Високої напруги техніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Високої напруги техніка

Високої напруги техніка, розділ електротехніки, що охоплює вивчення і вживання електричних явищ, що протікають в різних середовищах при високій напрузі. Високою вважається напруга 250 в і вище відносно землі. Економічно доцільно будувати потужні електричні станції поблизу місць видобутку палива або на великих річках і отримувану електричну енергію передавати (наприклад, по дротах) в промислові райони, інколи значно віддалені від основних джерел енергії. Передача великих електричних потужностей на далекі відстані при низькій напрузі із-за втрат практично неможлива, тому з розвитком електрифікації зростає і робоча (номінальні) напруга електричних мереж. У СРСР особливо швидко номінальна напруга зростала в період здійснення ГОЕЛРО і в середині 50-х рр. ( мал. 1 ), при створенні Єдиної високовольтної мережі (ЕВС) Європейської частини країни.

загрузка...

  В розвитку Ст н. т. велику роль зіграли російські і радянські учені. У Росії перша лабораторія високої напруги була створена професором М. А. Шателеном при Петербурзькому політехнічному інституті в 1911. У Радянському Союзі працюють десятки крупних лабораторій при науково-дослідних інститутах, заводах і вузах, що вивчають проблеми Ст н. т. Великі роботи в цій області проведені Б. І. Угрімовим, А. А. Смуровим, А. А. Горевим, А. А. Чернишевим, Л. І. Сиротінським, В. М. Хрущовим і керованими ними науковими колективами, а також науковою школою, що очолювалася академіком А. Ф. Іоффе. Видана велика кількість монографій і підручників по Ст н. т.

  Основною проблемою Ст н. т. є створення надійної високовольтної ізоляції, яка мала б мінімальні конструктивні розміри і малу вартість. Кожна ізоляційна конструкція володіє визначеною тривалою і короткочасною електричними прочностямі, значення яких визначають габарити і вартість ізоляції (див. Ізоляція електрична ). Короткочасна електрична міцність ізоляції характеризує її здатність витримувати короткочасні підвищення напруга (перенапруження), що виникає в електричних системах при різних перехідних процесах (наприклад, при включенні або відключенні окремих елементів системи, при коротких замиканнях і т.д.) або при ударах блискавки в лінії електропередачі або інші токоведущие частини. Перенапруження першого вигляду називаються внутрішніми і зазвичай продовжуються соті долі сік . Перенапруження другого вигляду називаються грозяними, їх тривалість не перевищує десятитисячних доль сік .

  Найбільш поширеним діелектриком в електричних системах служить звичайне повітря, що оточує дроти ліній електропередачі і інші елементи зовнішньої ізоляції електричних систем (наприклад, опорні, прохідні і підвісні ізолятори). Питома електрична міцність повітря (відношення пробивної напруги до відстані між електродами) різко падає із збільшенням відстані між електродами ( мал. 2 ), тому габарити ліній електропередачі повинні зростати швидше, ніж зростає номінальна напруга. Ця обставина може покласти межу збільшенню робочої напруги повітряних ліній електропередачі, який, мабуть, складе близько 1500 кв по відношенню до землі (це відповідає номінальній напрузі 2000 кв для трифазних ліній змінного струму і 3000 кв для ліній постійного струму). При такій напрузі по кожній лінії можна передати електричну потужність декілька Гвт на відстань порядка 1000 км. і більш. Подальше підвищення передаваної потужності буде, мабуть, досягнуто шляхом вживання ліній електропередачі нового типа, серед яких найбільш перспективні газонаповнені кабелі, надпровідні, або криогенні, кабельні лінії, а також передача електричної енергії по хвилеводах при частотах порядка десятки Ггц .

  Електрична міцність повітря сильно залежить від тривалості дії лише при малих відрізках часу (менше 100 мксек ), тому вона приблизно однакова при грозових і внутрішніх перенапруженнях. Це положення справедливе для сухих і чистих ізоляторів, що знаходяться в повітряному середовищі. Якщо ж поверхня ізоляторів забруднена і зволожена дощем або туманом, то електрична міцність ізолятора знижується і залежить від тривалості дії напруги. Тому повітряні проміжки на лініях електропередачі (наприклад, відстань між дротом і землею або елементами опори) визначаються лише перенапруженнями, а кількість і тип ізоляторів, на яких підвішуються дроти, — також і робочою напругою. Величина перенапружень, міра забруднення ізоляторів, сила вітру, який відхилює дроти від нормального положення і наближає їх до опори, міняються в широких межах. Тому вибір ізоляції для ліній електропередачі здійснюється із застосуванням методів математичної статистики.

