Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



Электричество - величайшее открытие человечества. Мы ежедневно пользуемся электричеством и различными электрическими устройствами, но многие из нас практически ничего не знают о людях, которые посвятили свои жизни его изучению и событиях, приведших к открытиям и изобретениям в этой интересной области деятельности. Расширьте свой кругозор и познайте мир электричества вокруг себя. История развития электричества - интересные факты и события.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / История электричества / Эволюция высоковольтных конденсаторов в электроэнергетике


 Школа для электрика в Telegram

Эволюция высоковольтных конденсаторов в электроэнергетике



Высоковольтные конденсаторы в электроэнергетике - это устройства, которые используются для накопления и выдачи электрического заряда при высоком напряжении. Они имеют различные виды, назначение и применение в электрических сетях и установках. Высоковольтные конденсаторы имеют разную конструкцию, материалы и параметры, в зависимости от их функций и условий эксплуатации.

Предыдущие части статьи:

Эволюция конденсаторов и областей их применения в первой половине XX века

Эволюция конденсаторов и развитие конденсаторостроения во второй половине XX века

Параллельно с развитием электроники, уже в 20-е годы XX века распространившейся на такие области техники, как все виды связи, автоматика, управление и др., развивалась электроэнергетика.

Высоковольтные конденсаторы

Использование конденсаторов в электроэнергетике переменного тока в начале XX века

Самыми главными событиями и поворотным пунктом в электроэнергетике и электротехнике были изобретения: трансформатора, а затем трехфазного асинхронного двигателя и синхронного генератора переменного тока.

Это предопределило судьбу большой электроэнергетики. Уже в конце XIX века она начала превращаться из электротехники и энергетики постоянного тока в энергетику и электротехнику переменного тока.

Преимущества переменного тока — простота генерирования и преобразования величины напряжения, экономичность передачи на высоком напряжении, простота распределения электроэнергии и ее использования с помощью надежных и дешевых асинхронных двигателей — обусловили быстрый рост сторонников этой системы, хотя не обошлось и без курьезных выступлений против нее весьма авторитетных электротехников, в частности Томаса Эдисона.

Руководствуясь интересами фирмы, эксплуатировавшей системы постоянного тока, а возможно, находясь в плену собственных неправильных представлений о переменном электрическом токе, Эдисон утверждал, что использовать подземные кабели для передачи этого тока в городе все равно, что сидеть на пороховой бочке. Но победили сторонники переменного тока, вернее сказать, победили правильные представления.

Опора ЛЭП на почтовй марке Испании

Опора ЛЭП на почтовй марке Испании

По мере развития электротехники и электроэнергетики увеличивалась мощность электростанций, обусловленная возрастающими потребностями промышленности в электроэнергии, особенно машиностроительной и металлургической (в частности производства алюминия). Росла протяженность линий электропередач (ЛЭП) и повышалось их напряжение с целью сокращения потерь энергии.

Широкое использование конденсаторов в электроэнергетике переменного тока началось в 20-х годах, когда их стали применять для повышения коэффициента мощности.

Устанавливались батареи конденсаторов как на предприятиях, так и у отдельных потребителей. Это необходимо было для обеспечения нужного уровня напряжения, которое падало в интервалах больших нагрузок. Началось серийное производство силовых конденсаторов.

Увеличение длины ЛЭП и связанные с этим потери напряжения и энергии, снижение запаса устойчивости работы системы обусловили одно из важнейших применений конденсаторов для компенсации реактивного сопротивления ЛЭП и реактивной мощности промышленных предприятий.

Характерно было то, что использовались не единичные конденсаторы, а батареи из тысяч и десятков тысяч их, т. е. осуществлялось централизованное генерирование реактивной мощности.

Эти конденсаторы должны были обладать устойчивостью к значительным перенапряжениям — частому явлению в сетях, высокой надежностью. Большие потребности в мощных батареях стимулировали развитие этой группы конденсаторов, укрупнение единичной их мощности, необходимое для уменьшения их числа в батарее.

Гидроэлектростанция и ЛЭП на почтовй марке Румынии

Гидроэлектростанция и ЛЭП на почтовй марке Румынии 

Конструкции конденсаторов для электроэнергетике

Основной конструкцией силового конденсатора промышленной и повышенной частот, применяемых в электроэнергетических системах и электротехнических установках, до самого последнего времени была и остается многосекционная конструкция с бумажным диэлектриком и фольговыми обкладками.

Секции — отдельные конденсаторные элементы — соединяются в них последовательно (для работы при высоких напряжениях), параллельно (для получения большой емкости) или последовательно-параллельно.

Секции наматываются в виде рулонов из нескольких слоев диэлектрика и пары фольговых обкладок.

Рулоны затем прессуются для придания им плоской формы и помещаются в защитный (обычно металлический) корпус, от которого они отделяются несколькими слоями изолирующего материала (бумаги, картона, пленки и т. д.).

Для улучшения теплоотвода и увеличения рабочей напряженности поля секции в корпусе пропитываются различными изолирующими жидкостями.

Для напряжения ниже 400 В были разработаны силовые малогабаритные непропитанные пленочные конденсаторы.

После прогрева и вакуумной обработки конденсаторов пропитывающая жидкость хорошо заполняет зазоры между диэлектриком и обкладками пустоты и поры в диэлектрике. Этим достигается повышение напряжения развития частичных разрядов и соответственно более высокое рабочее напряжение.

Почтовая марка "Электрофикация" Греции

Почтовая марка "Электрофикация" Греции

Длительное время для пропитки использовались различные масла, а с 30-х годов — и хлорированные дифенилы. Последние обладают более высокой диэлектрической проницаемостью, чем масло и бумага, благодаря чему достигается значительное повышение удельной мощности конденсаторов.

Хлордифенилы также придают им свойство практически невосгораемых, однако, к сожалению, они токсичны. Такие конденсаторы оказались достаточно дешевыми, технологичными и имели удовлетворительные энергетические и другие характеристики, благодаря чему и получили широкое распространение.

Однако развитие технологии производства синтетических пленок, превосходящих по электрическим характеристикам бумажный диэлектрик и обладающих более высокой однородностью, однозначно предопределило замену бумажного диэлектрика бумажно-пленочным для применения на частотах до нескольких сот герц.

Бумажный диэлектрик длительное время являлся более дешевым материалом, но с 70-х годов произошла замена его на комбинированный, в основном бумажно-полипропиленовый диэлектрик.

Бумажно-пленочные силовые конденсаторы имеют меньшие потери энергии, большую долговечность и удельную мощность.

Особенно эффективно использование бумажно-пленочных диэлектриков для электротермических конденсаторов, работающих на повышенных частотах, где в ряде случаев удается отказаться от водяного охлаждения.

Улучшение характеристик силовых конденсаторов возможно также при диэлектрике только из синтетических пленок.

Австрийская почтовая марка, посвященная электроэнергетике 1947 года

Австрийская почтовая марка, посвященная электроэнергетике 1947 года

Использование высоковольтных конденсаторов

Введение в практику электроэнергетики высокочастотных систем связи по проводам высоковольтных ЛЭП, применяемых, в частности, для построения специальных видов защит, привело к созданию высоковольтных конденсаторов связи.

Они имеют небольшую емкость (тысячи — десятки тысяч пикофарад) и служат совместно с заградительными реакторами (катушками индуктивности) для отделения низковольтного сигнала высокой частоты от высокого напряжения промышленной частоты.

Близкими по конструкции и величинам емкости к конденсаторам связи являются конденсаторы для емкостных делителей напряжения, служащих, в частности, для измерений в высоковольтных цепях.

Другой специфической группой являются фильтровые конденсаторы, улучшающие формы напряжения или уменьшающие его пульсации в системах энергоснабжения электрического транспорта.

В технике высоких напряжений силовые конденсаторы применяются также в генераторах импульсов тока и напряжения, используемых для испытания различного оборудования, исследовательских целей и т. д. Они служат также для бестрансформаторного отбора мощности.

Для них характерен довольно большой срок службы — до нескольких десятков лет, особенно для последовательных конденсаторов батарей централизованной компенсации реактивной мощности.

Почтовая марка Албании 

Почтовая марка Албании 

К силовым конденсаторам предъявляются менее жесткие, учитывающие внешние воздействия (климатические, механические и т. д.), требования, чем к конденсаторам электронной техники. И конструкции их не так разнообразны. Особенность силовых конденсаторов средних частот (от 100 до 20000 Гц) — это применение водяного охлаждения, обязательного в случае бумажного диэлектрика, так как на повышенных частотах тепловыделение становится очень значительным.

Хотя пути развития (соответственно и требования, конструкции и т. п.) "электротехнических" конденсаторов и конденсаторов для электронной техники в начале XX века "разошлись", для них имеются близкие по условиям работы области применения, а также использование конструкций, характерных для одной группы в конденсаторах другой группы.

Например, разработка и применение конденсаторов с металлизированными обкладками, ранее применявшихся в слаботочных цепях, для компенсации реактивной мощности потребителей, пусковых и рабочих конденсаторов электродвигателей однофазного тока и т. д.

Электростанция на почтовой марке Румынии 1963 года

Электростанция на почтовой марке Румынии 1963 года 

Конденсаторы в силовой полупроводниковой технике

Ярким примером взаимной обусловленности и связи развития и совершенствования конденсаторов с появлением и развитием других элементов электрических устройств является силовая полупроводниковая техника.

К этой отрасли электротехники относятся преобразовательные устройства для бесконтактного преобразования одного рода тока в другой, регулирования напряжения, мощности и тока.

Разработка и промышленное освоение выпуска кремниевых полупроводниковых вентилей (неуправляемых — диодов и управляемых — тиристоров) в 50-х годах XX века обусловили разработку и широкое применение различных преобразовательных устройств: выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, регуляторов мощности и напряжения постоянного и переменного тока, различной коммутационной аппаратуры и т. д.

Высокое быстродействие и импульсный режим работы полупроводниковых вентилей в этих устройствах вызвали необходимость создания специальной группы конденсаторов, способных выдерживать большие импульсные токи и напряжения, следующие с повышенной частотой.

Эта группа получила название "конденсаторы для энергетической электроники", которым подчеркивается их силовое назначение в режимах, характерных для электроники.

Наряду с положительными качествами силовые полупроводниковые устройства имеют недостатки: генерируют широкий спектр высших гармоник токов и напряжений, распространяющихся по сети и оказывающих вредное действие на другое оборудование.

Эти устройства являются источником радиопомех. В связи с этим из-за роста числа и мощности преобразовательных установок все острее становится проблема фильтрации и подавления этих гармоник.

Опоры ЛЭП на почтовой марке Швеции 1959 года

Опоры ЛЭП на почтовой марке Швеции 1959 года 

В фильтрах, которые служат данным целям, основным элементом также служат конденсаторы. Используется их свойство уменьшать с частотой свое сопротивление.

Главные требования, предъявляемые к фильтровым конденсаторам, — это способность работать при резко несинусоидальных токах и напряжениях и стабильность величины ёмкости.

Подавление радиопомех, возникающих в преобразователях и другом оборудовании, обеспечивается с помощью высокочастотных фильтров, в состав которых входят специальные (проходные, защитные и др.) конденсаторы, которые должны обеспечить низкое сопротивление высокочастотным составляющим токов.

Силовые полупроводниковые приборы, имеющие уникальные характеристики по мощности, которой они управляют, при достаточно малых размерах и других достоинствах оказались уязвимыми в отношении воздействий перенапряжений. Даже кратковременное их воздействие недопустимой величины приводит к катастрофическому выходу этих приборов из строя.

Для подавления пиков перенапряжений в полупроводниковых устройствах широко применяются конденсаторы, поглощающие энергию, накопленную в индуктивных элементах, которая затем рассеивается в резисторах. Это так называемые демпфирующие конденсаторы, обладающие высокой устойчивостью к импульсным токам и надежностью.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика