¿Qué distancia puede alcanzar la tensión de red en el aire?

Me pregunté esto mientras soldaba una placa de circuito de voltaje de red y me sorprendió lo cerca que estaban las huellas. Tiene implicaciones obvias en el diseño de enchufes eléctricos y la proximidad de los cables cuando se hace algo relacionado con el voltaje de la red.

He intentado hacer preguntas sensatas a los motores de búsqueda como "¿hasta dónde puede llegar un arco de 240 V a 1 atmósfera" y "hasta dónde puede saltar la electricidad", pero no he encontrado ninguna respuesta fácil. Esta calculadora indica que solo toma voltajes entre 400 y 3000VDC.

Al hacer esta pregunta, espero que las personas del futuro puedan encontrar la respuesta de forma rápida y sencilla.

Mi investigación sugiere que la distancia del arco depende del medio y la presión, así que supongamos aire (~79 % nitrógeno, ~20 % oxígeno, ~1 ​​% argón y algunas otras cosas) a 1 atmósfera o 1,01325 bar.
Una respuesta también me ha llamado la atención sobre el efecto de la temperatura y la humedad. Suponiendo que las temperaturas más altas y las humedades más altas aumentan la posible distancia de arco, elijamos algo duro como 40 grados centígrados y 95% de humedad.

Dada una tensión de red de 230 VCA en el Reino Unido, ¿qué tan cerca deberían estar dos cables de cobre sin aislar (como ejemplo) antes de que se pueda formar un arco entre ellos?

¿Es esto diferente para los rastros en una placa de circuito o los pines en un enchufe?

Para obtener puntos de bonificación, ¿también se podrían dar respuestas para 120 VCA? ¿Los 240 V se arquearían significativamente más lejos que los 230 V? ¿Qué hay de 110V en comparación con 120V?

Estoy buscando respuestas bastante concisas, pero quizás la razón por la que no he encontrado una respuesta simple es porque no hay una...

Esta pregunta es solo por curiosidad. No voy a empezar a volver a cablear los accesorios de red ni a diseñar placas de circuito de 240 V en el corto plazo.

Alguien me dijo una vez, como regla general, en la tierra cada 1000 voltios es 1 mm..
@ppumkin: dada una escala lineal, eso significaría que 240 V podrían formar un arco de aproximadamente 0,24 mm a través del aire, pero aún no hay una respuesta que haya dado esta cifra.
Probablemente en condiciones ideales. Pero el problema es iniciar el proceso de arco, ya que si hay una ruta menos resistiva, como un circuito impreso, las posibilidades de arco son menos probables. Si no hay otra ruta y los electrones se amontonan en la ruta de la PCB, es posible que se formen microarcos en estas condiciones. Pero el aislamiento de PCB es otra barrera (ya que el aislamiento ya no cuenta como espacio de aire). ¿A qué distancia están estos rastros de PCB de los que hablas? y que voltaje entra.

Respuestas (3)

El voltaje de ruptura del aire varía significativamente debido a cambios en la humedad, la presión y la temperatura. Sin embargo, una guía aproximada es que toma 1 kV por milímetro.

Dado que ahí es donde ocurren los arcos, no querrás estar cerca de eso en un circuito real. En una placa de circuito, también debe considerar la conducción a lo largo de la superficie. Esta es la razón por la que a menudo se habla de liquidación y creación en la misma discusión.

El espacio libre es el camino más recto entre dos conductores. Aquí es donde se aplica la guía aproximada de 1 kV/mm para la formación de arcos.

Creapage es la distancia más corta entre dos conductores a lo largo de una superficie. El gradiente de ruptura para la formación de arrugas es más bajo que para el espacio libre, ya que la suciedad se puede acumular en las superficies. Parte de la suciedad es parcialmente conductora por sí sola, pero muchas cosas pueden proporcionar vías de fuga después de absorber algo de humedad. Eche un vistazo a las especificaciones de las fuentes de alimentación médicas, por ejemplo, y verá grandes requisitos mínimos de creapage para garantizar bajas corrientes de fuga.

Existen varios estándares de seguridad que requieren distancias mínimas de espacio libre y de creación de acuerdo con la aplicación, el voltaje y, a veces, los parámetros ambientales. Para la mayoría de los equipos de consumo ordinarios, un espacio libre de 5 mm es un aislamiento suficientemente bueno entre las partes que puede tocar el usuario y la alimentación de CA de 120 V. Sin embargo, realmente debe mirar los estándares relevantes, especialmente si está haciendo algo fuera de lo común.

