действие релейную защиту, вызывающую селективное отключение поврежденного участка. Линия автоматически отключается на время, необходимое для погасания дуги в месте замыкания (доли секунды), а затем автоматически включается. В большинстве случаев АПВ оказывается успешным, и на потребителе это не отражается. Благодаря быстрому отключению дуга не успевает переброситься на другие фазы или причинить повреждение изоляции.

Сети с изолированной нейтралью. При работе сети с изолированной нейтралью через место однофазного замыкания на землю проходит емкостной ток неповрежденных фаз. В сетях небольшой протяженности, имеющих небольшие емкостные токи, дуга гаснет при первом прохождении тока через нуль и нормальная схема электроснабжения восстанавливается без отключения поврежденного участка. Таким образом, большинство однофазных замыканий на землю оказывается неопасными. Повышение протяженности сети вызывает увеличение емкостных токов, что приводит к затяжному горению дуги, развитию колебаний из-за ее неустойчивого характера, возможности переброски дуги на другие фазы.

В сетях 3-35 кВ эффективным способом ликвидации замыканий является компенсация тока в месте замыкания с помощью дугогасящего реактора, включаемого в нейтраль трансформатора. Вследствие компенсации тока и прекращения поступления энергии дуга в месте замыкания не может поддерживаться и быстро гаснет.

Размеры изоляции в установках 3-35 кВ определяются не электрическими воздействиями, а главным образом необходимой механической жесткостью.

1.3 Область применения сетей различного номинального напряжения

Предположим, что существует некая электростанция, вырабатывающая мощность (Р). Необходима передача данной мощности потребителю (НГ), удаленному от источника на заданное расстояние (L). Возникает вопрос: на каком номинальном напряжении следует передавать, вырабатываемую мощность

∆P, ∆Q, ∆U

Рис. 1.1.

4

Потери мощности и напряжения в ЛЭП определяются следующими соотношениями:

Таким образом, для передачи большей мощности на большее расстояние необходимо увеличивать номинальное напряжение ЛЭП.

Для определения величины номинального напряжения электропередачи сначала использовалась эмпирическая формула:

где P – МВт, L – км, Uнбх – кВ.

Позже была предложена другая формула:

В настоящее время выбор оптимального напряжения требует проведения технико-экономических сопоставлений на перспективу 15-20 лет при учете вариаций в исходных данных и межсистемных связях. Зависимости на рис. 1.2 иллюстрируют возможности ЛЭП различных номинальных напряжений. При известной расчетной пропускной способности и длине линии с помощью рис.1.2 можно на первом этапе сделать упрощенную оценку номинального напряжения линии.

L, км

Передаваемую мощность желательно иметь близкую к натуральной мощности линии. В этом случае обеспечиваются ее оптимальные техникоэкономические показатели.

5

где Zc – волновое сопротивление линии.

Таблица 1.2

Натуральные мощности ЛЭП

В настоящее время протяженность электрических сетей высокого напряжения (с номинальным напряжением 35-330 кВ) превысила 700 тыс.км, а общая длина электропередач сверхвысокого напряжения (500 и 750 кВ) составляет 30 тыс. км. Вступил в строй первый участок линии электропередачи ультравысокого напряжения 1150 кВ. Единичная мощность установленных на электростанциях турбогенераторов возросла до 1000-1200 МВт, а гидрогенераторов – до 500-640 МВт. Мощность отдельных тепловых электростанций достигла 3800 МВт, атомных – 3000 МВт и гидравлических –

6400 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 изоляции электрических систем и оборудования при всех постоянно воздействующих на нее или кратковременно возникающих напряжениях.

Использование высоких напряжений в электрических системах требует решения сложных научно-технических проблем, среди которых может быть выделен комплекс вопросов, касающихся электрической изоляции. Рассматриваемая проблема, предусматривает как изучение физических процессов в изоляции, так и изучение форм и величин напряжений, воздействующих на изоляцию в эксплуатации.

1.4. Назначение изоляции в технике высоких напряжений

В развитии электроэнергетики России важное место занимает применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния. Для передачи электрической энергии от источника к

6

потребителю требуется надежная изоляция токоведущих частей относительно земли и между собой.

Изоляция подвергается длительному (в течении всего срока эксплуатации) воздействию рабочего напряжения, изменение которого допускается в ограниченных пределах.

Вусловиях эксплуатации изоляция подвергается также многократному воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Источником внутренних перенапряжений являются электродвижущие силы генераторов системы, а причиной – нормальные или аварийные коммутации, сопровождающиеся колебательными процессами или резонансными явлениями в системе. Помимо внутренних перенапряжений на изоляцию электроустановок могут воздействовать также грозовые перенапряжения, причиной возникновения которых являются удары молнии в электроустановки. Наряду с этим изоляция подвергается температурным и механическим воздействиям, приводящим к ухудшению ее электрических и механических свойств.

Длительное воздействие рабочего напряжения, а также многократное воздействие перенапряжений в сочетании с неблагоприятными атмосферными условиями (колебания давления, температуры, влажности воздуха, выпадение осадков, загрязнение) и механическими воздействиями могут привести к пробою или перекрытию изоляции, а также к постепенному старению изоляции и преждевременному выходу ее из строя. Кроме того, воздействие рабочего напряжения приводят к потерям энергии в изоляции электропередачи, а также к возникновению радиопомех.

Всвязи с приведенными условиями эксплуатации имеют место четыре различные группы требований к изоляционным элементам электрических сетей:

-надежная работа изоляции, т.е. надежная изоляция токоведущих частей относительно земли и между собой, при всех перечисленных воздействиях (рабочее напряжение, перенапряжения, неблагоприятные атмосферные условия, механические воздействия);

-ограничение потерь энергии в изоляции при рабочем напряжении;

-обеспечение безопасной работы эксплуатационного персонала;

-ограничение радиопомех и высокочастотных помех в каналах связи по линиям электропередачи.