  Внутрішню ізоляцію електричних машин і апаратів (наприклад, ізоляцію обмоток трансформатора відносно заземленого сердечника або корпусу) зазвичай виготовляють із застосуванням комбінації різних ізоляційних матеріалів. Найбільш поширено поєднання ізоляційного мінерального масла і виробів з целюлози (папір, електрокартон пресшпан, бакеліт і ін.). При конструюванні ізоляторів приймають заходи для вирівнювання електричного поля дорогою, наприклад, вживання електродів закругленої форми, використання відмінності у величинах діелектричної проникності ізоляційних матеріалів, примусового розподілу напруги за об'ємом ізоляції. Короткочасна питома електрична міцність внутрішньої ізоляції, так само як і повітря, зменшується при збільшенні відстані між електродами, тому зазвичай вигідно розбивати ізоляцію на ряд послідовно сполучених відносно тонких шарів. Тривала електрична міцність внутрішньої ізоляції визначає термін її служби за нормальних експлуатаційних умов. Основними чинниками, що приводять до поступового погіршення первинних властивостей ізоляції, є механічні дії (наприклад, унаслідок електродинамічних зусиль між токоведущимі частямі при коротких замиканнях), підвищення температури зволоження і забруднення, дія перенапружень. Особливе місце займають часткові розряди в тих, що утворюються в товщі ізоляції газових включеннях, які можуть виявитися одній з основних причин старіння ізоляції. Під нормальними експлуатаційними умовами розуміється обмеження перерахованих вище чинників до певного рівня, що забезпечує розрахунковий термін служби ізоляції. Для збільшення терміну служби ізоляції велике значення має система профілактичних випробувань ізоляції, під час яких шляхом виміру ряду характерних величин (опір витоку, тангенс кута діелектричних втрат, ємкість при двох частотах або при двох температурах, інтенсивність часткових розрядів і ін.) можна оцінити стан ізоляції і своєчасно визначати терміни і характер необхідного ремонту. У систему профілактичних випробувань входить також випробування підвищеною напругою, обов'язкове після повернення ізоляції з ремонту.

  Необхідні габарити внутрішньої ізоляції визначаються рівнем тих, що впливають на неї грозових і внутрішніх перенапружень, тобто її короткочасною електричною міцністю, яка для установок з номінальною напругою 220—500 кв приблизно в 2,5—3 рази перевищує максимальну робочу напругу. Оскільки перенапруження можуть мати і велику кратність, одне з основних завдань Ст н. т. — дослідження перенапружень і обмеження їх амплітуди що зазвичай досягається вживанням грозових і комутаційних вентильних розрядників у поєднанні з іншими заходами. У системах надвисокої напруги (1200 кв і вище) перенапруження обмежуватимуть до значень, в 1,5—1,8 разу тих, що перевищують номінальна напруга. При цьому на габарити ізоляції основний вплив надаватиме її тривала міцність, тобто поступове старіння ізоляції під дією робочої напруги і перерахованих вище зовнішніх дій. В зв'язку з цим великий інтерес представляє можливість вживання як внутрішня ізоляція стислого газу, що володіє мінімальними діелектричними втратами і в значно меншій мірі схильного старінню. Найбільш перспективними ізоляційними газами вважаються елегаз (шестифториста сірка Sf 6 ) і фреон (дихлордифторметан Cci 2 F 2 ), електрична міцність яких приблизно в 2,5 разу більше, ніж в повітря. При тиску в декілька десятих Мн/м-кодом 2 (1 Мн/м-код 2 = 10 кгс/см 2 ) короткочасна електрична міцність фреону і елегаза не нижча, ніж в таких традиційних діелектриків, як фарфор і трансформаторне масло ( мал. 3 ). Створені розподільні пристрої напругою до 220 кв , в яких все устаткування працює в атмосфері елегаза при тиску 0,3—0,4 Мн/м-кодом 2 .

  Такі пристрої дуже добре поєднуються з газонаповненими кабельними лініями, вживання їх перспективно, особливо в густонаселених районах.

  Інша найважливіша проблема Ст н. т. — дослідження коронного розряду на дротах повітряних ліній електропередачі, який супроводиться втратами енергії і високочастотним випромінюванням, що створює перешкоди радіоприйому поблизу лінії. Оскільки інтенсивність коронного розряду визначається величиною напруженості електричного поля на поверхні дротів, втрати на корону і радіоперешкоди зменшуються при збільшенні діаметру дроту. З цією ж метою часто застосовують замість одіночних так звані розщеплені дроти. На лініях з напругою від 330 до 750 кв застосовують розщеплені дроти, що складаються відповідно з 2, 3 і 4 окремих провідників, що знаходяться один від одного на відстані до 50 см . На лініях 1100—1200 кв змінного струму, мабуть, застосовуватимуть розщеплені дроти, що складаються з 6 або 8 окремих провідників, рознесених на значну відстань для зменшення хвилевого опору лінії і збільшення її пропускної спроможності.

  При постійному струмі втрати на корону і рівень радіоперешкод істотно нижчі, ніж при змінному, і в цьому полягає одна з переваг ліній передачі постійного струму. Проте основна їх перевага — в можливості зв'язку несинхронний працюючих електричних систем, завдяки чому відпадає проблема стійкості; дальність передачі електроенергії при постійній напрузі обмежується лише економічними міркуваннями. Тому перша в Радянському Союзі наддалека лінія електропередачі Екибастуз — Центр проектується на постійному струмі напругою 1500 кв (±750 кв відносно землі). Головна трудність освоєння електропередачі постійного струму пов'язана із створенням випрямлячів і інверторів, при виготовленні яких застосовують потужні керовані напівпровідникові прилади або дугові вентилі. У перспективі лінії постійного струму створять основний кістяк Єдиної високовольтної мережі СРСР.

