Разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках

Г. И. Чумаков, И. Г. Насникова

 

 

ТЕХНИКА

ВЫСОКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ

 

 

Учебное пособие

 

Издательство

Иркутского национального исследовательского технического университета

2019

УДК 621.3.048.015

ББК (указать)

Ч-,,,

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ИРНИТУ

Рецензенты:

 

      Тематический редактор

Авторы

канд. техн. наук, доцент кафедры электрических станций ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» Г.И. Чумаков

ст. преподаватель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» И.Г. Насникова

 

 

Чумаков Г.И. Техника высоких напряжений: учеб. пособие / Г.И. Чумаков, И.Г Насникова – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2019. – 201 с.

 

 

Соответствует требованиям ФГОС ВО  по специальности 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника.

Кратко рассмотрены вопросы, связанные с разрядами в диэлектриках и особенностями  изоляции высоковольтных конструкций. Особое внимание уделено координации изоляции, внутренним и внешним перенапряжениям в электрических сетях и подстанциях и защите от них.

Предназначено для студентов института энергетики ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», изучающих дисциплину «Техника высоких напряжений» в рамках подготовки бакалавров.      ISBN (номер присваивается в РО)             © Чумаков Г.И., Насникова И.Г., 2019                                                                    © ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», 2019

 

 

Учебное издание

 

 

Чумаков Геннадий Иванович, Насникова Ирина Геннадьевна

Техника высоких напряжений

 

 

Учебное пособие

 

Редактор … (указывает редактор)

Предпечатная подготовка … (указывает дизайнер)

 

 

Оглавление

Введение. 7

1. Разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках. 9

1.1. Процессы ионизации в газе. 9

1.2. Виды ионизации. 10

1.3. Лавина электронов. 12

1.4. Условие самостоятельности разряда. 13

1.5. Стримерная теория разряда. 14

1.6. Закон Пашена. 15

1.7 Разряд в неоднородных полях. Эффект полярности. 18

1.8 Применение барьеров. 21

1.9. Время разряда и вольт-секундные характеристики (ВСХ) 21

воздушных промежутков. 21

1.10. Коронный разряд. 24

1.11. Корона на проводах постоянного и переменного тока. 25

1.12. Разряд в воздухе вдоль поверхности твердой изоляции. 27

1.13. Пробой жидких диэлектриков. 29

1.14. Пробой твердой изоляции. 34

1.15. Частичные разряды.. 36

2. Высоковольтная изоляция. 40

2.1. Общая характеристика высоковольтной изоляции. 40

2.2. Требования к материалам внутренней изоляции. 41

2.3. Газовая изоляция. 42

2.4. Вакуумная изоляция. 43

2.5. Маслобарьерная изоляция. 43

2.6. Бумажно - масляная изоляции. 44

2.7. Высоковольтные изоляторы.. 45

2.7.1. Линейные изоляторы.. 45

2.7.2. Станционно-аппаратные изоляторы.. 46

2.8. Изоляция высоковольтных конденсаторов. 49

2.9. Изоляция трансформаторов. 50

2.6. Изоляция кабелей. 51

2.10. Изоляция электрических машин. 52

3. Координация изоляции. 54

3.1. Напряжения, воздействующие на электрооборудование. 54

в процессе эксплуатации. 54

3.1.1. Рабочее напряжение. 54

3.1.2. Перенапряжения. 56

3.2. Уровни изоляции электрооборудования. 60

3.3. Общие принципы координации изоляции. 62

3.3.1. Координация изоляции воздушных линий электропередачи. 62

3.3.2. Координация изоляции подстанционного оборудования. 64

4. Внутренние перенапряжения в электрических сетях. 67

110-1150 кВ.. 67

4.1. Основные понятия. 67

4.2. Резонансные перенапряжения. 68

4.2.1. Исходные положения. 68

4.2.2. Вынужденное напряжение переходного процесса. 70

перенапряжений частоты 50Гц. 70

4.2.3. Защита от перенапряжений в паузе успешного ОАПВ на. 71

электропередачах 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ. 71

4.2.4. Перенапряжения при явлениях переходного феррорезонанса. 72

4.2.5. Защита от феррорезонансных перенапряжений на частоте 50 Гц, возникающих в электропередачах 220-500 кВ после включения холостых шин с электромагнитными трансформаторами напряжения. 74

