ВЫСО́КИХ НАПРЯЖЕ́НИЙ ТЕ́ХНИКА

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).

Средняя пробивная напряжённость Е промежутка «провод – плоскость» в воздухе при температуре 20 °C и давлении 0,101 МПа (S – расстояние между электродами).

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.