ГОСТ Р 53614-2009 (МЭК 60721-2-3:1987) Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Давление воздуха (Переиздание)

     4 Общие положения

Давление воздуха может воздействовать на изделия разнообразными способами, из которых наиболее существенными являются указанные в 4.1-4.2.

4.1 Давление воздуха ниже нормального на нулевой высоте

4.1.1 Пониженное давление воздуха, проявляющееся на высотах выше нулевой, может воздействовать на изделия следующим образом:

- утечка газов или жидкостей через уплотнения;

- разрыв оболочек, находящихся под давлением;

- изменение физических или химических свойств материалов с низкой плотностью;

- неустойчивая работа или отказ изделий вследствие одного из видов электрического пробоя воздушных промежутков (далее - пробой) (дугового разряда, разового пробоя, в том числе искрения, коронного разряда) из-за уменьшения пробивного напряжения воздуха между двумя электродами вследствие падения давления (см. 4.1.2);

- уменьшение эффективности охлаждения изделия вследствие уменьшения той доли теплоотдачи, которая определяется свободной диффузией воздуха или принудительной воздушной вентиляцией. Например, для тепловыделяющего объекта в форме параллелепипеда, имеющего размеры в пределах от 100 до 200 мм и коэффициент теплоизлучения поверхности 0,7, уменьшение давления воздуха на 30% (что соответствует высоте 3000 м над уровнем моря) приводит к увеличению на 12% превышения температуры изделия над окружающей средой. В других случаях, например для объектов с луженой или полированной металлической поверхностью (имеющих меньший коэффициент теплоизлучения), значение эквивалентного повышения температуры оказывается существенно большим.

Исследованиями установлено, что при давлениях ниже 5 мм рт.ст. (6,7 гПа) доля теплоотдачи посредством воздуха практически исчезает.
     
     Исследованиями также было установлено, что для той формы электрических контактов, которая применяется в коммутационных электротехнических изделиях, минимальная точка находится в диапазоне давлений от 1 до 0,1 мм рт.ст. (1,3·10 кПа). Поэтому в ГОСТ Р 51684 для таких контактов предусмотрена отдельная методика испытаний;

- следствием указанного в предыдущем перечислении увеличения фактической температуры изделия является ускорение ряда процессов разрушения материалов, например испарение пластификаторов, выпаривание смазочных материалов и т.п.

4.1.2 Особенности требований испытаний технических изделий, связанные с явлением возникновения пробоя, базируются на законе Пашена.
     
     Закон Пашена устанавливает, что наименьшее напряжение зажигания газового разряда между двумя плоскими электродами (в однородном электрическом поле) есть величина постоянная (и характерная для данного газа) при одинаковых значениях , где - давление газа, - расстояние между электродами. Закон Пашена - частный случай закона подобия газовых разрядов: явления в разряде протекают одинаково, если произведение давления газа на длину разрядного промежутка остается величиной постоянной, а форма промежутка сохраняется геометрически подобной исходной. Закон Пашена является приближенным.
     
     Ниже более подробно рассматриваются процессы, связанные с пробоем при пониженном давлении.

Когда воздушный промежуток находится в электрическом поле, всегда имеющиеся в воздухе ионизированные частицы [свободные электроны или части молекул (далее - ионы)] движутся в направлении этого поля с ускорением. Если на пути этих ионов встречаются нейтральные молекулы воздуха, происходит соударение, в результате которого при наличии у иона достаточной энергии может образовываться новый ион вместо нейтральной молекулы. В то же время в результате теплового движения некоторая часть положительно и отрицательно заряженных ионов может соударяться между собой с образованием нейтральных частиц. Если число вновь образованных ионов значительно превосходит число нейтрализующихся ионов, процесс нарастает лавинообразно, вследствие чего воздух становится проводящим и возникает один из вышеупомянутых видов пробоя. Таким образом, возможность возникновения пробоя зависит от того, сможет ли движущийся ион накопить достаточную энергию, чтобы при соударении образовать новый ион (что, в свою очередь, зависит от величины напряженности электрического поля и от длины свободного пробега иона в воздухе), а также от того, встретит ли накопивший необходимую энергию ион на своем пути достаточное количество нейтральных частиц воздуха.
     
     При понижении давления воздуха, находящегося в электрическом поле, вследствие уменьшения количества частиц воздуха в единице объема уменьшается вероятность соударения иона с нейтральной частицей, что с точки зрения возникновения пробоя приводит к двум противоположным явлениям:
     
     - с одной стороны, увеличивается длина свободного пробега иона;
     
     - с другой стороны, уменьшается вероятность столкновения иона с нейтральной частицей.
     
     Поэтому при неизменных электрическом поле и температуре воздуха кривая зависимости величины пробивного напряжения воздуха от значения понижающегося давления имеет двулучевую форму с минимумом. Вначале при понижении давления пробивная прочность воздуха уменьшается вследствие увеличения длины свободного пробега иона, затем наступает некоторый участок стабилизации с минимальной точкой, а затем при дальнейшем понижении давления пробивная прочность воздуха увеличивается вследствие уменьшения вероятности столкновения иона с нейтральной частицей (кривая Пашена) (см. рисунок 1).

      
Рисунок 1 - Кривая Пашена

В реальных изделиях строго однородное поле и полностью плоские электроды встречается редко. Значительно чаще применяются электроды различной формы, а поле является неоднородным. Поэтому минимальная точка может оказаться сдвинутой в том или ином направлении, однако, как правило, не ниже определенных значений пробивной напряженности поля. Таким образом, существует минимальная напряженность электрического поля, ниже которой пробой не возникнет. Так как эта напряженность электрического поля зависит, в частности, от рабочего напряжения изделия, то установлено, что для реальных конструкций (с учетом реальных воздушных промежутков и форм электродов) при рабочих напряжениях ниже 300 В пробой возникнуть не может.

Что касается диапазона пониженных давлений, в которых может находиться минимальная точка, то, как правило, для конкретных изделий при любой возможной в них конфигурации электрического поля положение минимальной точки в ряду давлений заранее неизвестно. Поэтому методика электрических испытаний в любом диапазоне давлений предусмотрена таким образом, чтобы находящиеся под напряжением выше 300 В изделия подвергались воздействию плавного изменения давления в заданном для изделий диапазоне, от нормального при испытаниях (или любого другого верхнего уровня давления) до нижнего (или в обратном направлении). Если изделие выдержит такие электрические испытания без явлений пробоя, даже если минимальная точка находится в диапазоне рабочих значений давления, то это для данного изделия не опасно.
     
     Указанными положениями определяется наличие соответствующих методов и особенностей испытаний в ГОСТ Р 51684.
     
     Этими же особенностями определяется то, что в ГОСТ 15150 конкретные данные об изменении относительной электрической прочности воздушных промежутков для разных высот над уровнем моря приведены для неравномерного поля.

4.2 Давление воздуха выше нормального на нулевой высоте

Повышенное давление воздуха, имеющее место в природных впадинах и рудниках, может оказать механическое воздействие на герметизированные объемы.