ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ТЕХНИКА
раздел
электротехники,
охватывающий
изучение и применение электрич. явлений, протекающих в различных средах
при высоких напряжениях. Высоким считается напряжение 250 в и выше
относительно земли. Экономически целесообразно строить мощные электрич.
станции вблизи мест добычи топлива или на больших реках и получаемую электрич.
энергию передавать (напр., по проводам) в пром. районы, иногда значительно
удалённые от осн. источников энергии. Передача больших электрич. мощностей
на далёкие расстояния при низком напряжении из за потерь практически невозможна,
поэтому с развитием электрификации растут и рабочие (номинальные) напряжения
электрич. сетей. В СССР особенно быстро номинальные напряжения росли в
период осуществления ГОЭЛРО и в сер. 50-х гг. (рис. 1), при создании Единой
высоковольтной сети (ЕВС) Европ. части страны.
Рис. 1. Графики роста наивысшего номинального
напряжения (в кв) электрических сетей СССР: 1 - линии переменного тока;
2 - линии постоянного тока.
В развитии В. н. т. большую роль сыграли
русские и сов. учёные. В России первая лаборатория высокого напряжения
была создана проф. М. А. Шателеном при Петерб. политехнич. ин-те в 1911.
В Сов. Союзе работают десятки крупных лабораторий при н.-и. ин-тах, 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. Хрущевым и руководимыми ими науч. коллективами, а также
науч. школой, возглавлявшейся акад. А. Ф. Иоффе. Издано большое количество
монографий и учебников по В. н. т.
Осн. проблемой В. н. т. является создание
надёжной высоковольтной изоляции, к-рая имела бы минимальные конструктивные
размеры и малую стоимость. Каждая изоляционная конструкция обладает определёнными
длительной и кратковременной электрич. прочностями, значения к-рых определяют
габариты и стоимость изоляции (см. Изоляция электрическая). Кратковременная
электрич. прочность изоляции характеризует её способность выдерживать кратковременные
повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в электрич. системах
при различных переходных процессах (напр., при включении или отключении
отд. 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
электрич. системах служит обычный воздух, окружающий провода линий электропередачи
и др. элементы внеш. изоляции электрич. систем (напр., опорные, проходные
и подвесные изоляторы). Удельная электрич. 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 возд. линий электропередачи,
к-рый, по-видимому, составит ок. 1500 кв по отношению к земле (это
соответствует номинальному напряжению 2000 кв для трёхфазных линий
перем. тока и 3000 кв дня линий постоянного тока). При таком напряжении
по каждой линии можно передать электрич. мощность неск. Гвт на расстояние
порядка 1000 км и более. Дальнейшее повышение передаваемой мощности
будет, по-видимому, достигнуто путём применения линий электропередачи нового
типа, среди к-рых наиболее перспективны газонаполненные кабели, сверхпроводящие,
или криогенные, кабельные линии, а также передача электрич. энергии по
волноводам при частотах порядка десятков Ггц.
Рис. 2. Удельная электрическая прочность
(кв/см) промежутка "провод- плоскость" в воздухе при емпературе 20оС
и давлении 760 мм< рт. ст.
Электрич. прочность воздуха сильно зависит
от продолжительности воздействия только при малых отрезках времени (меньше
100 мксек), поэтому она приблизительно одинакова при грозовых и
внутр. перенапряжениях. Это положение справедливо для сухих и чистых изоляторов,
находящихся в возд. среде. Если же поверхность изоляторов загрязнена и
увлажнена дождём или туманом, то электрич. прочность изолятора снижается
и зависит от длительности воздействия напряжения. Поэтому воздушные промежутки
на линиях электропередачи (напр., расстояние между проводом и землёй или
элементами опоры) определяются только перенапряжениями, а количество и
тип изоляторов, на к-рых подвешиваются провода,-также и рабочим напряжением.
Величина перенапряжений, степень загрязнения изоляторов, сила ветра, к-рый
отклоняет провода от нормального положения и приближает их к опоре, меняются
в широких пределах. Поэтому выбор изоляции для линий электропередачи осуществляется
с применением методов математич. статистики.
Внутр. изоляцию электрич. машин и аппаратов
(напр., изоляцию обмоток трансформатора относительно заземлённого сердечника
или корпуса) обычно изготовляют с применением комбинации различных изоляц.
материалов. Наиболее распространено сочетание изоляционного минерального
масла и изделий из целлюлозы (бумага, электрокартон, прессшпан, бакелит
и др.). При конструировании изоляторов принимают меры для выравнивания
электрич. поля путём, напр., применения электродов закруглённой формы,
использования различия в величинах диэлектрич. проницаемости изоляционных
материалов, принудит, распределения напряжения по объёму изоляции. Кратковременная
удельная электрич. прочность внутр. изоляции, так же как и воздуха, уменьшается
при увеличении расстояния между электродами, поэтому обычно выгодно разбивать
изоляцию на ряд последовательно соединённых относительно тонких слоев.
Длительная электрич. прочность внутр. изоляции определяет срок её службы
при нормальных эксплуатац. условиях. Основными факторами, приводящими к
постепенному ухудшению первоначальных свойств изоляции, являются механические
воздействия (например, вследствие электродинамич. 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, к-рые могут оказаться одной из осн.
причин старения изоляции. Под нормальными эксплуатац. условиями понимается
ограничение перечисл. выше факторов до определённого уровня, обеспечивающего
расчётный срок службы изоляции. Для увеличения срока службы изоляции большое
значение имеет система профилактич. испытаний изоляции, во время к-рых
путём измерения ряда характерных величин (сопротивление утечки, тангенс
угла диэлектрич. потерь, ёмкость при двух частотах или при двух темп-рах,
интенсивность частичных разрядов и др.) можно оценить состояние изоляции
и своевременно определять сроки и характер необходимого ремонта. В систему
профилактич. испытаний входит также испытание повышенным напряжением, обязательное
после возвращения изоляции из ремонта.
Необходимые габариты внутр. изоляции определяются
Рис. 3. Пробивное напряжение в однородном
Такие устройства очень хорошо сочетаются
Другая важнейшая проблема В. н. т.- исследование
При постоянном токе потери на корону
Важным разделом В. н. т. является разработка
Создание испытательных установок высокого
Одним из самостоят, разделов В. н. т. является
уровнем воздействующих на неё грозовых и внутр. перенапряжений, т. е. её
кратковременной электрич. прочностью, к-рая 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 осн. 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 осн. влияние будет оказывать её длительная прочность,
т. е. постепенное старение изоляции под действием рабочего напряжения и
перечисл. выше внеш. воздействий. В этой связи большой интерес представляет
возможность применения в качестве внутр. изоляции сжатого газа, обладающего
минимальными диэлектрич. потерями и в значительно меньшей степени подверженного
старению. Наиболее перспективными изоляционными газами считаются элегаз
(шестифтористая сера SF
При давлении в неск. десятых Мн/м2 (1 Мн/м2=10
кгс/см2)
кратковременная
электрич. прочность фреона и элегаза не ниже, чем у таких традиционных
диэлектриков, как фарфор и трансформаторное масло (рис. 3). Созданы распределит,
устройства напряжением до 220 кв,
в к-рых всё оборудование работает
в атмосфере элегаза при давлении 0,3-0,4 Мн/м2.
поле для различных диэлектриков: 1 - фарфор; 2 - трансформаторное масло;
3 - элегаз (0,1 Мн/м1); 4 - элегаз (0,7 Мн/м2).
с газонаполненными кабельными линиями, применение их перспективно, особенно
в густонаселённых районах.
коронного разряда на проводах воздушных линий электропередачи, к-рый сопровождается
потерями энергии и высокочастотным излучением, создающим помехи радиоприёму
вблизи линии. Т. к. интенсивность коронного разряда определяется величиной
напряжённости электрич. поля на поверхности проводов, потери на корону
и радиопомехи уменьшаются при увеличении диаметра провода. С этой же целью
часто применяют вместо одиночных т. н. 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 аз 6
или 8 отд. проводников, разнесённых на значит, расстояние для уменьшения
волнового сопротивления линии и увеличения её пропускной способности.
и
уровень радиопомех существенно ниже, чем при переменном, и в этом заключается
одно из преимуществ линий передачи постоянного тока. Однако осн. их преимущество-
в возможности связи несинхронно работающих электрич. систем, благодаря
чему отпадает проблема устойчивости; дальность передачи электроэнергии
при постоянном напряжении ограничивается только экономич. соображениями.
Поэтому первая в Сов. 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 к-рых применяют
мощные управляемые полупроводниковые приборы или дуговые вентили. В перспективе
линии постоянного тока создадут основной костяк Единой высоковольтной сети
СССР.
установок высокого напряжения, предназначенных для испытания изоляции и
для других целей. В качестве источника перем. напряжения пром. 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 к-рых
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 внутр. перенапряжений (ГВП),
к-рые дают импульс напряжения длительностью до 0,01 сек. Генераторы
импульсных токов (ГИТ) при умеренном напряжении (до 200 кв) и амплитуде
импульсов тока до неск. 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 электрогидравлич. эффект, в контурах накачки лазеров, для
получения высокотемпературной плазмы и др. целей. Разновидность ГИТ (т.
н. контур Горева) применяют для испытания выключателей на отключающую способность.
Высокие напряжения повышенной частоты получают на ламповых генераторах
или трансформаторах Тесла.
напряжения потребовало также разработки специальной измерит, аппаратуры.
Простейшим прибором для измерения высоких напряжений служит шаровой разрядник.
Высокие
напряжения измеряют также с помощью электростатич. и роторных (вращающихся)
вольтметров, а импульсные напряжения - электронными осциллографами с делителями
напряжения на входе. Большие импульсные токи обычно измеряют электронными
осциллографами, на пластины к-рых подаётся напряжение от шунтов или возд.
трансформаторов (пояс Роговского), включаемых последовательно в цепь тока.
При высоковольтных измерениях необходимо считаться с сильными электромагнитными
полями, искажающими результаты измерений. Для устранения этих искажений
измерит, приборы и подводящие провода тщательно экранируют, применяют заземляющие
устройства и др. меры для уменьшения паразитных индуктивностей и ёмкостей.
Для измерения напряжений и токов в действующих электрич. системах разработаны
регистрирующие приборы типа автоматич. осциллографов или пиковых вольтметров,
массовое использование к-рых позволяет получить достаточно надёжный статистич.
материал о перенапряжениях и токах молнии.
т. н. электронно-ионная технология, связанная с аэрозолями, частицы к-рых
заряжаются от трения, коронного разряда или другими методами. С помощью
сильного электрического поля можно управлять движением заряженных частиц
и т. о. осуществлять необходимый технологи?, 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
др. 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; ДолгиновА. И., Техника высоких напряжений
в электроэнергетике, М., 1968; Вайда Д., Исследования повреждений изоляции,
М., 1968. Д. В. Разевиг.
А Б В Г Д Е Ё 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