Большая советсткая энциклопедия Высоких напряжений техника

Высоких напряжений техника

Высоких напряжений техника, раздел электротехники, охватывающий изучение и применение электрических явлений, протекающих в различных средах при высоких напряжениях. Высоким считается напряжение 250 в и выше относительно земли. Экономически целесообразно строить мощные электрические станции вблизи мест добычи топлива или на больших реках и получаемую электрическую энергию передавать (например, по проводам) в промышленные районы, иногда значительно удалённые от основных источников энергии. Передача больших электрических мощностей на далёкие расстояния при низком напряжении из-за потерь практически невозможна, поэтому с развитием электрификации растут и рабочие (номинальные) напряжения электрических сетей. В СССР особенно быстро номинальные напряжения росли в период осуществления ГОЭЛРО и в середине 50-х гг. (рис. 1), при создании Единой высоковольтной сети (ЕВС) Европейской части страны.

В развитии В. н. т. большую роль сыграли русские и советские учёные. В России первая лаборатория высокого напряжения была создана профессором М. А. Шателеном при Петербургском политехническом институте в 1911. В Советском Союзе работают десятки крупных лабораторий при научно-исследовательских институтах, заводах и вузах, изучающих проблемы В. н. т. Большие работы в этой области проведены Б. И. Угримовым, А. А. Смуровым, А. А. Горевым, А. А. Чернышёвым, Л. И. Сиротинским, В. М. Хрущовым и руководимыми ими научными коллективами, а также научной школой, возглавлявшейся академиком А. Ф. Иоффе. Издано большое количество монографий и учебников по В. н. т.

Основной проблемой В. н. т. является создание надёжной высоковольтной изоляции, которая имела бы минимальные конструктивные размеры и малую стоимость. Каждая изоляционная конструкция обладает определёнными длительной и кратковременной электрическими прочностями, значения которых определяют габариты и стоимость изоляции (см. Изоляция электрическая). Кратковременная электрическая прочность изоляции характеризует её способность выдерживать кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в электрических системах при различных переходных процессах (например, при включении или отключении отдельных элементов системы, при коротких замыканиях и т.д.) либо при ударах молнии в линии электропередачи или другие токоведущие части. Перенапряжения первого вида называются внутренними и обычно продолжаются сотые доли сек. Перенапряжения второго вида называются грозовыми, их длительность не превышает десятитысячных долей сек.

Наиболее распространённым диэлектриком в электрических системах служит обычный воздух, окружающий провода линий электропередачи и другие элементы внешней изоляции электрических систем (например, опорные, проходные и подвесные изоляторы). Удельная электрическая прочность воздуха (отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами) резко падает с увеличением расстояния между электродами (рис. 2), поэтому габариты линий электропередачи должны расти быстрее, чем растёт номинальное напряжение. Это обстоятельство может положить предел увеличению рабочих напряжений воздушных линий электропередачи, который, по-видимому, составит около 1500 кв по отношению к земле (это соответствует номинальному напряжению 2000 кв для трёхфазных линий переменного тока и 3000 кв для линий постоянного тока). При таком напряжении по каждой линии можно передать электрическую мощность нескольких Гвт на расстояние порядка 1000 км и более. Дальнейшее повышение передаваемой мощности будет, по-видимому, достигнуто путём применения линий электропередачи нового типа, среди которых наиболее перспективны газонаполненные кабели, сверхпроводящие, или криогенные, кабельные линии, а также передача электрической энергии по волноводам при частотах порядка десятков Ггц.

Электрическая прочность воздуха сильно зависит от продолжительности воздействия только при малых отрезках времени (меньше 100 мксек), поэтому она приблизительно одинакова при грозовых и внутренних перенапряжениях. Это положение справедливо для сухих и чистых изоляторов, находящихся в воздушной среде. Если же поверхность изоляторов загрязнена и увлажнена дождём или туманом, то электрическая прочность изолятора снижается и зависит от длительности воздействия напряжения. Поэтому воздушные промежутки на линиях электропередачи (например, расстояние между проводом и землёй или элементами опоры) определяются только перенапряжениями, а количество и тип изоляторов, на которых подвешиваются провода, — также и рабочим напряжением. Величина перенапряжений, степень загрязнения изоляторов, сила ветра, который отклоняет провода от нормального положения и приближает их к опоре, меняются в широких пределах. Поэтому выбор изоляции для линий электропередачи осуществляется с применением методов математической статистики.

