Wie weit kann Netzspannung in Luft schlagen?

Das habe ich mich beim Löten einer Netzspannungsplatine gefragt und war überrascht, wie dicht die Leiterbahnen beieinander liegen. Es hat offensichtliche Auswirkungen auf das Design von elektrischen Steckern und die Nähe von Drähten, wenn irgendetwas mit Netzspannung zu tun hat.

Ich habe versucht, Suchmaschinen vernünftige Fragen zu stellen, wie "Wie weit kann 240 V bei 1 Atmosphäre bogenförmig sein" und "Wie weit kann Elektrizität springen", aber ich habe keine einfache Antwort gefunden. Dieser Rechner gibt an, dass er nur Spannungen zwischen 400 und 3000 VDC benötigt.

Indem ich diese Frage stelle, hoffe ich, dass zukünftige Menschen die Antwort schnell und einfach finden können.

Meine Forschung legt nahe, dass die Lichtbogenentfernung vom Medium und vom Druck abhängt. Nehmen wir also Luft (~ 79 % Stickstoff, ~ 20 % Sauerstoff, ~ 1 % Argon und einige andere Dinge) bei 1 Atmosphäre oder 1,01325 Bar an.
Eine Antwort hat mich auch auf den Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit aufmerksam gemacht. Unter der Annahme, dass sowohl höhere Temperaturen als auch höhere Luftfeuchtigkeit die mögliche Lichtbogenentfernung erhöhen, wählen wir etwas Hartes wie 40 Grad Celsius und 95 % Luftfeuchtigkeit.

Wie nahe müssten bei einer Netzspannung von 230 VAC in Großbritannien zwei nicht isolierte Kupferdrähte (als Beispiel) sein, bevor sich zwischen ihnen ein Lichtbogen bilden könnte?

Ist das anders bei Leiterbahnen auf einer Platine oder Pins in einem Stecker?

Könnten für Bonuspunkte auch Antworten für 120 VAC gegeben werden? Würden 240 V deutlich weiter als 230 V bogen? Wie wäre es mit 110 V im Vergleich zu 120 V?

Ich suche nach ziemlich prägnanten Antworten, aber vielleicht habe ich keine einfache Antwort gefunden, weil es keine gibt ...

Diese Frage ist nur aus Neugier. Ich werde in nächster Zeit nicht damit anfangen, Netzgeräte neu zu verdrahten oder 240-V-Leiterplatten zu entwerfen.

Jemand hat mir einmal gesagt, als Faustregel gilt, dass auf der Erde alle 1000 Volt 1 mm sind.
@ppumkin: Bei einer linearen Skala würde das bedeuten, dass 240 V einen Bogen von etwa 0,24 mm durch die Luft machen könnten, aber diese Zahl wurde noch nicht beantwortet.
Unter idealen Bedingungen wahrscheinlich. Das Problem besteht jedoch darin, den Lichtbogenprozess zu starten, denn wenn es einen weniger resistiven Weg gibt, wie z. B. eine Leiterbahn, ist die Wahrscheinlichkeit eines Lichtbogens geringer. Wenn es keinen anderen Weg gibt und Elektronen auf dem PCB-Weg zusammengepfercht werden, könnten sie unter diesen Bedingungen möglicherweise einen Mikrobogen bilden. Aber die PCB-Isolierung ist eine weitere Barriere (da die Isolierung nicht mehr als Luftspalt zählt). Wie weit sind diese PCB-Spuren voneinander entfernt, von denen Sie sprechen? und welche spannung kommt da rein.

Antworten (3)

Die Durchschlagsspannung von Luft variiert erheblich aufgrund von Änderungen in Feuchtigkeit, Druck und Temperatur. Ein grober Richtwert ist jedoch, dass es 1 kV pro Millimeter braucht.

