Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

твн / литература / Лисина,ТВН

.pdf
Скачиваний:
113
Добавлен:
26.03.2018
Размер:
3.35 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГ БОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия»

Л.Ф.Лисина

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»

Ангарск 2014

1

УДК

Л.Ф. Лисина. Техника высоких напряжений: учебное пособие для бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».- Ангарск: АГТА, 2014. – 167с.

Учебное пособие предназначено для студентов, получающих степень бакалавра по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Техника высоких напряжений» Учебное пособие состоит из четырех глав, охватывающих основополагающие разделы курса «Техника высоких напряжений»:

электрические разряды в диэлектрических средах; внешняя изоляция, внутренняя изоляция, изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения; молниезащита и грозовые перенапряжения, внутренние перенапряжения, координация изоляции; методы испытания и диагностики изоляции.

Изложение материала базируется на основных положениях курсов общей физики, теоретических основ электротехники, электротехнических материалов. Изложение материала произведено с учетом последних достижений в рассматриваемых областях, а содержание соответствует утвержденным стандарту и программам подготовки бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Рецензенты: главный энергетик НПЗ ОАО «АНХК» А.В.Рогожин; к.т.н., доцент кафедры ПЭ и ВТ Ангарской государственной технической академии

А.Д. Пудалов

Рекомендовано учебно-методическим советом факультета технической кибернетики Ангарской государственной технической академии в качестве учебного пособия для бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Учебное пособие может быть использовано в системе повышения квалификации специалистов, работающих в области электроэнергетики и для инженерно-технического персонала, занятого в эксплуатации высоковольтного электрооборудования.

Ангарская государственная техническая академия

Кафедра ЭПП

2

О Г Л А В Л Е Н И Е

 

ВВЕДЕНИЕ

5

Глава 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

6

 

СРЕДАХ

 

1.1

Электрические разряды в газах

6

1.1.1

Виды электрических полей

6

1.1.2

Виды ионизации

7

1.1.3

Лавина электронов

12

1.1.4

Стримерная форма разряда

14

1.1.5

Искровой разряд

15

1.1.6

Закон Пашена

17

1.1.7

Разряд в неоднородных полях

19

1.1.8

Лидерный разряд в длинных промежутках

21

1.1.9

Молния

22

1.1.10

Дуговой разряд

25

1.1.11

Коронный разряд

26

1.1.12

Поверхностный разряд

33

1.1.13

Понятие пробоя

38

1.1.14

Влияние времени приложения напряжения на электрическую

39

 

прочность газовой изоляции

 

1.2

Пробой конденсированных сред

43

1.2.1

Пробой жидких диэлектриков

43

1.2.1.1

Влияние условий эксплуатации на электрическую прочность

44

 

жидкостей

 

1.2.1.2

Механизм пробоя жидких диэлектриков

50

1.2.2

Пробой твердых диэлектриков

51

1.2.2.1

Влияние условий эксплуатации на электрическую прочность

51

 

твердых диэлектриков

 

1.2.2.2

Механизм электрического пробоя твердых диэлектриков

54

1.2.2.3

Тепловой пробой твердых диэлектриков

56

1.2.2.4

Длительная электрическая прочность твердых диэлектриков

60

 

Контрольные вопросы

65

Глава 2

ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ, ВНУТРЕННЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ,

66

 

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОГО

 

 

НАПРЯЖЕНИЯ

 

2.1

Классификация электрической изоляции

66

2.2

Условия работы и требования, предъявляемые к электрической

67

 

изоляции высоковольтного оборудования

 

2.3

Наружная изоляция электроустановок

71

2.3.1

Изоляция воздушных линий электропередачи

71

2.3.2

Опорные изоляторы

77

2.3.3

Проходные изоляторы

80

2.3.4

Высоковольтные вводы

82

2.4

Изоляция силовых конденсаторов

87

2.4.1

Расчет емкости конденсаторов

88

2.4.2

Характеристики основных материалов, применяемых в

89

 

высоковольтных конденсаторах

 

2.4.3

Основы электрического расчета косинусных конденсаторов

90

2.5

Изоляция трансформаторов высокого напряжения

93

2.5.1

Изоляция трансформаторов тока

93

 

3

 

2.5.2

Изоляция трансформаторов напряжения

95

2.5.3

Изоляция силовых трансформаторов

95

2.5.4

Изоляция испытательных трансформаторов

97

2.6

Изоляция силовых кабелей высокого напряжения

97

2.6.1

Кабели с вязкой пропиткой

98

2.6.2

Маслонаполненные кабели

100

2.6.3

Газонаполненные кабели

101

2.6.4

Кабели в стальных трубах под давлением масла или газа

101

2.6.5

Кабельные линии в трубах со сжатым газом

102

2.6.6

Кабели с резиновой или пластмассовой изоляцией

103

2.6.7

Изоляция вращающихся машин высокого напряжения

104

 

Контрольные вопросы

108

Глава 3

МОЛНИЕЗАЩИТА И ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ.