He leído repetidamente arcos de AIRE SECO entre placas lisas y planas a 3000 voltios por milímetro.
Tal vez tenga en cuenta que el recubrimiento y el encapsulado pueden reducir bastante las distancias requeridas. A veces, el recubrimiento puede ser difícil de detectar para alguien que no esté familiarizado con el tema, por lo que las distancias pueden parecer terriblemente cercanas.
Gracias por tu respuesta informativa. La información sobre la fuga es muy interesante, y puedo ver cómo merece consideración cuando se colocan trazas en una placa de circuito. Aunque fueron los rastros los que me hicieron pensar, la pregunta es realmente sobre arcos a través del aire ( 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?). Suponiendo que una temperatura más alta y una humedad más alta aumentan la distancia, elijamos un ejemplo bastante duro como 40 grados centígrados y 95% de humedad. Editaré la pregunta.

Dada una tensión de red de 230 VCA en el Reino Unido, ¿qué tan cerca deberían estar dos cables de cobre sin aislar (como ejemplo) antes de que se pueda formar un arco entre ellos?

La respuesta es, depende. Hay una variedad de factores que incluyen el aire, la presión/elevación, la humedad y la suciedad del medio ambiente que afectan la distancia que se puede formar un arco entre dos conductores.

Las juntas de estándares internacionales (a saber, IPC e IEC) han establecido distancias mínimas entre conductores aislados. Los conductores no aislados no son seguros para su uso en productos, por lo que no se proporcionan esas distancias. Los conductores no aislados en PCB o conectores se tratan en la sección de separación de la tabla. Estas especificaciones son para evitar la formación de arcos o cualquier tipo de riesgo de incendio. También se debe tener en cuenta que para ver las especificaciones reales, deberá comprarlas de IEC (como IEC 61010-1 ), pero hay mucha información sobre el contenido de estas especificaciones disponible en la web.

ingrese la descripción de la imagen aquíFuente: http://www.pcbtechguide.com/2009/02/creepage-vs-clearance.html

También se debe tener en cuenta que la distancia cambia según el entorno (grado de contaminación), un entorno que vea más suciedad/humedad tendrá un espacio más corto. Las distancias en la tabla anterior son para un grado de contaminación 2 que probablemente cubriría la mayoría de los diseños, si no, busque una tabla (o compre las especificaciones) para el grado de contaminación para el que está diseñando.

ingrese la descripción de la imagen aquíFuente: http://www.ni.com/white-paper/2871/en/

¿Es esto diferente para los rastros en una placa de circuito o los pines en un enchufe?

Sí. En la primera tabla, la distancia esencialmente se duplica para conductores fuera de PCB.

Para obtener puntos de bonificación, ¿también se podrían dar respuestas para 120 VCA? ¿Los 240 V se arquearían significativamente más lejos que los 230 V? ¿Qué hay de 110V en comparación con 120V?

En la tabla anterior, si solo se diseña para 120 V, la distancia es más corta.

La ley de Paschen describe el voltaje mínimo requerido para iniciar un arco eléctrico en gas .

En espacios grandes, depende aproximadamente linealmente de la distancia y también depende de la composición, la temperatura y la presión del gas. Para aire a temperatura y presión estándar, es de aproximadamente 3,3 MV/m. A medida que la brecha se vuelve muy pequeña, el voltaje para crear una chispa en realidad aumenta nuevamente. La chispa es causada por electrones libres que son acelerados por el voltaje que elimina otros electrones de las moléculas de aire. Si la brecha es demasiado pequeña, no pueden acelerar lo suficiente para eliminar otro electrón antes de golpear el electrodo positivo. Esto significa que hay un voltaje de chispa mínimo de 327 V a 7,5 µm en aire normal.

240 V CA tiene un voltaje máximo de ~ 340 V, por lo que es posible que pueda hacer que se encienda brevemente cerca del pico con una brecha cercana a los 7,5 µm. 120VAC no chispeará en el aire.

En el mundo real puede haber sobretensiones transitorias, contaminantes, condensación, etc. No debe confiar en lo anterior por motivos de seguridad.

Todavía no lo ha mencionado nadie, pero ¿sería más fácil comenzar con una descarga puntual, por ejemplo, el punto de un hilo de cable perdido a la misma distancia que un conductor liso? Este es el principio de funcionamiento del pararrayos donde la tensión eléctrica se concentra en la punta.
La Ley de Paschen es para campos uniformes, y las intensidades de campo son mayores en superficies con un pequeño radio de curvatura. No conozco una manera fácil de calcular el voltaje de ruptura en un campo no uniforme, pero aún se aplicarán los mismos efectos físicos que causan el mínimo. En un nivel práctico, incluso una aguja de coser tiene una punta de 10 µm de ancho, por lo que el campo entre dos agujas separadas por 7,5 µm seguirá siendo bastante uniforme. Espero que necesite algo realmente inusualmente afilado para afectar fuertemente el voltaje mínimo.
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