ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 271
Скачиваний: 3
ТЕХНИКА
ВЫСОКИХ
НАПРЯЖЕНИЙ
.j-Ч г ?
ТЕХНИКА
ВЫСОКИХ
НАПРЯЖЕНИЙ
Под редакцией чл.-корр. АН СССР
М. В. К о с т е н к о
Допущено |
Министерством |
высшего |
и среднего |
специального |
образова |
ния СССР в качестве учебного посо бия для студентов электроэнергети ческих специальностей высших учеб ных заведений
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА> 1973
6 П2.І |
|
T 38 |
' c x ' - |
УДК |
621.3.027.3(075.8) |
Г. H. Александров, В. Л. Иванов, К. П. Кадомская, Н. А. Козырев, М. В. Костенко, Г. С. Кучинский, И. Ф. Половой, Б. М. Рябов, В. А. Хоберг
Т |
Техника высоких напряжений. Под ред. М. В. Ко с т е н к о й |
||||||||||||
38 Учебное пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1973. |
|
|
|
||||||||||
|
528 с. с илл. |
|
|
|
|
|
В. Л. Иванов, К. П. Кадом- |
||||||
|
На обороте тнт. л. авт.: Г. Н. Александров, |
||||||||||||
|
ская |
[н др.]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Книга содержит физико-математические основы |
техники высоких |
напряжений |
» |
|||||||||
|
состоит из четырех разделов: в |
первом |
и втором |
рассмотрены |
физика, |
теория и ха |
|||||||
|
рактеристики |
разряда |
в газах |
(при различных |
давлениях), в |
жидких, |
твердых |
и |
|||||
|
комбинированных диэлектриках; |
третий |
посвящен |
перенапряжениям |
в |
электриче |
|||||||
|
ских |
сетях и защите |
от них; четвертый — вопросам |
координации изоляции, |
методам» |
||||||||
|
расчета изоляции электрических сетей, оборудования и машин, а также основам |
||||||||||||
|
высоковольтных испытаний и измерений. |
|
|
электроэнергетических |
вузов |
и |
|||||||
|
Предназначается для студентов и аспирантов |
||||||||||||
|
факультетов. Может быть полезна инженерно-техническим работникам |
|
заводов,, |
||||||||||
|
энергосистем, проектных и научно-исследовательских институтов. |
|
|
|
|
|
|||||||
т |
---- °33? |
367— |
114—73 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
001—(01)—73
Рецензенты:
Кафедра техники высоких напряжении МЭИ Академик В. И. Попков
ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Редактор В. А. Титова. Переплет художника В. 3. Казакевича.
Художественный редактор Н. К. Гуторов. Техн.-редактор С. П. Передерий. Корректор Г. И. Кострнкова
Т-10527. Сдано в набор 23/11 1973 г. Подп. к печати 14/ѴІІІ 1973 г* Формат 60X90’/іе. Объем 33 печ. л. + 1 вкл. (0,15 п. л.) Уч.-нзд. л. 35,83
Изд. № Стд-140. Тираж 23 000 экз. Цена 1 р. 46 к.
План выпуска литературы |
издательства «Высшая школа» (вузы и техникумы) |
на |
1973 год. Позиция Ns 114. |
Москва, K-5I, Неглннпая ул., д. 29/14, |
|
Издательство «Высшая школа» |
Отпечатано с матриц Ордена Трудового Красного Знамени Первой Образцо вой типографии имени А. А. Жданова в Московской типографии № 4 Союз*
полнграфпрома |
при |
Государственном комитете Совета Министров СССР |
||
по делам |
издательств, полиграфии |
и книжной |
торговли |
|
г, Москва, |
И-41, |
Б. Переяславская ул., |
дом № 46. |
Зак. тип. 557 |
© Издательство «Высшая школа», 1973
ПРЕДИСЛОВИЕ
На современном этапе основная задача энергетики и электропро мышленности Советского Союза заключается в сплошной электрифи кации всей страны. Для того чтобы электроснабжение потребителей ’было дешевым и надежным, целесообразно создавать генераторы, обо рудование и линии электропередач весьма высокого напряжения и боль шой мощности, объединять их в энергосистемы с разветвленной элек трической сетью. Магистральные линии переменного и постоянного тока сверхвысокого напряжения должны соединить эти системы между •собой и создать таким образом единую энергетическую систему СССР.
Основные задачи техники высоких напряжений (ТВН) при этом за ключаются в создании и эксплуатации надежной и долговечной изо ляции и ее защите от воздействующих перенапряжений.