4.2.7. Защита продольно - и поперечнокомпенсированных. 76

электропередач от коммутационных и резонансных. 76

перенапряжений. 76

4.3. Коммутационные перенапряжения. 80

4.3.2. Перенапряжения при включении линии электропередачи и АПВ. 81

4.3.3. Перенапряжения при отключении ненагруженных. 86

линий. 86

4.3.4. Перенапряжения при отключениях реакторов, 91

трансформаторов и электрических машин. 91

4.3.5 Средства защиты от коммутационных перенапряжений. 96

5. Защита от внутренних перенапряжений сетей 6-35 кВ.. 102

5.1. Компенсация емкостного тока на землю.. 103

5.2. Система зашиты от перенапряжений в сети собственных нужд с резистивным заземлением нейтрали. 104

5.3. Защита от повреждений трансформаторов напряжения. 105

6-35 кВ контроля изоляции. 105

5.4. Защита от перенапряжений установок с вакуумными. 106

выключателями. 106

5.5. Защита неиспользуемых обмоток трансформаторов. 108

6. Грозовые перенапряжения. 109

6.1. Основные характеристики разряда молнии. 109

6.1.1. Краткие сведения о механизме разряда молнии. 109

6.1.2. Количественные характеристики разряда молнии. 111

6.1.3. Интенсивность грозовой деятельности. 115

6.1.4. Число ударов молнии в наземные объекты.. 116

6.2. Волновые процессы в электрических цепях. 118

6.2.1. Отражение и преломление электромагнитных волн. 118

6.2.2. Эквивалентные схемы при волновых процессах. 121

6.2.3. Набегание электромагнитной волны на шины подстанции. 123

6.2.4. Прохождение электромагнитной волны через 123

индуктивность. 123

6.2.5. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости. 125

6.3. Грозозащита линий электропередачи. 127

6.3.1. Задачи и критерии грозозащиты линий. 127

6.3.2.Показатели грозоупорности воздушных линий. 129

6.3.3. Грозоупорность линий без тросов. 130

6.3.4. Грозоупорность ВЛ защищенных тросом. 133

6.3.5.Средства грозозащиты воздушных линий. 139

6.3.6. Допустимое число грозовых отключений ВЛ и выбор средств грозозащиты по критерию коммутационного ресурса линейных выключателей. 143

6.4. Защита станций и подстанций 6-1150 кB от грозовых. 144

перенапряжений. 144

6.4.2.Защита станций и подстанций от прямых ударов молнии. 145

6.4.3.Защита станций и подстанций от набегающих грозовых волн. 149

6.4.4. Особенности грозозащиты подстанций различного номинального напряжения 157

6.4.5. Защита вращающихся электрических машин от грозовых перенапряжений 161

6.5. Защитные аппараты и устройства. 165

6.5.1.Защитные промежутки. 167

6.5.2.Трубчатые разрядники. 168

6.5.3. Вентильные разрядники. 169

6.5.4. Нелинейные ограничители перенапряжений. 174

6.5.5. Разрядники длинно искровые (РДИ) 177

6.5.6. Изолятор-разрядник мультикамерной системы.. 181

Заключение. 185

Библиографический список. 186

Приложение А.. 187

Приложение Б. 191

Приложение Г. 193

Приложение Д.. 195

Приложение Е. 196

Приложение Ж.. 200

Приложение З. 201

 

Введение

 

«Техника высоких напряжений» (ТВН) - наука о характеристиках веществ и процессов в них при экстремальных электромагнитных воздействиях – высоких напряжениях и сильных токах, а так же о технологическом использовании этих процессов.

Высокие напряжения широко используются в электротехнологиях: окраска, электрофильтры, очистка воды, электрогидравлические и электроимпульсные технологии (бурение, дробление, резание горных пород и др.) в электрофизических установках – управляемый термоядерный синтез, ускорители, лазеры и др.