Da hier ungefähr Bögen auftreten, möchten Sie in einer echten Schaltung nicht annähernd so weit sein. Auf einer Leiterplatte müssen Sie auch die Leitung entlang der Oberfläche berücksichtigen. Aus diesem Grund wird in derselben Diskussion häufig von Freigang und Crepage gesprochen .

Abstand ist der geradeste Weg zwischen zwei Leitern. Hier gilt der grobe Richtwert von 1 kV/mm für Lichtbögen.

Creapage ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Leitern entlang einer Oberfläche. Der Abbaugradient beim Kriechen ist geringer als beim Freigang, da sich auf Oberflächen Schmutz ansammeln kann. Einige Verschmutzungen sind von sich aus teilweise leitfähig, aber viele Dinge können nach dem Aufsaugen von Feuchtigkeit Leckpfade bilden. Werfen Sie zum Beispiel einen Blick auf die Spezifikationen für medizinische Netzteile, und Sie werden große Anforderungen an die minimale Kriechstrecke sehen, um niedrige Leckströme zu gewährleisten.

Es gibt verschiedene Sicherheitsstandards, die je nach Anwendung, Spannung und manchmal Umgebungsparametern Mindestluft- und Kriechstrecken erfordern. Für die meisten gewöhnlichen Verbrauchergeräte ist ein Abstand von 5 mm eine ausreichende Isolierung zwischen vom Benutzer berührbaren Teilen und 120-V-Wechselstrom. Sie sollten sich jedoch unbedingt die einschlägigen Normen ansehen, insbesondere wenn Sie etwas Außergewöhnliches tun.

Ich habe wiederholt DRY AIR-Bögen zwischen glatten flachen Platten bei 3.000 Volt pro Millimeter gelesen.
Beachten Sie vielleicht, dass Beschichtung und Verguss die erforderlichen Abstände um einiges verringern können. Beschichtung kann manchmal für jemanden, der mit dem Thema nicht vertraut ist, schwer zu erkennen sein, sodass Entfernungen schrecklich eng erscheinen können.
Danke für deine informative Antwort. Die Informationen zum Kriechen sind sehr interessant, und ich kann sehen, wie es beim Anbringen von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte berücksichtigt werden muss. Obwohl es die Spuren waren, die mich zum Nachdenken gebracht haben, geht es bei der Frage wirklich um Lichtbögen durch Luft ( Given a mains voltage of 230VAC in the UK, how close would two uninsulated copper wires [...] need to be before an arc could form between them?). Unter der Annahme, dass sowohl eine höhere Temperatur als auch eine höhere Luftfeuchtigkeit den Abstand vergrößern, wählen wir ein ziemlich hartes Beispiel wie 40 Grad Celsius und 95 % Luftfeuchtigkeit. Ich werde die Frage bearbeiten.

Wie nahe müssten bei einer Netzspannung von 230 VAC in Großbritannien zwei nicht isolierte Kupferdrähte (als Beispiel) sein, bevor sich zwischen ihnen ein Lichtbogen bilden könnte?

Die Antwort lautet: Es kommt darauf an. Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, darunter Luft, Druck/Höhe, Feuchtigkeit und Schmutz aus der Umgebung, die alle den Abstand beeinflussen, den ein Lichtbogen zwischen zwei Leitern bilden kann.

Internationale Normungsgremien (insbesondere IPC und IEC) haben Mindestabstände zwischen isolierten Leitern festgelegt. Unisolierte Leiter sind für die Verwendung in Produkten nicht sicher, daher sind diese Abstände nicht angegeben. Unisolierte Leiter in Leiterplatten oder Steckverbindern sind im Abschnitt Freiräume der Tabelle enthalten. Diese Spezifikationen sollen Lichtbögen oder jede Art von Brandgefahr verhindern. Es sollte auch beachtet werden, dass Sie, um die tatsächlichen Spezifikationen anzuzeigen, diese bei IEC kaufen müssen (wie IEC 61010-1 ), aber es gibt viele Informationen zum Inhalt dieser Spezifikationen im Internet.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einQuelle: http://www.pcbtechguide.com/2009/02/creepage-vs-clearance.html

