книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

ТЕХНИКА

ВЫСОКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ

Под редакцией чл.-корр. АН СССР

М. В. К о с т е н к о

ния СССР в качестве учебного посо­ бия для студентов электроэнергети­ ческих специальностей высших учеб­ ных заведений

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА> 1973

Г. H. Александров, В. Л. Иванов, К. П. Кадомская, Н. А. Козырев, М. В. Костенко, Г. С. Кучинский, И. Ф. Половой, Б. М. Рябов, В. А. Хоберг

001—(01)—73

Рецензенты:

Кафедра техники высоких напряжении МЭИ Академик В. И. Попков

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Редактор В. А. Титова. Переплет художника В. 3. Казакевича.

Художественный редактор Н. К. Гуторов. Техн.-редактор С. П. Передерий. Корректор Г. И. Кострнкова

Т-10527. Сдано в набор 23/11 1973 г. Подп. к печати 14/ѴІІІ 1973 г* Формат 60X90’/іе. Объем 33 печ. л. + 1 вкл. (0,15 п. л.) Уч.-нзд. л. 35,83

Изд. № Стд-140. Тираж 23 000 экз. Цена 1 р. 46 к.

Отпечатано с матриц Ордена Трудового Красного Знамени Первой Образцо­ вой типографии имени А. А. Жданова в Московской типографии № 4 Союз*

© Издательство «Высшая школа», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

На современном этапе основная задача энергетики и электропро­ мышленности Советского Союза заключается в сплошной электрифи­ кации всей страны. Для того чтобы электроснабжение потребителей ’было дешевым и надежным, целесообразно создавать генераторы, обо­ рудование и линии электропередач весьма высокого напряжения и боль­ шой мощности, объединять их в энергосистемы с разветвленной элек­ трической сетью. Магистральные линии переменного и постоянного тока сверхвысокого напряжения должны соединить эти системы между •собой и создать таким образом единую энергетическую систему СССР.

Основные задачи техники высоких напряжений (ТВН) при этом за­ ключаются в создании и эксплуатации надежной и долговечной изо­ ляции и ее защите от воздействующих перенапряжений.

В данном учебном пособии основное внимание уделяется изучению физико-математических основ ТВН. Авторы поставили перед собой задачу рассмотреть физические процессы, протекающие в газообраз­ ных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках, а также изо­ ляционных конструкциях, методы расчета переходных процессов в электрических сетях и возникающих при этом перенапряжений на изоляции. В пособии приведены расчеты схем защиты от перенапря­ жений и схем типовых изолирующих конструкций, а также некоторые вопросы высоковольтных испытаний и измерений и возможные реше­ ния других задач в соответствии с программой основного курса ТВН.

В книге детально не рассматриваются разнообразные конкрет­ ные изоляционные конструкции, схемы защиты, испытательные и измерительные установки, вопросы техники безопасности и другие специальные вопросы, которые освещаются в учебниках и учебных пособиях по соответствующим специальным курсам.

Учебное пособие «Техника высоких напряжений» написано автор­ ским коллективом кафедры ТВН и лаборатории ЭС (электрических систем) и ТВН им. проф. А. А. Горева Ленинградского ордена Ленина политехнического института им. М. И. Калинина; широко использо­ ваны результаты научно-исследовательских работ, выполненных со­ трудниками лаборатории.

Авторы написали следующие главы и параграфы: Г. Н. Алексан­ дров— гл. I, II, III, IV, V, § 15.2, 15.3, 16.1, совместно с Б. М. Ря­ бовым § 2.6, совместно с М. В. Костенко и Г. С. Кучинским § 15.1; В. Л. Иванов — § 16.5, совместно с В. А. Хоберг § 16.3, 16.4; К. П. Кадомская совместно сМ . В. Костенко— гл. X, XI, XII, XIII и прило­ жение; Н, А. Козырев — § 8.76, 9.56 и 15.9, совместно с Г. С. Кучин-

ВВЕДЕНИЕ

Современная объединенная энергосистема включает в себя электри­ ческие станции и подстанции, генерирующие и преобразующие элек­ трическую энергию и электрические сети, передающие электроэнер­ гию и распределяющие ее между потребителями. Для передачи элек­ трической энергии от источника к потребителю требуется надежная изоляция токоведущих частей относительно земли и между собой. Различные элементы электрических сетей (генераторы, трансформа­ торы, коммутирующие и измерительные аппараты, воздушные и ка­ бельные линии) и условия работы их изоляции обусловливают разно­ образие используемых в них изоляционных конструкций. При этом изоляция электрических сетей может быть разделена на два сущест­ венно различных вида: внешнюю и внутреннюю.

Внешняя изоляция работает в непосредственном контакте с ат­ мосферным воздухом, использует его изолирующие свойства. Поэто­ му воздух должен рассматриваться в качестве одного из основных эле­ ментов высоковольтных изоляционных конструкций, например для проводов, которые только в отдельных точках подвешиваются к опо­ рам с помощью гирлянд изоляторов. Внешняя изоляция в большинстве случаев является самовосстанавливающейся, т. е. восстанавливает практически полностью свои изоляционные свойства после пробоя.

Внутренняя изоляция не имеет непосредственного контакта с ат­ мосферным воздухом. Изоляционные конструкции этого типа монти­ руются либо в металлических, либо в изоляционных (фарфоровых) кожухах, исключающих возможность прямого контакта с атмосферой. Косвенный контакт имеет место в результате несовершенства уп­ лотнений ц необходимости'обеспечения температурных изменений объе­ ма изолирующей среды. Внутренняя изоляция чаще всего выполня­ ется с применением твердых и жидких диэлектриков, а также их ком® позиций. Так как в ее состав почти всегда входят твердые диэлектрики, то эта изоляция является несамовосстанавливающейся, т. е. она ча­ стично или полностью теряет свои изоляционные свойства после про­ боя.