Однако возникновение ТВН в начале прошлого столетия связано с другим фактором – необходимостью передачи больших электрических мощностей на дальние расстояния. В 1880 году профессор Петербургского лесного института Д.А. Лачинов разработал и изложил теорию передачи электроэнергии на большие расстояния — повышение напряжения и уменьшение тока по мере увеличения дальности и передаваемой мощности.

 Хронология развития ЛЭП трехфазного переменного тока в Европе и США хорошо известна. Стартовый рубеж (10-15 кВ) преодален в 1898 – 1902 гг.

В СССР первая линия электропередачи Кашира - Москва напряжением 110 кВ была введена в эксплуатацию 4 июня 1922 года.

Другие напряжения освоены: с 1932 (150 кВ) до 1988г (1150 кВ).

В настоящее время общая протяженность электрических сетей в России с номинальным напряжением 35–1150 кВ превосходит 800000 км.

Повышение уровня напряжений требовало изучения физических явлений, механизмов воздействия электромагнитных полей высокого напряжения на изоляцию в различных условиях эксплуатации.

Соответственно запросам энергетики развивалась и техника высоких напряжений. Потребовалось создание промышленных высоковольтных установок переменного, постоянного и импульсного напряжений, а также установок для проведения исследований и испытаний изоляции при воздействии различных видов высокого напряжения.

Чрезвычайно большое значение при этом приобретают вопросы создания и эксплуатации комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи, преобразования и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов и коммутационных аппаратов.

В процессе эксплуатации электрооборудование подвергается электрическим, тепловым, механическим, химическим воздействиям, приводящим к изменению физического состояния элементов электроустановок и, прежде всего, изоляции токоведущих элементов отдельных фаз между собой и относительно элементов, находящихся под «нулевым» потенциалом («земля»).

Поскольку основной причиной выхода из строя высоковольтного оборудования являются отказы изоляции, то наибольшие усилия направляются на сохранение ее в целостности. И здесь особую роль играет знание закономерностей зарождения и развития разрядов в диэлектриках (в изоляции). В высоковольтном оборудовании используются газообразные, жидкие, твердые изоляционные материалы и их комбинации. И один из основных разделов техники высоких напряжений посвящен свойствам и характеристикам изоляционных конструкций электрооборудования высокого напряжения и условиям их надежной эксплуатации при воздействии рабочего напряжения, грозовых и внутренних перенапряжений.

При этом в качестве основной характеристики ресурса конструкции имеющей изоляцию (далее электроизоляционной конструкции – ЭИК) рассматривается уровень изоляции электрооборудования (УИЭ).

В процессе эксплуатации УИЭ в результате воздействия перечисленных выше факторов снижается («старение изоляции»).

Жесткие требования, предъявляемые к надежности электроизоляционных конструкций (долговечность, безотказность) ставят задачу контроля (испытаний) УИЭ в процессе эксплуатации электрооборудования.

Разработка методики, технологии такого контроля, выбор эквивалентов реальных воздействий (рабочих напряжений, внутренних и внешних перенапряжений) – еще одна задача дисциплины ТВН.

    Реализация методик контроля предъявляет требования к источникам эквивалентных воздействий (испытательное оборудование) и необходимым средствам измерений.

    Изложенное позволяет сформулировать основную цель, реализуемую дисциплиной ТВН – координация изоляции, под которой понимается взаимное согласование значений действующих напряжений (перенапряжений) с уровнем изоляции электроустановок.

Предлагаемое учебное пособие представляет сжатое изложение материала основных разделов курса ТВН.

Здесь содержатся основные сведения о процессах в диэлектриках, рассмотрены конструктивные особенности изоляции высоковольтных конструкций, внутренние и внешние перенапряжения в электрических сетях и подстанциях, методы их ограничения и защиты от них. Особое внимание уделяется координации изоляции.

Материал курса разбит на шесть разделов: разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках, высоковольтная изоляция, координация изоляции, общая характеристика внутренних перенапряжений в электрических сетях 110-1150 кВ, защита от внутренних перенапряжений сетей 6-35 кВ, грозовые перенапряжения.

 

Разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках