Предмет техники высоких напряжений (ТВН)

Необходимость обеспечения высоких технико-экономических показа­телей оборудования для производства и передачи электроэнергии, показа­телей линий электропередачи (ЛЭП) требует минимизации их габаритов, что при наличии высоких напряжений приводит к появлению сильных электрических полей в изоляционных конструкциях, разделяющих эле­менты оборудования и линий электропередачи, находящиеся под разными потенциалами (между собой и от заземленных элементов конструкции).

Сильные электрические поля могут вызывать процессы в изоляцион­ных конструкциях, приводящие к нарушению их электроизоляционных свойств, т.е. к возникновению аварийных режимов в энергосистемах. Эти

процессы часто развиваются при одновременном воздействии на изоляци­онные конструкции тепловых и механических нагрузок. Природа этих нагрузок — протекающие в оборудовании и линиях электропередачи сильные электрические токи, переменное электромагнитное поле и воз­действия окружающей среды.

При этом необходимо обеспечить надежную работу изоляции оборудо­вания при всех постоянно воздействующих на нее или кратковременно возникающих напряжениях.

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внут­реннюю. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (напри­мер, между проводами различных фаз электропередачи), внешние поверх­ности твердой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителя и т.п. К внутренней изоляции относятся изоляции обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, герметизи­рованная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д. Внутренняя изоляция представляет собой комбинацию твердого и жидкого диэлектриков (например, в трансформа­торах) или твердого и газообразного диэлектриков (например, в гермети­зированных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией).

Основной особенностью внешней (воздушной) изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий: давле­ния, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изо­ляторов наружной установки существенно влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Ее особен­ностью является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Очень трудно избежать возникновения в изоля­ции так называемых частичных разрядов. Вследствие изменения темпе­ратурного режима, вызванного колебаниями тока нагрузки, механических воздействий в твёрдой или жидкой изоляции образуются полости микрон­ных размеров, заполненные газом. В этих полостях возникают частичные разряды. Кроме того, на острых кромках электродов, на крепежных дета­лях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих разрядов изоляция разрушается, загрязняется продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. При затруд­ненном отводе тепла, что характерно для изоляции большой толщины, чрезмерный нагрев может привести к тепловому пробою изоляции.

Воздушная изоляция после пробоя полностью восстанавливает свои изоляционные свойства, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя.

Пробой твердой и комбинированной изоляции — явление необрати­мое, приводящее к выходу электрооборудования из строя. Жидкая и внут­ренняя газовая изоляция, как правило, после пробоя полностью не восста­навливают свои свойства, пробои приводят к ухудшению их характеристик.

Вследствие этого состояние внутренней изоляции контролируется во время эксплуатации, чтобы выявить развивающиеся в ней дефекты и пре­дотвратить аварийный отказ электрооборудования.

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздей­ствием рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повыше­ния напряжения сверх рабочего — перенапряжения. Если их источником являются внутренние характеристики энергосистемы — электродвижущие силы генераторов системы, а причиной — нормальные или аварийные ком­мутации, сопровождающиеся колебательными процессами или резонанс­ными явлениями в системе, то такие перенапряжения называются внутрен­ними. Помимо внутренних перенапряжений на изоляцию электроустановок могут воздействовать также грозовые перенапряжения, причиной возник­новения которых являются удары молнии в электроустановки.

Воздушные электрические сети вследствие большой протяженности достаточно часто поражаются молнией. При этом на изоляции линий воз­никают весьма высокие напряжения, которые изоляция выдержать не может. Происходит пробой воздуха вдоль гирлянды изоляторов, переходя­щий в поддерживаемый источником рабочего напряжения дуговой разряд.

Помимо нарушения изоляции воздушных линий удары молнии приво­дят к появлению на проводах импульсов высокого напряжения, которые, распространяясь по проводам, достигают подстанций и воздействуют на установленное там электрооборудование.

Уровень грозовых перенапряжений зависит от интенсивности ударов молнии и характеристик пораженных объектов и поэтому является ста­тистической величиной. Внутренние перенапряжения зависят от вида коммутации, режима и характеристик электрической сети и коммутацион­ных аппаратов.

Ограничение перенапряжений в электрических установках до эконо­мически приемлемых значений производятся с помощью защитных аппа­ратов: трубчатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характе­ристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспечивающее надежную работу и высокую экономичность электриче­ской установки, представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования электроустановки и называется координацией изоляции.

В соответствии с изложенным, «Техника высоких напряжений» (ТВН) — научная дисциплина, в которой рассматриваются электрические характе­ристики внешней и внутренней изоляции электроустановок, эксплуатация изоляции при рабочем напряжении, грозовые и внутренние перенапряже­ния и их ограничение, координация и методы испытания изоляции, а также изоляционные конструкции линий электропередачи и основных видов электрооборудования