1.5. Краткие сведения из истории развития ТВН в энергетике

Первая у нас в стране лаборатория высоких напряжений была создана в 1903г. в Электротехническом институте (ныне Ленинградский электротехнический институт имени В.И. Ленина - ЛЭТИ). Лаборатория располагала хорошим по тому времени оборудованием, в том числе двумя

трансформаторами мощностью по 10 кВ•А с переменным коэффициентом

7

трансформации. Каждый из трансформаторов давал напряжение от 20 до 100 кВ.

Значительное развитие техника высоких напряжений получила после Октябрьской революции 1917г. в связи с подготовкой и реализацией плана ГОЭЛРО. Важную роль в выполнении плана ГОЭЛРО сыграл организованный в 1921г. Государственный экспериментальный электротехнический институт (теперь Всероссийский электротехнический институт - ВЭИ).

В Москве исследования проводились совместно работниками ВЭИ и преподавателями МЭИ, представлявшими по существу единый коллектив, на лабораторном оборудовании ВЭИ. В этих работах закладывались основы важных для электроэнергетики научных направлений: по теории перенапряжений в электрических системах (Л.И. Сиротинский), вентильным разрядникам (Л.И. Иванов), молниезащите (А.А. Акопян), защите оборудования от грозовых импульсов (А.Ф. Богомолов). Большую роль в развитии ТВН в те годы также сыграли Физико -технический институт (г. Ленинград) и Харьковский электротехнический институт (теперь Харьковский политехнический институт - ХПИ).

Исследования по технике высоких напряжений сыграли важную роль в выполнении плана ГОЭЛРО, неотъемлемой частью которого было строительство линий электропередачи высокого напряжения. Первая линия 110 кВ Каширская ГРЭС – Москва была построена в 1922г., а уже в 1933 была введена в строй линия 220 кВ Нижне–Свирская ГЭС – Ленинград. Перед Великой Отечественной войной протяженность сетей напряжением 35 кВ и выше составляла 20 тыс.км.

Подлинным расцветом техники высоких напряжений ознаменовались четыре десятилетия после победы в Великой Отечественной войне. Появился целый ряд новых лабораторий, оснащенных уникальными исследовательскими установками на сверхвысокие параметры. Значительно расширился круг задач, которые решаются специалистами по технике высоких напряжений.

1.6. Внешняя и внутренняя изоляция

Изоляция электрических установок может быть разделена на внешнюю и внутреннюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами разных фаз линии электропередачи, между проводами и опорой), внешние поверхности твердой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителя и т.п. Внутренняя изоляция состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектриков. К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д.

8

Особенности внешней изоляции:

-зависимость электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки существенно влияют загрязнения их поверхности и атмосферные осадки;

-после пробоя внешняя изоляция полностью самовосстанавливается, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя;

-отсутствие старения изоляции.

Особенности внутренней изоляции:

-электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий;

-пробой твердой и комбинированной изоляции - явление необратимое, приводящее к выводу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, однако пробои приводят к ухудшению их характеристик;

-подвержена старению, т.е. ухудшению электрических характеристик в процессе эксплуатации (частичные разряды, диэлектрические потери).

Под влиянием больших напряженностей электрического поля, которые могут возникать в процессе эксплуатации, возможна частичная или полная потеря изоляцией ее диэлектрических свойств – пробой изоляции. Характер повреждения и его последствия различны для внешней и внутренней изоляции.

Внешняя изоляция является самовосстанавливающейся, поскольку после пробоя воздушного промежутка или перекрытия вдоль поверхности изолятора и устранения причины пробоя электрическая прочность воздуха полностью восстанавливается. Нежелательные последствия пробоя воздуха – это возможность возникновения устойчивой дуги. На ЛЭП дуговое замыкание на землю или между проводами приводит к отключению линии на время, необходимое для восстановления изоляции. Следовательно, пробой воздушной изоляции связан с кратковременным перерывом электроснабжения, но не с повреждением изоляции.

Внутренняя изоляция не является самовосстанавливающейся, поскольку нарушение ее электрической прочности представляет собой необратимый процесс, ведущий к выводу из строя дорогостоящей аппаратуры.

9

1.7. Уровни и координация изоляции в электрических системах

Поведение изоляции должно рассматриваться не только при длительном воздействии напряжения промышленной частоты, но и при кратковременных воздействиях грозовых и внутренних перенапряжений. Оценка возможных перенапряжений с учетом их статистического характера, выбор защитных средств и изоляционных конструкций – все эти вопросы тесно связаны между собой.

К о о р д и н а ц и я и з о л я ц и и – согласование характеристик защитных устройств и характеристик изоляции, обеспечивающее высокую надежность работы изоляции. Например, электрическая прочность подстанционного оборудования скоординирована с пробивным и остающимся напряжением разрядников. Усовершенствование разрядников (снижение остающегося напряжения) или увеличение их количества позволяет снизить электрическую прочность защищаемой изоляции, в частности трансформаторов.

При решении вопросов координации изоляции не всегда следует добиваться полной неповреждаемости изоляции, а лишь достаточно малой вероятности повреждения. Оптимальные условия защиты от перенапряжений и координации изоляции должны выбираться в результате техникоэкономического расчета: с одной стороны, на усиление защитных устройств, снижающих вероятность аварии из-за повреждения изоляции; с другой стороны, на ремонт поврежденного оборудования и вследствие недоотпуска электроэнергии.

10