ВЫСО́КИХ НАПРЯЖЕ́НИЙ ТЕ́ХНИКА
-
Рубрика: Технологии и техника
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВЫСО́КИХ НАПРЯЖЕ́НИЙ ТЕ́ХНИКА, раздел электротехники, охватывающий изучение и применение электрич. явлений, происходящих в разл. средах при больших значениях электрич. напряжения (1 кВ и более); совокупность электротехнич. устройств (приборов, машин, систем), работающих при высоких напряжениях. Для объяснения электрофизич. процессов, протекающих в средах, важным параметром наряду с напряжением является напряжённость электрич. поля; диапазон практически используемых значений напряжённости электрич. поля соответственно составляет от 0,1 кВ/см и выше.
Возникновение В. н. т. в 1-й пол. 20 в. связано гл. обр. с проблемами передачи электрич. энергии от мощных электрич. станций в пром. районы, нередко значительно удалённые от источников энергии. Передача больших электрич. мощностей на дальние расстояния при напряжении 110–220 В практически невозможна из-за потерь в проводах, поэтому с развитием энергетики растут и рабочие (номинальные) напряжения электрич. сетей. В России первая лаборатория высокого напряжения была создана в 1911 М. А. Шателеном при Петерб. политехнич. ин-те. Бурное развитие В. н. т. в СССР в 1920-х и 1950-х гг. связано с осуществлением плана ГОЭЛРО и созданием Единой высоковольтной сети Европ. части страны (А. А. Горев, А. Ф. Иоффе, Л. И. Сиротинский, А. А. Смуров, Б. И. Угримов, В. М. Хрущов, А. А. Чернышёв и др.).
Основной проблемой В. н. т. является создание высоковольтной изоляции (см. Изоляция электрическая), имеющей миним. конструктивные размеры и малую стоимость, но необходимый ресурс (срок годности) и высокие показатели надёжности. Для этого каждая изоляционная конструкция должна обладать определёнными, достаточно высокими электрич. прочностями (длительной и кратковременной). Кратковременная электрич. прочность характеризует способность изоляции выдерживать кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в электроэнергетич. системах при разл. переходных процессах (напр., при включении или отключении отд. элементов системы, при коротких замыканиях и т. д.) либо при ударах молнии в линии электропередачи или другие токоведущие части. Перенапряжения первого вида называются внутренними, они обычно продолжаются сотые доли секунды. Перенапряжения второго вида называются грозовыми, их длительность не превышает сотен микросекунд.
Наиболее распространённым диэлектриком в электроэнергетич. системах для проводов ЛЭП и др. элементов внешней изоляции (напр., опорных, проходных и подвесных изоляторов) служит атмосферный воздух. Ср. пробивная напряжённость возд. промежутков (отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами) резко падает с увеличением расстояния между электродами (рис.). Это обстоятельство может положить предел увеличению рабочих напряжений возд. ЛЭП. До недавнего времени считалось, что естеств. пределом для таких высоковольтных линий является напряжение 2000 кВ. Однако последние исследования показали, что за счёт глубокого ограничения внутр. перенапряжений становится реальным уровень номинальных напряжений 3000 кВ и выше, при котором передаваемая мощность может достигать 50 ГВт. Таким образом, на ближайшую перспективу возд. линии ультравысокого напряжения остаются предпочтительными для передачи энергии на расстояния в тысячи километров и более.
Изоляция возд. ЛЭП состоит из возд. промежутков между проводами, проводами и землёй, элементами опор, а также из изоляторов, с помощью которых провода подвешиваются на опорах. Величина разрядного напряжения возд. промежутков зависит от их длины, формы электродов, метеоусловий, скорости нарастания и длительности воздействия электрич. напряжения. Количество и тип изоляторов выбираются по наибольшему рабочему напряжению в условиях, когда поверхность изоляторов загрязнена и увлажнена (наиболее сложные для работы внешней изоляции условия).