109

 

ВНУТРЕННИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ. КООРДИНАЦИЯ

 

 

ИЗОЛЯЦИИ

 

3.1

Молниезащита и грозовые перенапряжения

109

3.1.1

Молниеотводы и их защитное действие

109

3.1.2

Общие требования к устройству молниезащиты зданий и

111

 

сооружений

 

3.1.3

Категории устройства молниезащиты и тип зоны защиты

113

3.1.4

Расчет молниезащиты

118

3.1.4.1

Примеры расчѐтов

124

3.1.4.2

Индивидуальные задания

129

3.2

Внутренние перенапряжения

130

3.2.1

Защитные разрядники

131

3.2.1.1

Трубчатые разрядники

131

3.2.1.2

Вентильные разрядники

134

3.2.1.3

Ограничители перенапряжений

139

3.2.3

Защита сетей напряжением 220/380 В от внутренних и внешних

143

 

перенапряжений

 

3.2.3.1

Защита от импульсных перенапряжений (УЗИП) - внутренняя

144

 

молниезащита

 

3.3

Координация изоляции

147

 

Контрольные вопросы

149

Глава 4

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ

151

4.1

Общие сведения

151

4.2

Измерение сопротивления изоляции электрооборудования

153

4.3

Определение степени увлажнѐнности изоляции

153

4.4

Измерение диэлектрических потерь изоляции

154

4.5

Профилактические испытания высоким напряжением

154

4.6

Неразрушающие неэлектрические методы контроля

156

4.7

Методы контроля изоляции при рабочем напряжении

156

4.8

Методы непрерывного контроля изоляции

157

4.9

Методы испытания и диагностики кабельных линий с изоляцией из

157

 

шитого полиэтилена

 

4.10

Испытания силовых трансформаторов

159

4.11

Тенденции развития методов испытаний

162

4.12

Тепловизионный контроль электрооборудования

163

 

Контрольные вопросы

166

 

Литература

167

4

ВВЕДЕНИЕ

Техника высоких напряжений имеет очень широкий спектр применений во многих областях современной индустрии. Важное место она занимает в развитии электроэнергетики России ХХI века для передачи все возрастающих мощностей электрической энергии на большие расстояния и обеспечения стабильной работы электроэнергетических систем. Основное преимущество высокого напряжения при электропередаче состоит в увеличении передаваемой мощности, которая возрастает пропорционально квадрату номинального напряжения. В связи с этим большое значение приобретают вопросы создания нового и совершенствования существующего комплекса высоковольтного оборудования, предназначенного для генерирования, передачи и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, конденсаторов, изоляции линий электропередачи и подстанций.

Высокое напряжение используется в электрофизических установках для решения задач мощной импульсной энергетики: ускорителях пучков заряженных частиц, мощных лазерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Применяется в технологических процессах, таких как электросепарация, элекрофильтрация, электроокраска, магнитоимпульсная обработка, электрогидравлическая штамповка, плазмохимия, получение озона. Особая роль принадлежит такой быстроразвивающей области нанотехнологии, как синтез наноструктурных материалов с новыми свойствами. Синтез таких материалов проводится в специальных установках при воздействии концентрированных потоков энергии в виде потоков плазмы и пучков заряженных частиц, основным узлом которых является высоковольтный импульсный генератор.

В связи с этим изучение дисциплины «Техника высоких напряжений» приобретает все возрастающую важность.

5

Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

1.1. Электрические разряды в газах

Газовые разряды в зависимости от давления, конфигурации электродной системы, мощности источника питания подразделяются на коронный, тлеющий, искровой, дуговой и т. д. Разряды в газах зажигаются благодаря ионизационным взаимодействиям электронов и гамма-квантов с атомами и молекулами газа, приводящих к генерации и умножению электронов и ионов, их локализации и образованию плазмы.

1.1.1. Виды электрических полей

Многообразие видов электрических полей подразделяется на однородные,

слабонеоднородные, резконеоднородные. Типичными примерами однородного поля является поле между двумя плоско-параллельными электродами с закругленными краями. Слабонеоднородное поле образуется в сферической системе электродов при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S/D). Резконеоднородное поле имеет место в электродной системе, когда один или оба электрода имеют малый радиус кривизны – острие–плоскость или острие– острие. Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородности Кн, который равен отношению максимальной напряженности Емакс к средней напряженности Еср поля между электродами:

К

 

 

 

Е макс

.

