ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / лекция 1_1

Лекция 1_1

Слайд 3

Промышленное применение электричества сразу же столкнулось с проблемой передачи электроэнергии на расстояние удаленные от места производства электроэнергии. Генераторы электроэнергии часто расположены вдалеке от места ее потребления. Использование проводов для подключения потребителя неизбежно приводит к потерям в них энергии в виде тепла, поскольку невозможно полностью устранить собственное электрическое сопротивление провода.

Формула (1) представляет собой хорошо известное выражение для передаваемой по линии мощности. Потери в проводах выражаются также хорошо известной формулой (2).Комбинируя эти формулы нетрудно найти выражение мощности потерь в зависимости от передаваемой мощности и напряжения сети (3). Из (3) видно, что при равной величине передаваемой мощности потери будут тем ниже, чем выше напряжение линии.

Поэтому для передачи мощности в различных электрических сетях для уменьшения потерь целесообразно применение высокого напряжения. Однако соображения безопасности и габаритов электроустановок не позволяют применять высокие напряжения в электрических сетях зданий, жилых домов и т.д. Кроме того расстояния передачи электроэнергии для данных объектов малы и потери в проводах будут несущественными в общем балансе. Поэтому для указанных объектов рабочие напряжения составляют 220 или 380 В. В случае больших расстояний передачи электроэнергии, сопротивление проводов, как известно пропорциональное их длине, вызывает заметные потери. Поэтому для более или менее дальних электропередач применяются высокие напряжения от 6кВ до 1150 кВ. Первая цифра диапазона соответствует сетям местного значения небольшого размера, а вторая сверхдальним линиям электропередач.

Первые коммерческие системы передачи и распределения электроэнергии возникли в результате разработок Т.Эдиссона в США. Применялась система передачи постоянным током на рабочем напряжении +/- 110 в с нулевым проводом. Возможности системы Эдиссона, очевидно, ограничены небольшими расстояниями вследствие относительно небольшой величины рабочего напряжения. Применение более высокого напряжения в системе постоянного тока становится опасным для потребителя. Ясно, что передача на определенное расстояние и распределение электроэнергии у потребителя в

общем случае должны происходить на разных напряжениях - более высоком в первом процессе и низком в распределительной сети. Это условие предполагает возможность преобразования (трансформации) рабочего напряжения на отдельных подсистемах энергоснабжения. Указанную трансформацию непосредственно на постоянном токе невозможно. Поэтому сразу стало ясно, что перспективным является использование переменного тока, преобразование которого достаточно просто осуществлялось изобретенным в конце 19 века трансформатором.

Вместе с тем система постоянного тока Эдисона имела и своих сторонников, главным аргументом которых отсутствие электродвигателей, работающих на переменном токе, что не позволяло использовать электроэнергию в индустрии. Однако тогда же в конце 19 века Тесла и Вестингауз запатентовали многофазные электродвигатель и генератор переменного тока, устранив тем самым последние препятствия на пути развития систем электропередачи на переменном токе, которые сохраняют принципы своего устройства до наших дней.

Следует, однако, отметить, что не смотря на доминирующую роль систем переменного тока, постоянный ток применялся практически до наших дней. (Эксплуатация системы +/- 110 в Нью-Йорке прекратилась лишь 2007 году)

В настоящее время снова велик интерес к системам передачи электроэнергии постоянным током. Это связано с большими проблемами устойчивости больших электроэнергетических систем переменного тока, содержащих очень длинные до нескольких тыс. км линии электропередачи. Технические возможности трансформации токов и напряжений в этом случае опираются на полупроводниковые инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное, которое понижается с помощью обычных силовых трансформаторов на приемном конце линии. На отправном конце линии переменное напряжение преобразуется в постоянное с помощью силовых выпрямителей. Современная база высоковольтных силовых электронных компонентов уже достаточна для созданий описанных устройств.

В настоящее время передачам постоянного тока отводиться роль межсистемных связей, поскольку применение постоянного тока обеспечивает независимую в смысле устойчивости, работу различных энергоситем.

С 2016 года в КНР строится линия передачи постоянного тока СиньцзянАньхой +/- 1100 кВ длиной 3324 км

Слайд 4

На данном слайде приведены основные даты, касающиеся изобретений устройств и эксплуатации первых линий электропередачи. Обращает на себя внимание обстоятельство, что от момента изобретения до промышленной реализации в США, Европе и России прошло 10-20 лет. Это обстоятельство говорит о революционной роли электроэнергетики в жизни общества, ее внедрения в промышленную и гражданскую сферу.

Мы уже отметили, что с ростом расстояний и передаваемой мощности необходимо увеличивать рабочее напряжение для того чтобы сделать данный процесс эффективным. Поэтому в зависимости от масштаба энергосети применяются различные классы высокого напряжения. При этом системы с различными классами рабочего напряжения взаимодействую друг с другом через узлы трансформации (трансформаторные подстанции). Основные классы высокого напряжения, применяемые в России, представлены на слайде в рамке. Если с точки зрения безопасности жизнедеятельности все напряжения свыше 1000 В считаются высокими, то в электроэнергетике принято несколько иное деление: 1-35 кВ среднее, 110-220 кВ – высокое, 330-750 кВ сверхвысокое , 1150 кВ – ультравысокое напряжение.

Слайд 5.

Итак, основными элементами инфраструктуры электроэнергетического комплекса являются генераторы электроэнергии, преобразующие различные виды энергии в электрическую, преобразующие подстанции ( главным образом трансформаторные), с помощью которых параметры электропередачи приводятся к наиболее удобным для потребления или передачи значениям, линии электропередачи, размещаемые над землей (воздушные линии), под землей, под водой, в тоннелях (кабельные линии). Как указывалось раньше, дальние передачи используют наиболее высокое рабочее напряжение. Диаграмма данного слайда показывает, что наибольшая длина приходится на линии сверхвысокого напряжения 500 кВ.

Фотографии, приведенные на слайде показывают, что технические компоненты и оборудования, составляющие весь описанный высоковольтный электроэнергетический комплекс, весьма сложны и требуют высокой инженерной подготовки при их разработке, создании и эксплуатации.

Главная задача оборудования высокого напряжения – обеспечение надежной и бесперебойной работы всего электроэнергетического комплекса, поскольку потеря энергоснабжения даже на небольшое время ведет к тяжелым экономическим и социальным последствиям. В свою очередь решение задачи конструирования, выбора, создания и эксплуатации оборудования высокого напряжения с необходимым уровнем надежности опирается на специальные знания, относящиеся к физике электрического пробоя диэлектриков, электрофизических свойств материалов применяемых в оборудовании высокого напряжения, переходных процессов в электроэнергетических цепях и ряда других разделов.

Далее все отмеченные разделы последовательно рассматриваются в рамках настоящего курса, первая часть которого включает:

1.Основы физики электрического пробоя газовых, жидких и твердых диэлектриков

2.Основные виды изоляции и изоляционных конструкций установок высокого напряжения

3.Испытания и измерения на высоком напряжении

4.Перенапряжения в сетях ВН и защита от перенапряжений Слайд 6.

Одной из основных проблем, решаемой в технике высоких напряжений является надежная изоляция находящихся под высоким напряжением токоведущих элементов друг от друга и от земли. Самым доступным диэлектриком, обеспечивающим необходимые изоляционные свойства, является атмосферный воздух. Для изоляции применяют и другие газовые диэлектрики, которые производятся промышленно. Особенностью любой газовой изоляции является ее способность к восстановлению после пробоя, поэтому именно воздушные линии получили наибольшее распространение для электропередачи на дальние расстояния, когда ремонт и обслуживание труднодоступны.

Выбор изоляционного расстояния, например, расстояния между проводами производится из оценки электрической прочности газового промежутка, которая характеризуется напряжением разряда.

Электрическим разрядом мы называем любое явление, при котором в изоляционном промежутке протекает электрический ток. Для оценки электрической прочности промежутка на интересует в первую очередь самостоятельный разряд, происходящий только в результате приложения к промежутку напряжения без каких-либо дополнительных

физических факторов (нагрев, специальные источники ионизующего излучения и т.п.)

В основных приложениях техники высоких напряжений электрический разряд рассматривается как нежелательное явление, нарушающее или вовсе исключающее работу оборудования, приводящее к авариям и потери работоспособности электроэнергетического комплекса.

На данном слайде приведены основные определения, относящиеся к разрядным напряжениям изоляционных промежутков.

Под начальным разрядным напряжением понимается минимально необходимое напряжение, достаточное для поддержания самостоятельного разряда.

В дальнейшем мы увидим, что существую различные виды разряда, различающиеся интенсивностью ионизационных процессов, величиной разрядного тока и т.д. Поэтому удобно вести такую характеристику как разрядное напряжение, применительно к каждому виду разряда.

Опробое изоляционного промежутка говорят в случае

образовании в нем хорошо проводящего канала. Минимально необходимое напряжение, приводящее к его образованию называют пробивным напряжением или напряжением пробоя.

Электрическую прочность диэлектрика, как материала, оценивают по пробивной напряженности в однородном электрическом поле, в частности для воздуха электрическая прочность близка к 30 кВ/см

Слайд 7.

Как отмечалось выше, электрический разряд есть явление протекания электрического тока (имеются в виду токи проводимости и переноса) в изоляционном промежутке. Электрический ток возникает вследствие движения заряженных частиц. Заряженные частицы в газообразном диэлектрике образуются вследствие ионизационных процессов различной природы.

Элементарные ионизационные процессы происходят в результате взаимодействия нейтральных частиц (атомов или молекул) с заряженными (электронами), друг с другом, с излучением (световые кванты).

Наиболее важные ионизационные процессы иллюстрируются на данном слайде. К ним относятся:

1)ионизация нейтрального атома электроном, получившим необходимую для этого энергию в процессе ускорения в сильном электрическом поле

2)Ступенчатая ионизация электронным ударом, происходящая в два этапа – возбуждение (перемещение связанного в атоме электрона на более высокую орбиту) и ионизация

3)Фотоинизация – освобождение электрона из электронной оболочки атома путем поглощения энергии фотона.

Слайд 8.

Очевидно, что для осуществления ионизации – перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию, называемую энергией ионизации. В таблице приведены значения энергии ионизации для основных атомов составляющих молекулы воздуха азота и кислорода.

Приведенные на слайде неравенства математически выражают условия ионизации из нормального состояния атома, когда необходимо затратить энергию ионизации Wi, и из возбужденного состояния. В последнем случае для ионизации будет достаточна энергия численно равная разноси энергии ионизации и энергии возбуждения Wi-Wa.

Слайд 9.

Рассмотренные выше ионизационные процессы происходят в объеме газа. Вместе с тем существуют механизмы, играющую одну из определяющих ролей в электроразрядных явлениях, - освобождение электронов с поверхности отрицательно заряженного электрода (катода), называемое электронной эмиссией. Нетрудно заметить, что при знакопеременном напряжении, например напряжении промышленной частоты, оба электрода поочередно выступают в качестве катода.

Энергетический порог процесса эмиссии в 2-3 раза ниже энергии ионизации, а качестве поставщика этой энергии могут служить: положительные ионы, ускоренные в поле электродов до достаточной

величины энергии, световые кванты подходящей по энергетическому условию частоты.

Слайд 10.

Наконец, если электрическое поле в промежутке достаточное сильное, то под его непосредственным воздействием электроны извлекаются с поверхности металла (автоэлектронная эмиссия). При этом в сильных электрических полях начиная с 10 кВ/см плотность тока автоэлектронной эмиссии может достигать весьма больших значений, приведенных на данном слайде. Процессы автоэлектронной эмиссии в сильной степени зависят от качества обработки поверхности электродов. Для шероховатых электродов характерны микровыступы, являющиеся концентратами электрического поля и соответственно автоэлектронного тока. Если мощность, установки питающей такую систему электродов, достаточна, то плотность тока эмиссии в местах выступах может оказаться достаточной для плавления и испарения микровыступов. В этом случае говорят о взрывной эмиссии.

Слайд 11.

Электронная эмиссия из катода может происходить при нагреве последнего до температуры порядка 1000К. С точки зрения разрядных процессов в газовой изоляции высоковольтных устройств этот процесс, называемый теромоэлектронной эмиссией, интереса не представляет.

Отдельного рассмотрения заслуживает процесс образования отрицательных ионов при захвате свободных электронов нейтральными молекулами. Существуют газы, например SF6, молекулы которых имеют высокую вероятность захвата электрона («прилипания»). В этом случае вместо электрона в разрядном промежутке возникает тяжелый отрицательный ион, с ограниченными возможностями набора энергии в электрическом поле. При таком сценарии интенсивное развитие ионизационных процессов становится более ограниченным по сравнению с обычными газами. Газ, обладающий описанными свойствами, называется электроотрицательным. Отмеченный выше гексофторид серы имеет также техническое название – элегаз и применяется в различных элементах современной высоковольтной аппаратуры.

Слайд 12.

Электроразрядные явления в газе происходят в результате, образования и движения заряженных частиц. Основные процессы, приводящие к появлению заряженных частиц, рассмотрены выше.

Здесь рассматриваются особенности движения заряженных частиц в газе. При отсутствии электрического поля нет принципиального различия в движении заряженных частиц, например ионов, и электрически нейтральных атомов и молекул. Движение это носит хаотический характер и носит название теплового. В этом случае среднее смещение частицы из некоторой начальной точки равно нулю. В газах большую часть времни частица движется прямолинейно, периодически испытывая столкновения с другими частицами. На левом рисунке мы видим, что частица испытав лостаточное количество столкновений в итоге не получат заметного смещения вдоль оси x.

Ситуация изменяется если в газовом промежутке создано электрическое поле. В этом случае на заряженную частицу действует электрическая сила, равная произведению напряженности поля E на величину заряда частицы и направленная вдоль поля при положительном заряде частицы и против поля при отрицательном. Наличие наряду с хаотическим движением и столкновениями направленной силы, действующей на заряженную частицу, приводит к тому, что среднее смещение частицы за конечный отрезок времени отлично от нуля и направлено в сторону действия силы. Такое направленное движение, происходящее на фоне хаотического, называется дрейфовым движением или дрейфом. Скорость дрейфа vD оценивается как отношение описанного смещения к длительности отрезка времени наблюдения частицы. На скорость дрейфа влияют различные факторы, такие как величина поля, концентрация частиц, масса дрейфующей частицы и т.д. Названные характеристики определяют величину коэффициента подвижности K, связывающего напряженность электрического поля E и дрейфовую скорость частицы.

vD K E

Сделаем оценку коэффицента подвижности исходя из модели, в рамках которой будем считать, что частица массой m и зарядом q полностью теряет направленную скорость после каждого столкновения с другой частицой. В

Заряженные частицы, в особенности легкие электроны, в сильных электрических полях обладая высокой подвижностью, могут получить в электрическом поле энергию достаточную для ионизации атомов и молекул. Ранее мы рассмотрели схемы этих процессов. Важно, что в результате ионизации электронным ударом в месте реакции образуются уже два свободных электрона, которые под действием электрического поля начинают ускоряться и набирать энергию. При этом каждый из них способен на новую ионизацию. В результате, как показано на рисунке, происходит лавинообразное увеличение числа свободных электронов - образуется электронная лавина. Разумеется, не каждое столкновение электрона с нейтральной частицей приводит к ионизации. Для оценки ее интенсивности вводится коэффициент ударной ионизации α, численно равный количеству ионизаций, совершаемых электроном на единицы длины своего пути вдоль поля. Тогда увеличение полного числа электронов в лавине Ne при ее смещении вдоль оси x , будет описываться уравнением (1), решение которого

(2) показывает экспоненциальную зависимость числа электронов в лавине от пройденного ею расстояния. Важнейшим параметром здесь является коэффициент ударной ионизации α, величина которого зависит от вида газа, давления P, напряженности электрического поля E. Экспериментальные данные о коэффициенте ударной ионизации обобщаются с помощью формулы Таунсенда (2), где постоянные A и B зависят от конкретного газа. Численные значения этих постоянных для воздуха при различных значениях отношение E/P приведены на слайде. Приведенный там же график зависимости α(E) для воздуха при нормальных условиях показывает существенное возрастание коэффициента ударной ионизации при достижении в электрическим поле предпробивных значений. Характерным значением является α=10 см-1 , имеющее место при пробивной напряженности воздуха 30 кВ/см