Внутреннюю изоляцию обмоток электрич. машин и аппаратов (напр., между токоведущими и заземлёнными частями) обычно изготовляют с применением комбинации разл. изоляционных материалов. Наиболее распространено сочетание минер. масла и изделий из целлюлозы (бумаги, электрокартона и др.). При конструировании изоляторов принимают меры для выравнивания электрич. поля, напр. путём закругления краёв электродов, использования изоляционных материалов с разл. диэлектрич. проницаемостью, принудит. распределения напряжения по объёму изоляции. Кратковременная электрич. прочность внутр. изоляции, определяемая средней пробивной напряжённостью, уменьшается при увеличении расстояния между электродами, поэтому обычно выгодно разбивать изоляцию на ряд относительно тонких слоёв. Длительная электрич. прочность изоляции определяет срок её службы при нормальных эксплуатационных условиях. Осн. факторами, приводящими к постепенному ухудшению первоначальных свойств изоляции, являются механич. воздействия, повышение темп-ры, увлажнение и загрязнение, воздействие перенапряжений. Особую роль в ухудшении свойств изоляции играют частичные разряды в образующихся в толще изоляции газовых включениях, которые могут оказаться одной из осн. причин старения изоляции. В качестве внутр. изоляции всё большее применение находит сжатый газ, обладающий миним. диэлектрич. потерями и в значительно меньшей степени подверженный старению. Наиболее перспективным изоляционным газом является элегаз (гексафторид серы SF6), электрич. прочность которого при атмосферном давлении приблизительно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. При давлении в неск. десятых мегапаскаля кратковременная электрич. прочность элегаза не ниже, чем у таких традиц. диэлектриков, как фарфор и трансформаторное масло. Созданы комплектные распределительные устройства и высоковольтное коммутационное оборудование с заполнением элегазом при давлении 0,3–0,4 МПа.
Требования к внутр. изоляции определяются уровнем воздействующих на неё грозовых и внутр. перенапряжений. При использовании ограничителей перенапряжений (вентильных разрядников и др.) уровень перенапряжений по отношению к номинальному напряжению устанавливается равным 3,0 для электроустановок с номинальным напряжением 220 кВ и снижается до 1,8 для установок с напряжением 1150 кВ.
Одним из направлений В. н. т. является исследование коронного разряда на проводах возд. ЛЭП, который сопровождается потерями энергии и высокочастотным излучением, создающим помехи радиоприёму вблизи линии. Потери на корону и радиопомехи снижаются с уменьшением напряжённости электрич. поля у поверхности проводов, что достигается увеличением диаметра провода. С этой же целью на линиях сверхвысокого напряжения – от 330 до 1150 кВ – вместо одиночных применяют т. н. расщеплённые провода, состоящие соответственно из 2–8 отд. проводников, находящихся друг от друга на расстоянии не менее 40 см.
Другое направление В. н. т. связано с применением высоких напряжений (или сильных электрич. полей) для разл. технологич. целей (напр., плазмохимич. технология на основе наносекундного коронного разряда, магнитно-импульсная и электронно-ионная технологии). Так, зарядка материальных частиц (контактным способом или в поле коронного разряда) и управление движением заряженных частиц с помощью сильного электрич. поля используются в электрофильтрах для очистки дымовых газов от золы, в устройствах для нанесения полимерных покрытий и электрокраски, в электростатич. сепараторах для обогащения полезных ископаемых и в устройствах электростатич. печати.
Важный раздел В. н. т. – разработка установок высокого напряжения, предназначенных для испытания изоляции и др. целей. В качестве источника переменного напряжения пром. частоты (50 Гц) служат испытательные трансформаторы, обеспечивающие напряжение порядка 750–1000 кВ; более высоких испытат. напряжений (до 3000 кВ и более) достигают при каскадном включении нескольких таких трансформаторов. Высокое постоянное напряжение (до 6000 кВ) обычно получают с помощью последовательно соединённых выпрямителей, выполненных на основе высоковольтных полупроводниковых диодов. Для имитации грозовых перенапряжений разработаны генераторы импульсных напряжений, генерирующие импульсы напряжения с амплитудой до 10 МВ. Ёмкостные накопители энергии, позволяющие получать токи до нескольких миллионов ампер, используются в разл. электрофизич. и технологич. установках (напр., для получения высокотемпературной плазмы, при магнитно-импульсной обработке металлов, в установках, работающих на электрогидравлич. эффекте, в контурах накачки лазеров), а также для испытания оборудования на молниестойкость.