Техника высоких напряжений
Техника высоких напряжений является одной из базовых дисциплин ряда электротехнических, электроэнергетических и электрофизических специальностей.
Она находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Применительно к электроэнергетическим системам высокого напряжения эта дисциплина рассматривает электрическую изоляцию и процессы, происходящие в изоляции при воздействии номинальных (рабочих) напряжений и перенапряжений.
К установкам высокого напряжения, исходя из особенностей процессов в электрической изоляции, относят установки на номинальное напряжение свыше 1000 В.
Курс техники высоких напряжений обычно разделен на две части. В первой части изучаются проблемы, относящиеся к конструированию, технологии, испытаниям и эксплуатации изоляции электрических установок. Во второй части изучаются возникновение перенапряжений в электрических сетях и методы их ограничения.
Обе части техники высоких напряжений тесно увязаны между собой и полное решение проблем той или другой части должно проводиться во взаимной связи.
В комплекс вопросов рассматриваемых техникой высоких напряжений входят:
-
электрическое поле при высоких напряжениях;
-
электрический разряд и прибой в диэлектриках;
-
электрическая изоляция и изоляционные конструкции;
-
перенапряжения и методы защиты от перенапряжений;
-
вопросы, связанные с оборудованием высоковольтных лабораторий, высоковольтными измерениями, методами профилактических испытаний изоляции и изоляционных конструкции, токами в земле и устройствами заземлений.
Каждый из этих вопросов имеет свои особенности и самостоятельное значение. Однако все они направлены на решение основной задачи техники высоких напряжений — создание и обеспечение надежно работающей электрической изоляции установок высокого напряжения (создание изоляционных конструкций, обладающих рациональными в технико-экономическом отношении уровнями изоляции).
Так, например, разряды в газах имеют большое самостоятельное значение, но в технике высоких напряжений они рассматриваются с точки зрения изоляционных свойств, так как газы, особенно воздух, имеются во всех изоляционных конструкциях.
Эта научная дисциплина возникла одновременно с появлением первых установок высокого напряжения, когда электрическая изоляция стала определять надежность их работы.
По мере роста номинальных напряжений установок возрастали требования к изоляции. Эти требования в значительной степени определяются теми переходными процессами, которые возникают в различных частях электрических установок при переключениях в электрической цепи, замыканиях на землю и др. (внутренние перенапряжения) и при грозовых разрядах (атмосферные перенапряжения).
В связи с решением задач техники высоких напряжений потребовались специальные высоковольтные лаборатории, позволяющие получать высокие напряжения различных видов и форм, а также измерительные приборы высокого напряжения.
Поэтому техника высоких напряжений рассматривает основное оборудование современных испытательных лабораторий высокого напряжения и измерения на высоком напряжении.
Кроме того, рассматривается протекание токов в земле (промышленной частоты и импульсных) с точки зрения устройства рабочих и защитных заземлений, необходимых для обеспечения режимов работы установок высокого напряжения и безопасности их обслуживания.
«Техника высоких напряжений» — это единственная дисциплина учебных планов, в которой комплексно рассматривается работа изоляционных конструкций в электрических системах, поэтому она является одной из базовых дисциплин для всех электроэнергетических и электротехнических специальностей.
Виды изоляции электроустановок высокого напряжения
Современные электроэнергетические системы, состоящие из ряда электростанций (АЭС, ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ), подстанций, воздушных и кабельных линий электропередач, содержат три основных вида изоляции высокого напряжения: станционную, подстанционную и линейную изоляции.
К станционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для внутренней установки, т. е. изоляцию вращающихся машин (генераторов, двигателей и компенсаторов), электрических аппаратов (выключателей, разрядников, реакторов и др.). силовых трансформаторов и автотрансформаторов, а также электроизоляционные конструкции внутренней установки (проходные и опорные изоляторы и др.).
К подстанционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для наружной установки (на открытой части подстанции), т. е. изоляцию силовых трансформаторов и автотрансформаторов, электрических аппаратов наружной установки, а также электроизоляционные конструкции наружной установки.
К линейной изоляции относят изоляцию воздушных линий и изоляцию кабельных линий.
Электрическую изоляцию установок высокого напряжения делят на внешнюю и внутреннюю. К внешней изоляции относят электроизоляционные устройства и конструкции, находящиеся в воздухе, а к внутренней изоляции — устройства и конструкции, находящиеся в жидкой или полужидкой среде.
Изоляция высокого напряжения определяет надежность работы электроэнергетических систем, и поэтому к ней предъявляются требования электрической прочности при воздействии высоких напряжений и перенапряжений, механической прочности, устойчивости к воздействиям окружающей среды и т. п.
Изоляция должна длительно выдерживать рабочее напряжение, а также воздействия различных видов перенапряжений.
Внешняя изоляция, предназначенная для установки на открытом воздухе, должна надежно работать при дожде, снеге, гололеде, различных загрязнениях и др. Внутренняя изоляция по сравнению с изоляцией на открытом воздухе, как правило, имеет лучшие условия работы. В горных районах внешняя изоляция должна надежно работать при пониженных давлениях воздуха.
Многие виды электроизоляционных конструкций должны обладать повышенной механической прочностью. Так, например, опорные и проходные изоляторы, вводы и пр. должны неоднократно выдерживать воздействие больших электродинамических сил при коротких замыканиях, линейные изоляторы (гирлянды) и высокие опорные электроизоляционные конструкции — ветровую нагрузку, так как ветер может создавать большие давления.
Ограничение опасных для изоляции перенапряжений при различных режимах работы осуществляется с помощью специальных защитных устройств.
Основными защитными устройствами являются разрядники, ограничители перенапряжения, защитные емкости, дугогасящие и реактивные катушки, молниеотводы (тросовые и стержневые), быстродействующие выключатели с устройствами автоматического повторного включения (АПВ).
Разумные эксплуатационные мероприятия помогают обеспечить надежную работу изоляции при применении разрядников и других защитных устройств. К ним можно отнести координацию изоляции, организацию периодических профилактических испытаний изоляции (с целью выявления и удаления ослабленной изоляции), заземление нейтралей трансформаторов и др.
Координация изоляции
Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании изоляции в технике высоких напряжений, является определение так называемого «уровня изоляции», т. е. напряжения, которое она может выдержать, не повреждаясь.
Изоляцию электроустановок нужно выполнять с таким запасом электрической прочности, при которой не будет перекрытия (пробоя) при любых возможных перенапряжениях. Однако такая изоляция оказывается чрезмерно громоздкой и дорогой.
В силу этого при выборе изоляции целесообразно идти не по линии создания запаса электрической прочности ее, а по линии применения таких защитных мероприятий, которые, с одной стороны, предотвращают появление опасных для изоляции волн перенапряжений, а с другой стороны, защищают изоляцию от появившихся волн перенапряжений.
Поэтому изоляцию выбирают определенного уровня, т. е. определенной величины по испытательным разрядным и пробивным напряжениям с учетом защитных мероприятий.
Уровень изоляции и защитные мероприятия должны быть выбраны таким образом, чтобы изоляция не разрушалась от воздействий различных форм перенапряжений, возникающих в данной установке, и при этом имела бы минимальные габариты и стоимость.
Согласование принятого уровня изоляции и защитных мероприятий с воздействующими на изоляцию перенапряжениями называется координацией изоляции.
Уровни изоляции установок напряжением 220 кВ включительно определяются в основном величинами атмосферных перенапряжений, т. е. они лежат значительно выше величин внутренних перенапряжений, и координация изоляции в них основывается на импульсных характеристиках.
Уровни изоляции установок 330 кВ и выше определяются в основном внутренними перенапряжениями, и координация изоляции в них основывается па учете возможных величин этих перенапряжений.
Координация изоляции в большой степени зависит от режима работы нейтрали установки. Установки с изолированной нейтралью требуют более высокого уровня изоляции, чем установки с глухозаземленной нейтралью.