Цели и задачи курса «Изоляция и перенапряжения в электроэнергетических системах»
Первую электропередачу 3-х фазного переменного тока применил Доливо-Добровольский, построив опытную линию Лауффен – Франкфурд-на-Майне напряжением 15 кВ, длиной 170 км. Эта линия была продемонстрирована на международной электротехнической выставке в 1891 г. Затем ее перевели на напряжение 28 кВ без усиления изоляции. В последующие 20 лет в разных странах строились промышленные электропередачи напряжением до 66 кВ.
В 1912 г. впервые освоили класс напряжения 110 кВ (линия Лаухамер-Риза).
1929г. – 220 кВ (Рейнская линия);
1936 г. – 287 кВ (США);
1952 г. – 380 кВ (Швеция);
1959 г. – 525 кВ (СССР);
1965 г. – 735 кВ (Канада);
1970 г. – 1000 кВ (США);
1987 г. – 1150 кВ (СССР, опытный участок линии).
В нашей республике и странах СНГ в электроэнергетике принят следующий стандарт номинальных напряжений: 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ. Номинальные напряжения до 35 кВ называются средними напряжениями (СН), 110-220 кВ – высокими напряжениями (ВН), в диапазоне от 330 до 750 кВ – сверхвысокими напряжениями (СВН), и свыше 1000 кВ – ультравысокими (УВН). Передачи СВН и УВН отличаются от СН и ВН тем, что требуют применения специальных устройств для ограничения внутренних перенапряжений, поскольку усиление изоляции на них методом экстраполирования (пропорционального увеличения) экономически становится не выгодным.
Наряду с переменным током строились электропередачи постоянного тока. Наибольшего распространения получили дальние передачи напряжением 800 кВ. Преимущество постоянного тока особенно сказывается на сверхдальних передачах, где стоимость линии, состоящей из двух проводов с меньшим уровнем изоляции, оказывается существенно ниже, чем передача переменного тока, требующая, кроме того, дорогостоящие устройства поперечной и продольной компенсации. Постоянный ток экономически выгодный для электроснабжения морских островов одножильным кабелем большого сечения, так как в качестве обратного провода можно использовать морскую воду.
При продаже электроэнергии в зарубежные страны часто применяют так называемые вставки постоянного тока, то есть электропередачу нулевой длины с выпрямительно-инверторной подстанцией (например, выборгская вставка Россия – Финляндия). Качество продаваемой электроэнергии при этом не зависит от возмущающих воздействий в собственных энергосистемах, такие как перетоки мощности при качаниях, изменение частоты или напряжения в системе и т. д.
Для транспортировки электроэнергии от электростанций до потребителей, расположенных на значительных расстояниях, применяются линии электропередачи высокого напряжения (ЛЭП). Чем больше расстояние и передаваемая мощность, тем экономически выгодней применять ЛЭП с более высоким классом напряжения.
Пропускная способность или натуральная мощность линии зависит от квадрата напряжения:
где
– волновое сопротивление линии.
Так
как мощность в трехфазной сети зависит
от произведения тока на напряжение:
,
то, повысив напряжение можно уменьшить
величину тока, протекающего по проводам,
и, следовательно, снизить потери
электроэнергии или применить провода
меньшего сечения:
.
Первые промышленные передачи высокого напряжения начали применять в начале 20 века. При этом сразу же возникли вопросы, связанные с изоляцией и перенапряжениями, решение которых породило новое направление науки и техники, называемое техникой высоких напряжений (ТВН). Первая книга по ТВН вышла в 1911г., ее автор инженер Петерсен. Если в прошлом повреждения изоляции линии и электрооборудования подстанций вследствие грозовых явлений и коммутационных перенапряжений, а также отсутствия контроля были массовым явлением, то сейчас благодаря применению новейших средств контроля изоляции и методов защиты от перенапряжений аварийность изоляции резко снизилась.
В развитии электроэнергетики важное место занимает применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния. Мощность отдельных тепловых электростанций достигла 3800 МВт, атомных – 3000 МВт и гидравлических – 6000 МВт.
При такой концентрации мощностей большое значение имеет надежность работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств и др. В значительной мере решение этой задачи обеспечивается надежной работой электрических систем и оборудования при постоянно воздействующих на изоляцию рабочих напряжениях или кратковременно возникающих перенапряжениях.
Изоляция электрических установок должна быть вполне надежной при воздействии рабочего напряжения (переменного или постоянного) и должна противостоять всем видам перенапряжений. С другой стороны, возможно ограничение перенапряжений с целью снижения уровней изоляции. Обе указанные проблемы являются основными в технике высоких напряжений. Соответственно в курсе «Изоляция и перенапряжения в электрических системах» изучаются вопросы, относящиеся к конструированию, технологии изготовления, испытаниям и эксплуатации изоляции электрических установок и причинам возникновения перенапряжений в электрических сетях и методам их ограничения, т.е. координация изоляции.
Важным вопросом в курсе является изучение форм и величин перенапряжений и разработка способов их ограничения до уровней, при которых нарушения изоляционных элементов сетей становятся редким явлением, в той мере, в которой это диктуется технико-экономическими соображениями.