om luften normalt er en utmerket isolator, vil den ved om den utsettes for tilstrekkelig høy elektrisk feltstyrke (cirka 3 ∙ 10⁶  V/m eller 3 kV/mm) kan den bli delvis ledende. Over forholdsvis små gap vil gjennomslagsspenning i luft være en funksjon av avstanden og trykket. Hvis spenningen er tilstrekkelig høy, vil komplett elektrisk gjennomslag av luft munne ut i en lysbue som bygger bro over hele gapet.

Om anlegget gjøres spenningsløst i kort tid vil den ioniserte gassen der gjennomslaget inntraff raskt forsvinne av seg selv. For eksempel vil en lysbue mot en grein som tidvis kommer for nært en kraftlinje forsvinne om strømtilførselen slås av et øyeblikk. Andre feil er skitt og smuss på isolatorer, lynoverspenning, dyr og fugler som setter seg på isolatorer, samt mange andre tilfeller som gir lysbue og kortslutning. Fordi denne og mange andre typer feil skjer hyppig har alle kraftlinjer spesielle vern som kobler ut bryterne ved kortslutting, og legger inn spenningen rett etterpå. En regner med at 75-85 % av slike feil forsvinner etter automatisk frakobling og påfølgende innkobling.

Jakobsstige med stadig nye vandrende lysbuer. Innretningen som har hentet sitt navn fra den bibelske fortellingen om patriarken Jakobs drøm om en himmelstige.

Såkalte gnistgap utnytter egenskapen til luft med å gå tilbake til isolerende tilstand etter at spenningen går tilbake til normal lav verdi. Gnistgapets oppgave er å avlede overspenninger til jordpotensial for å beskytte telekommunikasjon og kraftsystemer. Et lignende innretning er den såkalte Jakobsstige som er ment mer for underholdning, se video til høyre.

Fargen på gnisten eller lysbuen avhenger av gassene som utgjør isolasjonsmediet. Mens små gnister som genereres av statisk elektrisitet knapt er hørbar, er større gnister ofte ledsaget av et stort smell eller brak. Lyn er et eksempel på en enorm gnist som kan være mange kilometer lang.

Selv i vakuum kan elektrisk gjennomslag inntreffe. Det er da ofte snakk om metaller som bidrar til gjennomslaget i et vakuumkammer med forskjellige spenninger. På overflaten av metaller med sterke elektriske felt kan det skje at elektroner emitteres fra atomkjernene og rives løs fra metallets ytterste overflate. For eksempel kan dette skje i en vakuum-effektbryter der det oppstår elektrisk gjennomslag når bryterdelene skal åpen for å bryte strømmen, og spenningen bygger seg opp mellom kontaktene.

Vakuum har en grense for gjennomslag på 10¹⁵ kV/mm, som forøvrig kalles Schwingers grense etter Julian Seymour Schwinger (1918-1994).

Vedvarende lysbuer

Hvis en sikring eller bryter unnlater å frakoble energitilførselen om det har oppstått en kortslutning med lysbue i et elektrisk anlegg, kan strømgjennomgangen bli stående slik at det meget sterk varmeutvikling skjer med temepratur på rundt 30 000 °C. Fargen på en lysbue avhenger først og fremst på gassen den forplanter seg i, hvorav noe kan ha vært faststoffer som fordamper og blandes inn i det varme plasmaet i lysbuen. De frie ioner i og rundt lysbuen rekombinerer for å skape nye kjemiske forbindelser, som for eksempel ozon, karbonmonoksid og dinitrogenoksid. Ozon er lettest å merke på grunn av sin distinkte lukt.

Elektrisk gjennomslag og utvikling av lysbue er eksplosjonsartet og kan skape store ødeleggelser, for eksempel ved at det slynges ut smeltet metall og brennende isolasjonsstoffer. En kortslutning i en transformator kan svært hurtig utvikle seg til en eksplosjon med brennende transformatorolje som slynges ut når tanken den står i rives i stykker. For mennesker som står for nært feilstedet kan blant annet brannskader, blindhet eller død inntreffe. Spesielt om dette skje innendørs kan trykkstigningen være fatal for mennesker. Det er derfor vanlig at rom for høyspentinstallasjoner har spesielle vegger som vil slå ut ved trykkstigning, for dermed å slippe trykket ut av rommet. Bannslukningssystemer og sensorer er også vanlig.

Selv om gnister og lysbuer vanligvis er uønsket, kan de være nyttige i flere anvendelser slik som tennpluggen for bensinmotorer, elektrisk sveising av metaller, eller for smelting av metaller i en lysbueovn. Lysbuen vil lyser med forskjellige farger som er avhengige av de energinivået til atomene i gassen.

Forhold mellom strøm og spenning ved gjennomlsag

Spenning- og strømforhold før elektrisk gjennomslag.

Før gassens gjennomslag er det en ikke-lineær sammenheng mellom spenning og strøm vist i figuren til høyre. I region 1  er det frie ioner som kan bli akselerert av feltet og som da fører til strømgjennomgang. Om spenningen fortsetter å øke vil det fortsatt være en konstant strøm slik som vist i region  2. Region  3 og 4 er forårsaket av skred av ioner som forklart av Townsend utladningsmekanisme.

Friedrich Paschen (1865-1947) oppdaget sammenhengen for forholdet fra der gjennomslagstilstanden inntreffer og gjennomslagsspenningen. Han utledet Paschen's lov som definerer overslagsspenningen $V_{b}$ for uniforme luftgap som en funksjon av gap lengde $d$ og gasstrykket $p$:

$V_{b}={Bpd \over ln{Apd \over ln(1+{1 \over \gamma })}}$

$A$ og $B$ er konstanter som avhengiger av gassen som er involvert og $\gamma$ er antallet elektroner som løsrives ved den negative elektroden, altså katoden.

Paschen utledet også et forhold mellom den minste verdi av gasstrykk hvor det forekommer gjennomslag med en minimums-spenning:

$(pd)_{min}={2,718 \over A}ln(1+{1 \over \gamma })$

$V_{bmin}=2,718{B \over A}ln(1+{1 \over \gamma })$

der symbolene har samme betydning som forklart lenger opp.

Korona

Korona på en isolatorkjede for en høyspentlinje på 500 kV fotografert med lang eksponeringstid. Fenomenet kan også høres som en summende lyd, som forsterkes ved regn. Korona er et problem som blant annet medfører elektriske tap ved kraftoverføring.

Delvis gjennomslag i luft oppstår som en koronautladning på ledere for høyspenning, spesielt på punkter med store elektriske feltgradienter. Ledere som består av skarpe punkter, eller kuler med liten radier, er mer sannsynlige å forårsake dielektrisk gjennomslag, fordi feltstyrken på spisse gjenstander er mye høyere enn for plane flater.

Korona kan observeres som en blåaktig glød eller lys, også beskrevet som strålingskrans, rundt høyspentledningene og høres som en «fresende» eller «summende» lyd langs høyspentlinjer. Korona er ofte en fellesbenevnelse for fenomenene glimming og børsteutladninger. Fenomenet kan også genererer radiofrekvensstøy som kan høres som en summende lyd i radiomottakere. Korona kan også forekomme naturlig som St. Elmos Brann ved høye punkter som kirkespir, tretopper, eller skipsmaster under tordenvær.

Glimming er en partiell selvstendig utladning som skjer rundt komponenter med høy spenning. Det er noe som typisk kan observeres rundt komponenter i kraftlinjer med driftspenning over 80 kV. Mekanismene her er ionisering (støtionisering) og akselerasjon av elektroner, som gir seg utslag i lysemisjon.

Børsteutladninger har sitt navn fordi det ut fra en utladingskanal oppstår mange sidegreiner; som på en børste. Fenomenet oppstår ved en positiv elektrode (anode) med skarpe kanter, (sterk krumning). Om spenningen øker ut over det som bare gir glimming vil trege positive ioner danne en utladingskanal mot katoden.

Destruktive tester

Forsøk med dielektrisk gjennomslag i en massiv isolator av gjennomsiktig materiale. Etter gjennomslaget har den fått permanent endre utseende og egenskaper.

I en destruktiv test er planlagt for å skape elektrisk overbelastning av isolasjonsmaterialet. Et elektrisk felt som overgår materialets dielektrisk styrke påtrykkes for å forårsake elektrisk gjennomslag i enheten. Ved gjennomslag vil en plutselig overgang fra isolerende tilstand til ledende tilstand inntreffe. Denne overgang er karakterisert ved dannelse av en elektrisk gnist eller plasmakanal, eventuelt etterfulgt av en lysbue gjennom en del av materiale.

Hvis det dielektriske materialet er fast, vil permanente fysiske og kjemiske endringer langs banen av utladningen redusere materialets dielektriske styrke, og komponenten er dermed ødelagt. Imidlertid vil en væske eller gass gjenopprette sine dielektriske egenskaper fullt etter at spenningen er blitt frakoblet.

Litteratur

• Aksdal, Audkjell (1991). Elektriske anlegg: høyspenning. Oslo: Yrkesopplæring. ISBN 8258507400. 

• Thorsen, Olav Vaag (1993). Høyspenningsteknikk. Oslo: Universitetsforlaget. ISBN 8200413632.