如果我将低压额定电容器连接到高压会发生什么?

电器工程 电力电子 电解电容
2022-01-22 12:30:15

鉴于 c=q/v 即使我将其连接到更高的 V,它的电荷 Q 也可能按比例减少,对吗?那么为什么它会损坏我的电容器呢?还是内部电场会变得太高而导致电介质击穿?或者它会变得太漏水,然后由于大大增加的自热而过热?

4个回答

一个字面的答案是这样的:

砰

有三个烧坏的电容器;两个可以看作是灰色材料的螺旋仍然合理地在原地,第三个无非是底座和内部端子。它们的额定电压均为 6.3V,但由于电源调节器出现故障,它们连接到了高达 7.5V 的电压。一个可以忽略不计的数量,所以人们会认为,但是第三个电容器的外壳被吹得如此之大,以至于它在一块 3 毫米的塑料上打了一个洞 - 大约 80 毫米远 - 并将自己嵌入到另一侧的电池中。

所有这些棕色的东西都是一种类似于纸板的纤维材料,它无处不在。我不知道电容器内部是否有某种油在暴露在空气中时会变干,但我确实知道它会像胶水一样粘在任何地方。

你必须小心这些方程。

c=q/v, Q = CV,看起来都很好,但它们只适用于它们适用的范围内

对于电容器,其中一个限制是保持电压足够低,以使电容器电介质保持完整。当您增加终端电压时,电介质上的电应力会增加,并最终击穿。发生这种情况时,您将不再有电容器。在最好的情况下,您会出现短路或开路。在最坏的情况下,您的实验室充满烟雾和/或去急诊室旅行。

电容器制造商在打印其电容器在不再是电容器之前所能承受的最大电压方面非常有帮助。您通常可以以电容器寿命为代价超过这一点,几个百分点。如果您超过它 10%,那么您会发现您的电容器寿命变为零。

如果你想知道为什么在现实世界中会发生某些事情,你需要一个比纯理论公式更复杂的模型。

电容器是如何制造的?它们是两片导电材料薄片,在它们之间放置一层电绝缘材料。电容由这些片材的几何形状给出。您需要更薄的绝缘体或更大的表面以获得更高的容量。

理论上,绝缘体不允许电子流过它。现实生活中的材料表现不同。施加足够的电压后,任何绝缘体都将被迫允许电子流过它。

发生这种情况的击穿电压取决于材料,也取决于其几何形状。与较厚的绝缘体相比,较薄的绝缘片会在较低的电压下击穿。

这种击穿现象通常是高能量的,因为少量的电流会在隔离器的巨大电阻上以热量的形式消散。这也可能是对现实生活中过压击穿现象的简化。也可能发生化学反应,从而改变电容器的行为。

所以,如果你想制造一个大容量的小电容器,它就必须限制在低电压范围内。出于这个原因,高压,高电容的容量很大。

对于@andy,公式需要以正确的方式应用。

根据@andy 和@user44635 的预测,当电压超过某个限制时,电容器将失效。

它失败的方式及其影响取决于

  • 故障电压,
  • 储存的能量(\$\frac{1}{2}CV^2\$ 发生故障时),
  • 电荷和电压的变化率,
  • 电容器类型,
  • 材料和制造缺陷,
  • 环境因素,例如湿度和温度,连接的电源。

@ceteras 为 @user44635 添加了一些有用的见解,并展示了我们必须如何始终了解我们所处理的理论和实践关系。

影响可能是微不足道的——一股烟雾或危险的、危及生命的和灾难性的。

在 1960 年代的一次事件中,我父亲制造的一个相对较小的电容器(我认为它是 33pF 左右)(大约 150 毫米乘 25 平方毫米)引发了很多附带损害。一个约有 10 万人的小镇在周末没有灯光。盖子位于 33kV 或 100kV 交流线路上。它被用作电压测量的电容分压器的一部分。

由于设计和制造缺陷而失败。我不记得是否有人被杀或受重伤。这很容易发生。

根据@Loren,计算结果如下,采用 33kV 和 33pF(我似乎记得它们被标记为)

\$\frac{1}{2}CV^2 = \frac{1}{2} \times (33 \times 10^{-12}) \times (33 \times 1.4 \times 10^3)​​^2 \$

=~ 35mJ(感谢@peter @loren)

1.4 的系数校正了 RMS-> 峰值电压,电容往往在峰值处失效。

放电帽需要 1ms 左右,产生 35W(可能快得多)。

@ 100kV 您获得 9 倍的能量和功率 - 320mJ。

电介质失效,可能是由于缺陷。整个城镇的供应(即使在那些日子里也有几个 MVA)被重新定向到帽子,空气电离,其余的都是历史。热端将是一个母线,接地端连接到另一个帽作为与霓虹灯面板指示器平行的分隔器。

足以唤醒操作员,但仅此而已。电源线通过电离空气的贡献会持续更长时间并造成损害。

在......的存在下

  high power
  high voltage 
  high current 
  capacitors
  inductors
  high energy electrical systems of all forms 

在电路的电压和电流异常时,可能会快速存储和释放大量能量。

@Charlie 展示了一个不错的低压示例。

电解帽在失效模式中很有趣,因为流体(通常为凝胶)可能会沸腾并由于现在占据其内部的大量热气体而导致爆炸性失效。它们在爆炸并释放过热蒸汽之前可能达到 100 摄氏度以上的温度。

工程师需要始终关注自己和他人的安全。

对电容器充电总是存在一定的风险,因为即使在其额定限制内操作时,由于制造、处理、环境或任何其他原因,它也可能出现故障。