(1.1)

н

 

 

 

 

 

 

 

Е ср

 

 

 

 

 

 

Средняя напряженность есть отношение напряжения, приложенного к

электродам U, к расстоянию между электродами S:

 

Е ср

 

U

.

(1.2)

 

 

 

 

 

 

S

 

Максимальная напряженность зависит от геометрии электродов и расстояния между ними.

Для однородного поля коэффициент неоднородности Кн=1, для слабонеоднородного Кн 3, для резконеоднородного Кн > 3.

Кроме этого, различают симметричную и несимметричную форму включения электродов.

6

Симметричная форма: электроды имеют одинаковую форму, размеры и ни один из них не имеет заземления (рис. 1, а).

Несимметричная форма:

электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (рис. 1.1, б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

Рис. 1.1. Формы электрических полей:

а– симметричная форма электродов; б – несимметричная форма электродов

1.1.2.Виды ионизации

Вотсутствие внешнего электрического поля атомы и молекулы газа находятся

всостоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала Z столкновений, то

средняя длина ее свободного пробега равна:

 

1 .

(1.3)

 

Z

 

Значение параметра зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, т. е. к появлению в газе электрического тока.

При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения свободных заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны атомов находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна, и такое состояние атома является устойчивым. Переход одного или нескольких электронов с орбит, близких к ядру, на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию,

7

необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение).

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет величину порядка ~1 0 1 0 с. Возвращение атома в устойчивое состояние происходит самопроизвольно и часто сопровождается излучением фотона.

Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуется две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, необходимая для осуществления акта ионизации, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.1.

 

 

Таблица 1.1

Минимальная энергия возбуждения и ионизации некоторых газов

 

 

 

 

Газ

Минимальная энергия, эВ

 

 

 

 

Возбуждение

Ионизация

 

 

 

 

 

 

 

N2

6,1

15,5

 

 

 

 

 

N

6,3

14,5

 

 

 

 

 

O2

7,9

12,5

 

O

9,1

13,6

 

 

 

 

 

H2O

7,6

12,7

 

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц.

Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа ψ, которая определяется отношением концентрации ионизированных частиц n к общей концентрации частиц N:

 

n .

(1.4)

 

N

 

Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможны захват ими электрона и образование отрицательного иона.

8

Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, – электроположительными (азот, гелий).

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. Если электрическое поле велико, то при этом кинетическая энергия частиц может превысить тепловую энергию и стать достаточной для ударной ионизации атомов. Энергия электронов и ионов WE, приобретенная от поля, определяется как:

W E eE .

(1.5)

где e – элементарный заряд; E – напряженность электрического поля; – средняя длина свободного пробега пути частицы

Условие ионизации может быть записано в виде

eE

 

mV

2

W и ,

(1.6)

 

 

2

 

 

 

 

 

 

m – эффективная масса заряженной частицы; V – скорость движения заряженных частиц; Wи – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами, несмотря на их большую массу, малоэффективна и определяющей является ионизация электронным ударом.

Различают объемную ионизацию и эмиссию заряженных частиц с

поверхности электродов (поверхностную ионизацию).

Объемная ионизация – совокупность различных ионизационных процессов в межэлектродном пространстве.

Эмиссия – испускание заряженных частиц поверхностью электродов. Объемная ионизация, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

1)ударная ионизация электронами;

2)ступенчатая ионизация электронами;

3)фотоионизация;

4)термоионизация.

Ударная ионизация – образование иона при соударении электрона с нейтральными атомом или молекулой (рис. 1.2, а).

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние, т. е. недостаточна для ионизации. Воздействие следующего электрона (одного или нескольких) на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации (рис. 1.2, б). Время между воздействием первого и

9

последующего электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии.

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, образованных в результате воздействия, например, космического или тормозного излучения, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой (рис. 1.2, в). Фотоионизация возможна в ступенчатой форме.

 

e2

 

 

 

 

e1(V2)

 

 

 

 

 

 

 

 

e1(V1)

+

 

+

+

 

 

 

 

e2(V3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ион

 

 

 

 

Условие:

m eV1

2

W и

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

e3(V3) атомвозбужденный

e1(V)

 

e2

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

e2(V2)

e1(V1)

+

 

+

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

e3(V4)

 

 

 

 

 

 

ион

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e1(V)

 

 

 

Условие:

 

 

 

 

m еV12

m eV 32

 

 

 

 

 

 

2

W

и

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

фотон

б

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

e (V)

 

 

+

+

ион

Условие: h Wи

в

Рис. 1.2. Схемы объемной ионизации газа

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате: освобождения электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах; фотоионизации нейтральных

10

Соседние файлы в папке литература