Внутреннюю изоляцию электрических машин и аппаратов (например, изоляцию обмоток трансформатора относительно заземлённого сердечника или корпуса) обычно изготовляют с применением комбинации различных изоляционных материалов. Наиболее распространено сочетание изоляционного минерального масла и изделий из целлюлозы (бумага, электрокартон, прессшпан, бакелит и др.). При конструировании изоляторов принимают меры для выравнивания электрического поля путём, например, применения электродов закруглённой формы, использования различия в величинах диэлектрической проницаемости изоляционных материалов, принудительного распределения напряжения по объёму изоляции. Кратковременная удельная электрическая прочность внутренней изоляции, так же как и воздуха, уменьшается при увеличении расстояния между электродами, поэтому обычно выгодно разбивать изоляцию на ряд последовательно соединённых относительно тонких слоёв. Длительная электрическая прочность внутренней изоляции определяет срок её службы при нормальных эксплуатационных условиях. Основными факторами, приводящими к постепенному ухудшению первоначальных свойств изоляции, являются механические воздействия (например, вследствие электродинамических усилий между токоведущими частями при коротких замыканиях), повышение температуры, увлажнение и загрязнение, воздействие перенапряжений. Особое место занимают частичные разряды в образующихся в толще изоляции газовых включениях, которые могут оказаться одной из основных причин старения изоляции. Под нормальными эксплуатационными условиями понимается ограничение перечисленных выше факторов до определённого уровня, обеспечивающего расчётный срок службы изоляции. Для увеличения срока службы изоляции большое значение имеет система профилактических испытаний изоляции, во время которых путём измерения ряда характерных величин (сопротивление утечки, тангенс угла диэлектрических потерь, ёмкость при двух частотах или при двух температурах, интенсивность частичных разрядов и др.) можно оценить состояние изоляции и своевременно определять сроки и характер необходимого ремонта. В систему профилактических испытаний входит также испытание повышенным напряжением, обязательное после возвращения изоляции из ремонта.

Необходимые габариты внутренней изоляции определяются уровнем воздействующих на неё грозовых и внутренних перенапряжений, т. е. её кратковременной электрической прочностью, которая для установок с номинальным напряжением 220—500 кв приблизительно в 2,5—3 раза превышает максимальное рабочее напряжение. Так как перенапряжения могут иметь и большую кратность, одна из основных задач В. н. т. — исследование перенапряжений и ограничение их амплитуды, обычно достигаемое применением грозовых и коммутационных вентильных разрядников в сочетании с другими мероприятиями. В системах сверхвысокого напряжения (1200 кв и выше) перенапряжения будут ограничивать до значений, в 1,5—1,8 раза превышающих номинальное напряжение. При этом на габариты изоляции основное влияние будет оказывать её длительная прочность, т. е. постепенное старение изоляции под действием рабочего напряжения и перечисленных выше внешних воздействий. В этой связи большой интерес представляет возможность применения в качестве внутренней изоляции сжатого газа, обладающего минимальными диэлектрическими потерями и в значительно меньшей степени подверженного старению. Наиболее перспективными изоляционными газами считаются элегаз (шестифтористая сера Sf₆) и фреон (дихлордифторметан CCI₂F₂), электрическая прочность которых приблизительно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. При давлении в несколько десятых Мн/м² (1 Мн/м² = 10 кгс/см²) кратковременная электрическая прочность фреона и элегаза не ниже, чем у таких традиционных диэлектриков, как фарфор и трансформаторное масло (рис. 3). Созданы распределительные устройства напряжением до 220 кв, в которых всё оборудование работает в атмосфере элегаза при давлении 0,3—0,4 Мн/м².

Такие устройства очень хорошо сочетаются с газонаполненными кабельными линиями, применение их перспективно, особенно в густонаселённых районах.

Другая важнейшая проблема В. н. т. — исследование коронного разряда на проводах воздушных линий электропередачи, который сопровождается потерями энергии и высокочастотным излучением, создающим помехи радиоприёму вблизи линии. Так как интенсивность коронного разряда определяется величиной напряжённости электрического поля на поверхности проводов, потери на корону и радиопомехи уменьшаются при увеличении диаметра провода. С этой же целью часто применяют вместо одиночных так называемые расщеплённые провода. На линиях с напряжением от 330 до 750 кв применяют расщеплённые провода, состоящие соответственно из 2, 3 и 4 отдельных проводников, находящихся друг от друга на расстоянии до 50 см. На линиях 1100—1200 кв переменного тока, по-видимому, будут применять расщеплённые провода, состоящие из 6 или 8 отдельных проводников, разнесённых на значительное расстояние для уменьшения волнового сопротивления линии и увеличения её пропускной способности.