  Важливим розділом Ст н. т. є розробка установок високої напруги, призначених для випробування ізоляції і для інших цілей. Як джерело змінної напруги промислової частоти (50 гц ) служать випробувальні трансформатори, що часто сполучаються в каскади. Каскадні трансформатори виготовляють на напругу до 3000 кв . Високу постійну напругу (до 6000 кв ) отримують за допомогою електростатистичних генераторів або послідовно сполучених випрямлячів, для яких зазвичай застосовують високовольтні напівпровідникові діоди. Для імітації грозових перенапружень розроблені генератори імпульсної напруги (ГИН), що генерують імпульсну напругу з амплітудою до 10 Мв . У 60-і рр. широкого поширення набули також генератори хвиль внутрішніх перенапружень (ГВП), які дають імпульс напруги тривалістю до 0,01 сік . Генератори імпульсних струмів (ГИТ) при помірній напрузі (до 200 кв ) і амплітуді імпульсів струму до декількох мільйонів ампер спочатку застосовувалися для випробування заземлітелей і грозозахисних розрядників. Надалі сфера застосування ГИТ (їх часто називають ємкісними накопичувачами енергії) значно розширилася: їх застосовують при магнітно-імпульсній обробці металів, в установках, що використовують електрогідравлічний ефект, в контурах накачування лазерів, для здобуття високотемпературної плазми і інших цілей. Різновид ГИТ (так званий контур Горева) застосовують для випробування вимикачів на відключаючу здатність. Високу напругу підвищеної частоти отримують на лампових генераторах або трансформаторах Тесла.

  Створення випробувальних установок високої напруги зажадало також розробки спеціальної вимірювальної апаратури. Простим приладом для виміру високої напруги служить кульовий розрядник . Висока напруга вимірює також з допомогою електростатичних і роторних (що обертаються) вольтметрів, а імпульсна напруга — електронними осцилографами з дільниками напруги на вході. Великі імпульсні струми зазвичай вимірюють електронними осцилографами, на пластини яких подається напруга від шунтів або повітряних трансформаторів (пояс Роговського), що включаються послідовно в ланцюг струму. При високовольтних вимірах необхідно зважати на сильні електромагнітні поля, що спотворюють результати вимірів. Для усунення цих спотворень вимірювальні прилади і дроти, що підводять, ретельно екранують, застосовують заземляючі пристрої і інші заходи для зменшення паразитних індуктівностей і ємкостей. Для виміру напруги і струмів в електричних системах, що діють, розроблені реєструючі прилади типа автоматичних осцилографів або пікових вольтметрів, масове використання яких дозволяє отримати досить надійний статистичний матеріал про перенапруження і струми блискавки.

  Одним з самостійних розділів Ст н. т. є так звана електронно-іонна технологія, пов'язана з аерозолями, частки яких заряджають від тертя, коронного розряду або іншими методами. За допомогою сильного електричного поля можна управляти рухом заряджених часток і таким чином здійснювати необхідний технологічний процес (електрогазоочистку, електрозмішування, електросепарацію, електрозабарвлення і ін.). Прикладом використання електронно-іонної технології можуть служити коронні електрофільтри на ТЕС(теплоелектростанція) для очищення газу, що виходить з топок парових казанів, від золи і інших зважених часток.

  Літ.: Техніка високої напруги, під ред. Л. І. Сиротінського, ч. 1—3, М. — Л., 1951—59; Разевіг Д. Ст, Атмосферні перенапруження на лініях електропередачі, М. — Л., 1959; Високовольтне випробувальне устаткування і виміри, М. — Л., 1960; Бумажномасляная ізоляція у високовольтних конструкціях, М. — Л., 1963; Александров Р. Н., Коронний розряд на лініях електропередачі, М. — Л., 1964; Артемьев Д. Е., Тіходєєв Н. Н., Шур С. С., Статистичні основи вибору ізоляції ліній електропередачі високих класів напруги, М. — Л., 1965; їх же. Координація ізоляції ліній електропередачі, М. — Л., 1966; Ієрусалімов М. Е., Орлів Н. Н., Техніка високої напруги. До., 1967; Долгинов А. І., Техніка високої напруги у електроенергетиці, М., 1968; Вайда Д., Дослідження пошкоджень ізоляції, М., 1968.

  Д. Ст Разевіг.

Мал. 2. Питома електрична міцність ( кв/см ) проміжку «дріт — плоскість» в повітрі при температурі 20°С і тиску 760 мм рт . ст .

Мал. 3. Пробивна напруга в однорідному полі для різних діелектриків: 1 — фарфор; 2 — трансформаторне масло; 3 — елегаз (0,1 Мн/м 2 ); 4 — елегаз (0,7 Мн/м 2 ).

Мал. 1. Графіки зростання найвищої номінальної напруги (у кв ) електричних мереж СРСР: 1 — лінії змінного струму; 2 — лінії постійного струму.