В данном учебном пособии основное внимание уделяется изучению физико-математических основ ТВН. Авторы поставили перед собой задачу рассмотреть физические процессы, протекающие в газообраз ных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках, а также изо ляционных конструкциях, методы расчета переходных процессов в электрических сетях и возникающих при этом перенапряжений на изоляции. В пособии приведены расчеты схем защиты от перенапря жений и схем типовых изолирующих конструкций, а также некоторые вопросы высоковольтных испытаний и измерений и возможные реше ния других задач в соответствии с программой основного курса ТВН.
В книге детально не рассматриваются разнообразные конкрет ные изоляционные конструкции, схемы защиты, испытательные и измерительные установки, вопросы техники безопасности и другие специальные вопросы, которые освещаются в учебниках и учебных пособиях по соответствующим специальным курсам.
Учебное пособие «Техника высоких напряжений» написано автор ским коллективом кафедры ТВН и лаборатории ЭС (электрических систем) и ТВН им. проф. А. А. Горева Ленинградского ордена Ленина политехнического института им. М. И. Калинина; широко использо ваны результаты научно-исследовательских работ, выполненных со трудниками лаборатории.
Авторы написали следующие главы и параграфы: Г. Н. Алексан дров— гл. I, II, III, IV, V, § 15.2, 15.3, 16.1, совместно с Б. М. Ря бовым § 2.6, совместно с М. В. Костенко и Г. С. Кучинским § 15.1; В. Л. Иванов — § 16.5, совместно с В. А. Хоберг § 16.3, 16.4; К. П. Кадомская совместно сМ . В. Костенко— гл. X, XI, XII, XIII и прило жение; Н, А. Козырев — § 8.76, 9.56 и 15.9, совместно с Г. С. Кучин-
1» |
з |
ским §8.8; 9.6; М. |
В. Костенко совместно с |
И. |
Ф. |
Половым — |
гл. XIV и совместно с Б. М. Рябовым § 15.10; |
Г. |
С. Кучинский — |
||
гл. VI, VII, VIII, IX, |
§ 15.4, 15.5, 15.6, 15.7, 15.8, |
17.7, |
совместно с |
|
Б. М. Рябовым §7.2; |
Б. М. Рябов— гл. XVII |
и § 8.7а, |
9.5а, 16.2. |
В подготовке и обсуждении отдельных глав учебника принимали участие Д. А. Каплан (гл. VIII, IX и XV) и М. Л. Левинштейн (гл. X,. XI, XII и XIII), которым авторы приносят искреннюю благодарность..
Авторы приносят глубокую благодарность акад. В. И. Попкову,, проф. Д. В. Разевигу, доцентам М. А. Аронову, Л. Ф. Дмоховской, В. П. Ларионову, Н. С. Пинталю и ст. препод. Е. М. Жакову за тща тельный просмотр рукописи и ценные замечания и предложения.
Все замечания и предложения по улучшению учебного' пособия
просим направлять в адрес издательства «Высшая |
школа»: Москва * |
К-51, Неглинная ул., 29/14. |
" |
ВВЕДЕНИЕ
Современная объединенная энергосистема включает в себя электри ческие станции и подстанции, генерирующие и преобразующие элек трическую энергию и электрические сети, передающие электроэнер гию и распределяющие ее между потребителями. Для передачи элек трической энергии от источника к потребителю требуется надежная изоляция токоведущих частей относительно земли и между собой. Различные элементы электрических сетей (генераторы, трансформа торы, коммутирующие и измерительные аппараты, воздушные и ка бельные линии) и условия работы их изоляции обусловливают разно образие используемых в них изоляционных конструкций. При этом изоляция электрических сетей может быть разделена на два сущест венно различных вида: внешнюю и внутреннюю.
Внешняя изоляция работает в непосредственном контакте с ат мосферным воздухом, использует его изолирующие свойства. Поэто му воздух должен рассматриваться в качестве одного из основных эле ментов высоковольтных изоляционных конструкций, например для проводов, которые только в отдельных точках подвешиваются к опо рам с помощью гирлянд изоляторов. Внешняя изоляция в большинстве случаев является самовосстанавливающейся, т. е. восстанавливает практически полностью свои изоляционные свойства после пробоя.