Изоляция электрических сетей подвергается длительному (в тече­ ние всего срока эксплуатации) воздействию рабочего напряжения, из­ менение которого допускается в ограниченных пределах. Так, рабо­ чее напряжение не должно превышать 115% от номинального напря­ жения для сетей до 220 кв включительно; 110% для сетей 330 кв, 105% для сетей 500 кв и выше.

5

В условиях эксплуатации изоляция подвергается также много­ кратному воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Внутренние перенапряжения возникают при включениях и отключе­ ниях элементов электрической сети, коротких замыканиях и других изменениях схемы или параметров этой сети; грозовые перенапряже­ ния — при ударах молнии в элементы электрической сети или вблизи них. Наряду с этим изоляция подвергается температурным и механи­ ческим воздействиям, приводящим к ухудшению ее электрических и механических свойств.

Длительное воздействие рабочего напряжения, а также многократ­ ное воздействие перенапряжений в сочетании с неблагоприятными ат­ мосферными условиями (колебания давления, температуры, влажности воздуха; выпадение осадков; загрязнение) и механическими воздей­ ствиями могут привести к пробою или перекрытию изоляции, а также к постепенному старению изоляции и преждевременному выходу ее из строя. Кроме того, воздействие рабочего напряжения приводит к потерям энергии в изоляции электропередачи, а также к возникнове­ нию радиопомех.

В связи с приведенными условиями эксплуатации имеют место че­ тыре различные группы требований к изоляционным элементам эле­ ктрических сетей:

1)надежная работа изоляции при всех перечисленных воздейст­

виях;

2)ограничение потерь энергии в изоляции при рабочем напряже­

нии;

3)обеспечение безопасной работы эксплуатационного персонала, механизмов, а также передвижения людей и животных на неограждаемых трассах воздушных линий ВЛ\

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

Критерии выбора изоляции по первому и второму требованиям формируются на основе технико-экономических расчетов, исходя из обеспечения наибольшего народнохозяйственного эффекта или мини­ мума «приведенных затрат». «Приведенные затраты» учитывают в со­ поставимой форме капитальные вложения на сооружение электриче­ ских сетей К, ежегодные расходы на покрытие потерь энергии в сетях, на эксплуатацию и на амортизацию И, а также ущерб народному хо­

По первому требованию при увеличении капиталовложений в изо­ ляцию и в средства ограничения перенапряжений уменьшается ущерб от перерывов электроснабжения из-за уменьшения числа перекрытий изоляции. Аналогично, по второму требованию при увеличении капи-. таловложений на провода повышенного диаметра или на увеличение числа составляющих расщепленных фаз уменьшаются в соответствии

6

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ II ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ

ГЛАВА I. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ В ГАЗЕ

§1.1. ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ

Заряженные частицы в газе могут появиться при ионизации моле­ кул газа или с поверхности электродов. В обоих случаях нужно за­ тратить энергию, равную потенциальной энергии электрона или пре­ восходящую ее. Если потенциальную энергию свободного электрона принять за нуль, то у электрона в молекуле газа или в металле она будет отрицательной, т. е., образно говоря, связанный электрон на­ ходится в «потенциальной яме». Затраченная энергия при его осво­ бождении расходуется на преодоление им электромагнитных сил вза­ имодействия с положительными ядрами молекулы или кристалличе­ ской решеткой металла.

При ионизации молекулы газа образуются две заряженные части­ цы — электрон и положительный ион. При вырывании электрона из металла в газе появляется только электрон. В табл. 1.1 приведены величины энергии (в электрон-вольтах) ионизации молекул некото­ рых газов, входящих в состав атмосферного воздуха. В этой же таб­ лице приведены величины энергий возбуждения первых энергетиче­ ских уровней этих молекул . Среднее время жизни возбужденных мо­ лекул составляет примерно ІО-10 сек. Переход возбужденной молеку­ лы в нормальное состояние сопровождается излучением фотона, об­ ладающего такой же энергией, какая была ранее затрачена на возбуж­ дение молекулы. Молекулы многих химических элементов обладают некоторым количеством так называемых метастабильных уровней воз­ буждения, длительность пребывания электронов на которых может достигать ІО-2 сек.

Втабл. 1.2 приведены значения работы выхода Ц7ВЫХэлектронов

споверхности некоторых металлов. Как видно, работа выхода элек­ тронов с поверхности металлов значительно меньше, чем энергия иони­ зации молекул газа.

6

Дальнейшая судьба образовавшихся в газе заряженных частиц (электронов и положительных ионов) зависит от многих факторов, в том числе случайных. В нормальных атмосферных условиях электро­ ны в тепловом движении претерпевают около 10й столкновений в се­ кунду с молекулами газа. В слабых электрических полях в электроот­ рицательных 1*газах или при наличии примесей таких газов электрон в среднем за 10 сек захватывается нейтральной молекулой. Обра­ зуется однозарядный отрицательный ион. Таким образом, в разряд­ ном промежутке могут появляться положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. При воздействии внешнего поля все они участвуют в переносе заряда.

В воздухе в результате воздействия излучения радиоактивных ве­ ществ земной коры и атмосферы, а также космического излучения по­ стоянно происходит ионизация молекул газа. Многочисленные изме­ рения позволяют указать средние величины концентраций положи­ тельных и отрицательных ионов у поверхности земли:

750 1/см3\ /г~л;650 1/см3.

§ 1.2. ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА ЧАСТИЦ ГАЗА

Если в процессе относительного движения происходит изменение какого-либо физического параметра частиц, то можно считать, что происходит столкновение частиц. Если частица прошла путь, рав-

9