твн / литература / Лисина,ТВН
.pdfМинистерство 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