Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Пермский государственный технический университет

Л.А. Ковригин техника высоких напряжений

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве конспекта лекций

Пермь 2008

УДК 621.316

К56

Рецензенты: В.В. Смильгевич, к.т.н., ген. директор ОАО «Камкабель»;

Л.Г. Сидельников, к.т.н., исп. директор ЗАО «Тест»

Ковригин Л.А.

К56 Техника высоких напряжений: Конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2008. – 90 с.

Рассмотрены атмосферные и внутренние перенапряжения, а также высоковольтные испытательные установки и корона на проводах ЛЭП.

Предназначен для студентов специальности 180302 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника», которым отдельно читаются курсы: «Физика диэлектриков», «Методы испытания электрической изоляции», «Силовые кабельные линии», «Основы кабельной техники», «Электрические машины», «Основы конденсаторной техники», «Основы электроизоляционной техники», «Электротехнические материалы».

УДК 621.316

 Пермский государственный

технический университет, 2008

Введение

Техника высоких напряжени (ТВН) – это дисциплина, которая изучает различные физические процессы, происходящие в высоковольтных устройствах, с целью обеспечения безаварийной работы изоляции. Для чего требуется высокое напряжение при передаче электроэнергии?

Рассмотрим простейший пример. Пусть имеем линию электропередачи (ЛЭП) (рис. В.1), сопротивление проводов которой равноr = 0,01 Ом, а сопротивление нагрузки – R. Допустим, требуется передать мощность P = 10 Вт. Это можно сделать различными путями, например:

1) I₁ = 1 А, U₁ = 10 В; P₁ = I₁ U₁ = 10 Вт;

Рис. В.1. Схема передачи электроэнергии по линии

2) I₂ = 10 А, U₂ = 1 В; P₂ = I₂ U₂ = 10 Вт.

В том и другом случаях получается одна и та же мощность на приемнике электроэнергии, однако мощность W = I²r, которая пойдет на бесполезный нагрев проводов линии, будет различной:

1. W₁ = I₁² r = 1²·0,01 = 0,01 Вт; 2) W₂ = I₂² r = 10²·0,01 = 1 Вт.

Мощности W₁ и W₂ отличаются в 100 раз при отличии токов в 10 раз из-за квадратичной зависимости мощности от тока: W = I²r. Следовательно, чем меньше ток или чем выше напряжение, тем меньше энергии расходуется на бесполезный нагрев проводов.

Величины напряжений, на которых передается электроэнергия, нормированы, они называются классами напряжений: 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Класс напряжения – это номинальное (U_н), линейное (U_л), действующее (U) напряжение на приёмнике электроэнергии. Линейное напряжение больше фазного напряжения (U_ф) в раз: U_л =U_ф . Ампли­туда U_m (максимальное значение), больше действующего напряжения в раз: U_m = =U . Вольтметры и амперметры измеряют действующее напряжение. На генераторе электроэнергии напряжение выше, для того чтобы скомпенсировать падение напряжения в линии.

Величина напряжения, которая должна быть на генераторе, нормируется в зависимости от класса напряжения, так как с его увеличением стоимость изоляции возрастает не по линейному закону. Напряжение на генераторе есть наибольшее рабочее напряжение (U_{раб max} = kU_н), изоляция кабеля рассчитывается на это напряжение. Коэффициент k принят для классов напряжения 3–220 кВ равным 1,15; для 330 кВ – 1,1 и более 500 кВ – 1,05. Снижение коэффициента k приводит к уменьшению толщины изоляции, т.е. снижению стоимости кабеля. Для уменьшения коэффициента k:

1. применяют меньшие плотности тока, что снижает падение напряжения на активном сопротивлении провода;

2. используют расщепление проводов для снижения индуктивности и, следовательно, уменьшения падения напряжения на индуктивном сопротивлении провода;

3. применяют регуляторы напряжения, которые снижают напряжение при уменьшении нагрузки.

Рис. В.2. ЛЭП с расщепленными проводами

Линия электропередачи с расщепленными проводами представлена на рис. В.2, в каждой фазе устанавливается не один, а несколько проводов, соеди­ненных перемычками, при этом чем дальше разнесены провода, тем меньше индуктивность.

Начальное напряжение ионизации – это наименьшее напряжение, при котором в изоляции возникают слабые разряды, вызывающие ионизаци­онное старение изоляции. В нормально работающей изоляции разрядов не должно быть, при их наличии резко уменьшается срок службы кабеля. При от­сутствии разрядов кабель служит 25–30 лет.

Критическое напряжение ионизации – это напряжение, при котором в изоляции возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ионизационный пробой за малый промежуток времен.

Уровень изоляции – это испытательное напряжение, которое будучи приложено к изоляции на короткий промежуток времени не вызывает ее пробоя. Уровень изоляции лежит ниже критического напряжения ионизации и зависит от времени приложения испытательного напряжения. Уро­вень изоляции больше номинального напряжения на коэффициент за­паса электрической прочности (рис. В.3), который лежит в пределах 3–5.

Рис. В. 3. Запас электрической прочности

Координация изоляции – это согласование уровня изоляции с возможной ве­личиной перенапряжений.

Существуют два пути координации изоляции:

1. установление уровня изоляции выше возможной величины перенапряжений;

2. ограничение перенапряжений разрядниками.

Выбор одного из двух путей производят исходя из экономических соображе­ний, т.е. увеличивать толщину изоляции или устанавливать разрядники.

Режим работы нейтрали зависит от класса напряжения (в следующем ряду жирным шрифтом выделены классы напряжений с заземленной нейтралью):

0,22; 0,38; 0,66; 1; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Такое разделение по классам принято в России. В США и Европе нейтраль для всех классов напряжений заземлена. Нейтраль изолируют для того, чтобы при замыкании одной из фаз на землю не происходило отключение линии, т.е. для надежности электроснабжения.

На рис. В.4 изображена трехфазная система с изолированной нейтралью. Емкость каждой фазы на землю равна C. Напряжение на нейтрали равно нулю. На проводах по отношению к земле – фазное напряжение (U_ф), между проводами – линейное напряжение (U_л ).

Рис. В.4. Схема сети с изолированной нейтралью

Особенностью такой схемы является то, что замыкание провода на землю не вызывает короткого замыкания, поэтому отключение линии не происходит и потребитель продолжает получать электроэнергию (рис. В.5). Однако:

1) напряжение двух других фаз повышается до линейного;

2) в месте соприкосновения провода с землей горит электрическая дуга емкостного тока, что может вызвать перенапряжение и, как следствие этого, двухфазное замыкание из-за перебрасывания дуги на другие фазы и полное отключение линии;

3) возрастает опасность поражения током;

4) появляются помехи в сетях связи.

Рис. В.5. Замыкание одной из фаз на землю

В силу того, что напряжение на фазах может возрасти до линейного, изоляцию необходимо рассчитывать на линейное напряжение. В США и Европе считается экономически выгоднее изготавливать кабели, рассчитанные на фазное напряжение, а надежность электроснабжения обеспечивать надежностью всех элементов энергосистемы. Для погашения дуги однофазного замыкания в нейтраль включаются дугогасящая катушка (рис.В.6).

Рис. В. 6. Гашение дуги с помощью катушки индуктивности

При нормальной работе напряжение на нейтрали равно нулю и ток через катушку не протекает. Во время короткого замыкания напряжение на нейтрали возрастает до фазного и через катушку начинает протекать индуктивный ток, который компенсирует емкостный ток, в результате чего ток в месте замыкания на землю резко уменьшается. Катушка имеет отводы для настройки системы в резонанс, такое заземление называется резонансным.

Рассмотрим трехфазную систему с заземленной нейтралью, в которой произошло замыкание одной из фаз на землю (рис. В.7).

Рис. В.7. Замыкание фазы на землю в сетях с заземленной нейтралью

В месте короткого замыкания, между землей и проводом загорается электрическая дуга. Ток короткого замыкания I_к.з приводит в действие систему автоматического повторного включения АПВ, которая установлена на подстанциях: линия на короткий промежуток времени отключается, дуга гаснет. Затем вновь подается напряжение. В том случае, если возникло неустранимое короткое замыкание (перехлест проводов), линия совсем отключается.

При таком характере замыкания напряжение на фазах не может быть больше фазного, следовательно, изоляция рассчитывается на величину фазного напряжения.