Es ist auch zu beachten, dass sich der Abstand je nach Umgebung (Verschmutzungsgrad) ändert, eine Umgebung mit mehr Schmutz/Feuchtigkeit hat einen kürzeren Abstand. Die Abstände in der obigen Tabelle gelten für einen Verschmutzungsgrad von 2, der wahrscheinlich die meisten Designs abdecken würde. Wenn nicht, finden Sie eine Tabelle (oder kaufen Sie die Spezifikation) für den Verschmutzungsgrad, für den Sie entwerfen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einQuelle: http://www.ni.com/white-paper/2871/en/

Ist das anders bei Leiterbahnen auf einer Platine oder Pins in einem Stecker?

Ja. In der ersten Tabelle verdoppelt sich der Abstand im Wesentlichen für Leiter außerhalb der Leiterplatte.

Könnten für Bonuspunkte auch Antworten für 120 VAC gegeben werden? Würden 240 V deutlich weiter als 230 V bogen? Wie wäre es mit 110 V im Vergleich zu 120 V?

In der obigen Tabelle ist der Abstand kürzer, wenn nur für 120 V ausgelegt wird.

Die Mindestspannung, die zum Auslösen eines Lichtbogens in Gas erforderlich ist, wird durch das Paschensche Gesetz beschrieben.

Bei großen Lücken hängt sie ungefähr linear vom Abstand ab und hängt auch von der Zusammensetzung, Temperatur und dem Druck des Gases ab. Für Luft bei Standardtemperatur und -druck sind es etwa 3,3 MV/m. Wenn die Lücke sehr klein wird, steigt die Spannung zum Erzeugen eines Funkens tatsächlich wieder an. Der Funke wird durch freie Elektronen verursacht, die durch die Spannung beschleunigt werden und andere Elektronen von Luftmolekülen abschlagen. Wenn die Lücke zu klein ist, können sie nicht genug Anlauf bekommen, um ein weiteres Elektron abzuschlagen, bevor sie die positive Elektrode treffen. Dies bedeutet, dass in normaler Luft eine minimale Zündspannung von 327 V bei 7,5 µm vorhanden ist.

240 VAC haben eine Spitzenspannung von ~ 340 V, sodass Sie möglicherweise in der Nähe der Spitze mit einer Lücke von fast 7,5 µm kurzzeitig funken können. 120 VAC funken nicht in der Luft.

In der realen Welt kann es zu transienten Überspannungen, Verunreinigungen, Kondensation usw. kommen. Aus Sicherheitsgründen sollten Sie sich nicht auf die oben genannten Punkte verlassen.

Es wurde noch von niemandem erwähnt, aber wäre eine Punktentladung einfacher zu starten, z. B. an der Spitze einer streunenden Drahtlitze bei gleichem Abstand wie bei einem glatten Leiter? Dies ist das Funktionsprinzip des Blitzableiters, bei dem die elektrische Belastung an der Spitze konzentriert ist.
Das Gesetz von Paschen gilt für gleichförmige Felder, und die Feldstärken sind tatsächlich größer auf Oberflächen mit einem kleinen Krümmungsradius. Ich kenne keinen einfachen Weg, um die Durchbruchspannung in einem ungleichmäßigen Feld zu berechnen, aber es gelten immer noch dieselben physikalischen Effekte, die das Minimum verursachen. Auf praktischer Ebene hat sogar eine Nähnadel eine Spitze mit einem Durchmesser von 10 µm, sodass das Feld zwischen zwei Nadeln, die 7,5 µm voneinander entfernt sind, immer noch ziemlich gleichmäßig ist. Ich gehe davon aus, dass Sie etwas wirklich ungewöhnlich Scharfes brauchen würden, um die Mindestspannung stark zu beeinflussen.
Wie weit kann Netzspannung in Luft schlagen?
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