Redigerer Elektrisk gjennomslag (avsnitt)

== Feil i elektrisk isolasjon ==
Elektrisk gjennomslag er ofte forbundet med svikt i faste eller flytende isolasjonsmaterialer i komponenter som brukes i høyspente kraftsystemer, som [[transformator]]er eller [[Kondensator (elektrisk)|kondensator]]er.

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.<ref name="AA155">[[#AA|Aksdal, Audkjell: ''Høyspenning'' side 155.]]</ref>

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 felt]]styrke, størrelsen av gapet mellom deler med forskjellig spenning, og [[tetthet]]en 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 ===
[[Fil:Capacitor schematic.svg|thumb|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 <math> E </math> mellom platene som er separert med avstanden <math> d </math>.]]

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 <math> U </math> oppstår en elektrisk feltstyrke <math> E </math> gitt av

<math> E = { U \over d }</math>

der <math> d </math> 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.<ref>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 25.]]</ref>. Om det elektriske feltet veksler, som vil være tilfelle om det er snakk om en påtrykket [[Vekselstrøm|vekselspenning]], vil dipolene svinge med svingningene til feltet noe som gir varmeutvikling.<ref>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 96-97.]]</ref> 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 [[frekvens]]en.<ref name=TOV105>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 105.]]</ref>

Rent elektrisk gjennomslag kan skje i løpet av noen μs (10<sup>−6</sup> 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 [[lednignsbånd]]et, 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.<ref>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 106-107.]]</ref>

=== Gjennomslag i væsker ===
Teoriene for mekanismene for gjennomslag i væsker er veldig lik de hypotesene som er fremsatt for faste stoffer.<ref name=TOV116>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 116.]]</ref> 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&nbsp;000&nbsp;kV/mm<ref>{{cite web|url=http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_3/backbone/r3_5_1.html |title=3.5.1 Electrical Breakdown and Failure |publisher=Tf.uni-kiel.de |accessdate=2011-11-08}}</ref> 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.<ref name=TOV116/>

=== 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&nbsp;∙&nbsp;10<sup>6 </sup>&nbsp;[[volt|V]]/m eller 3&nbsp;kV/mm<ref>{{cite web|url=http://hypertextbook.com/facts/2000/AliceHong.shtml|last=Hong|first=Alice|work=The Physics Factbook|year=2000|title=Dielectric Strength of Air}}</ref>) 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.<ref name="AA155"/>

[[Fil:JakobsLadder.ogv|right|thumb|Jakobsstige med stadig nye vandrende lysbuer. Innretningen som har hentet sitt navn fra den bibelske fortellingen om patriarken [[Jakob (stamfar)|Jakob]]s 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.<ref name=TOV66>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 66.]]</ref> For eksempel kan dette skje i en [[effektbryter|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 10<sup>15</sup> kV/mm, som forøvrig kalles [[Schwingers grense]] etter [[Julian Seymour Schwinger]] (1918-1994).

=== Vedvarende lysbuer ===
Hvis en [[Sikring (elektrisk)|sikring]] eller [[Strømbryter|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&nbsp;000&nbsp;°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.<ref>{{cite web | title = Lab Note #106 ''Environmental Impact of Arc Suppression'' | author=  | publisher = Arc Suppression Technologies | date = April 2011 | url = http://www.arcsuppressiontechnologies.com/arc-suppression-facts/lab-app-notes/ | accessdate = 15. mars 2012}}</ref>

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 [[tennplugg]]en 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 [[Emisjonsspekter|energinivå]]et til atomene i gassen.

=== Forhold mellom strøm og spenning ved gjennomlsag ===
[[Image:TownsendVI-en.svg|thumb|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&nbsp; 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 &nbsp;2. Region &nbsp;3 og 4 er forårsaket av skred av ioner som forklart av [[Townsend utladning]]smekanisme.

[[Friedrich Paschen]] (1865-1947) oppdaget sammenhengen for forholdet fra der gjennomslagstilstanden inntreffer og gjennomslagsspenningen. Han utledet [[Paschen's lov]] som definerer overslagsspenningen <math>V_b </math> for uniforme luftgap som en funksjon av gap lengde <math> d </math> og gasstrykket <math> p </math>:<ref name="Subir">{{Kilde bok | tittel = An Introduction to High Voltage Engineering | etternavn= Ray | fornavn = Subir | utgiver = PHI Learning | år = 2009 | ISBN = 978-8120324176 | plassering = | sider = 19-21 | url = https://books.google.es/books?isbn=812032417X}}</ref>

<math>V_b = {Bpd \over ln{Apd\over ln (1+{1\over\gamma})}}</math>

<Math> A </math> og <math> B </math> er konstanter som avhengiger av gassen som er involvert og <math>\gamma </math> er antallet elektroner som løsrives ved den negative elektroden, altså  [[katode]]n.<ref name="Subir"/><ref>[[#TOV|Thorsen, Olav Vaag: ''Høyspenningsteknikk'' side 74.]]</ref>

Paschen utledet også et forhold mellom den minste verdi av gasstrykk hvor det forekommer gjennomslag med en minimums-spenning:<ref name="Subir"/>

<math>(pd)_{min} = {2,718\over A} ln (1+{1\over \gamma})</math>

<math>V_{bmin} = 2,718 {B\over A} ln (1+ {1\over \gamma})</math>

der symbolene har samme betydning som forklart lenger opp.