При постоянном токе потери на корону и уровень радиопомех существенно ниже, чем при переменном, и в этом заключается одно из преимуществ линий передачи постоянного тока. Однако основное их преимущество — в возможности связи несинхронно работающих электрических систем, благодаря чему отпадает проблема устойчивости; дальность передачи электроэнергии при постоянном напряжении ограничивается только экономическими соображениями. Поэтому первая в Советском Союзе сверхдальняя линия электропередачи Экибастуз — Центр проектируется на постоянном токе напряжением 1500 кв (±750 кв относительно земли). Главная трудность освоения электропередачи постоянного тока связана с созданием выпрямителей и инверторов, при изготовлении которых применяют мощные управляемые полупроводниковые приборы или дуговые вентили. В перспективе линии постоянного тока создадут основной костяк Единой высоковольтной сети СССР.

Важным разделом В. н. т. является разработка установок высокого напряжения, предназначенных для испытания изоляции и для других целей. В качестве источника переменного напряжения промышленной частоты (50 гц) служат испытательные трансформаторы, часто соединяемые в каскады. Каскадные трансформаторы изготовляют на напряжение до 3000 кв. Высокое постоянное напряжение (до 6000 кв) получают с помощью электростатистических генераторов или последовательно соединённых выпрямителей, для которых обычно применяют высоковольтные полупроводниковые диоды. Для имитации грозовых перенапряжений разработаны генераторы импульсных напряжений (ГИН), генерирующие импульсные напряжения с амплитудой до 10 Мв. В 60-е гг. широкое распространение получили также генераторы волн внутренних перенапряжений (ГВП), которые дают импульс напряжения длительностью до 0,01 сек. Генераторы импульсных токов (ГИТ) при умеренном напряжении (до 200 кв) и амплитуде импульсов тока до нескольких миллионов ампер вначале применялись для испытания заземлителей и грозозащитных разрядников. В дальнейшем область применения ГИТ (их часто называют ёмкостными накопителями энергии) значительно расширилась: их применяют при магнитно-импульсной обработке металлов, в установках, использующих электрогидравлический эффект, в контурах накачки лазеров, для получения высокотемпературной плазмы и других целей. Разновидность ГИТ (так называемый контур Горева) применяют для испытания выключателей на отключающую способность. Высокие напряжения повышенной частоты получают на ламповых генераторах или трансформаторах Тесла.

Создание испытательных установок высокого напряжения потребовало также разработки специальной измерительной аппаратуры. Простейшим прибором для измерения высоких напряжений служит шаровой разрядник. Высокие напряжения измеряют также с помощью электростатических и роторных (вращающихся) вольтметров, а импульсные напряжения — электронными осциллографами с делителями напряжения на входе. Большие импульсные токи обычно измеряют электронными осциллографами, на пластины которых подаётся напряжение от шунтов или воздушных трансформаторов (пояс Роговского), включаемых последовательно в цепь тока. При высоковольтных измерениях необходимо считаться с сильными электромагнитными полями, искажающими результаты измерений. Для устранения этих искажений измерительные приборы и подводящие провода тщательно экранируют, применяют заземляющие устройства и другие меры для уменьшения паразитных индуктивностей и ёмкостей. Для измерения напряжений и токов в действующих электрических системах разработаны регистрирующие приборы типа автоматических осциллографов или пиковых вольтметров, массовое использование которых позволяет получить достаточно надёжный статистический материал о перенапряжениях и токах молнии.

Одним из самостоятельных разделов В. н. т. является так называемая электронно-ионная технология, связанная с аэрозолями, частицы которых заряжаются от трения, коронного разряда или другими методами. С помощью сильного электрического поля можно управлять движением заряженных частиц и таким образом осуществлять необходимый технологический процесс (электрогазоочистку, электросмешивание, электросепарирование, электроокраску и др.). Примером использования электронно-ионной технологии могут служить коронные электрофильтры на ТЭС для очистки газа, выходящего из топок паровых котлов, от золы и других взвешенных частиц.

Лит.: Техника высоких напряжений, под ред. Л. И. Сиротинского, ч. 1—3, М. — Л., 1951—59; Разевиг Д. В., Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи, М. — Л., 1959; Высоковольтное испытательное оборудование и измерения, М. — Л., 1960; Бумажномасляная изоляция в высоковольтных конструкциях, М. — Л., 1963; Александров Г. Н., Коронный разряд на линиях электропередачи, М. — Л., 1964; Артемьев Д. Е., Тиходеев Н. Н., Шур С. С., Статистические основы выбора изоляции линий электропередачи высоких классов напряжения, М. — Л., 1965; их же. Координация изоляции линий электропередачи, М. — Л., 1966; Иерусалимов М. Е., Орлов Н. Н., Техника высоких напряжений. К., 1967; Долгинов А. И., Техника высоких напряжений в электроэнергетике, М., 1968; Вайда Д., Исследования повреждений изоляции, М., 1968.

Д. В. Разевиг.