Внутренняя изоляция не имеет непосредственного контакта с ат мосферным воздухом. Изоляционные конструкции этого типа монти руются либо в металлических, либо в изоляционных (фарфоровых) кожухах, исключающих возможность прямого контакта с атмосферой. Косвенный контакт имеет место в результате несовершенства уп лотнений ц необходимости'обеспечения температурных изменений объе ма изолирующей среды. Внутренняя изоляция чаще всего выполня ется с применением твердых и жидких диэлектриков, а также их ком® позиций. Так как в ее состав почти всегда входят твердые диэлектрики, то эта изоляция является несамовосстанавливающейся, т. е. она ча стично или полностью теряет свои изоляционные свойства после про боя.
Изоляция электрических сетей подвергается длительному (в тече ние всего срока эксплуатации) воздействию рабочего напряжения, из менение которого допускается в ограниченных пределах. Так, рабо чее напряжение не должно превышать 115% от номинального напря жения для сетей до 220 кв включительно; 110% для сетей 330 кв, 105% для сетей 500 кв и выше.
5
В условиях эксплуатации изоляция подвергается также много кратному воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Внутренние перенапряжения возникают при включениях и отключе ниях элементов электрической сети, коротких замыканиях и других изменениях схемы или параметров этой сети; грозовые перенапряже ния — при ударах молнии в элементы электрической сети или вблизи них. Наряду с этим изоляция подвергается температурным и механи ческим воздействиям, приводящим к ухудшению ее электрических и механических свойств.
Длительное воздействие рабочего напряжения, а также многократ ное воздействие перенапряжений в сочетании с неблагоприятными ат мосферными условиями (колебания давления, температуры, влажности воздуха; выпадение осадков; загрязнение) и механическими воздей ствиями могут привести к пробою или перекрытию изоляции, а также к постепенному старению изоляции и преждевременному выходу ее из строя. Кроме того, воздействие рабочего напряжения приводит к потерям энергии в изоляции электропередачи, а также к возникнове нию радиопомех.
В связи с приведенными условиями эксплуатации имеют место че тыре различные группы требований к изоляционным элементам эле ктрических сетей:
1)надежная работа изоляции при всех перечисленных воздейст
виях;
2)ограничение потерь энергии в изоляции при рабочем напряже
нии;
3)обеспечение безопасной работы эксплуатационного персонала, механизмов, а также передвижения людей и животных на неограждаемых трассах воздушных линий ВЛ\
4)ограничение радиопомех и высокочастотных помех в каналах связи по линиям электропередачи.
Критерии выбора изоляции по первому и второму требованиям формируются на основе технико-экономических расчетов, исходя из обеспечения наибольшего народнохозяйственного эффекта или мини мума «приведенных затрат». «Приведенные затраты» учитывают в со поставимой форме капитальные вложения на сооружение электриче ских сетей К, ежегодные расходы на покрытие потерь энергии в сетях, на эксплуатацию и на амортизацию И, а также ущерб народному хо
зяйству вследствие нарушения надежности электроснабжения |
У. |
|
Они могут быть вычислены по следующей формуле: |
|
|
3=КЕ„+И+У=тіп, |
(В.1) |
|
где £ н ^ 0 ,1 2 1 /год— нормативный коэффициент |
эффективности |
ка |
питальных вложений. |
|
|
По первому требованию при увеличении капиталовложений в изо ляцию и в средства ограничения перенапряжений уменьшается ущерб от перерывов электроснабжения из-за уменьшения числа перекрытий изоляции. Аналогично, по второму требованию при увеличении капи-. таловложений на провода повышенного диаметра или на увеличение числа составляющих расщепленных фаз уменьшаются в соответствии
6
с формулой (В.1) среднегодовые потери на корону. Оптимальная кон струкция проводов будет та, при которой приведенные затраты на со оружение линии оказываются минимальными. Применительно к изо ляции трансформаторов и аппаратов второе и четвертое требования обычно не являются определяющими, поскольку первое требование (надежная работа внутренней изоляции) оказывается значительно бо лее жестким. Третье требование относится в основном к наружной изоляции; в частности , оно определяет минимальную высоту проводов над поверхностью земли и размеры воздушных промежутков на опо рах. В ряде случаев третье требование оказывается более жестким, чем первое, что необходимо учитывать при оптимизации изоляции по критерию минимума приведенных затрат. Основным источником радио- и высокочастотных помех является стримерная корона на про водах линий, ошиновке и высоковольтном оборудовании подстанций. Поэтому четвертое требование удовлетворяется путем ограничения напряженности поля на поверхности проводов и экранов оборудова ния.
В качестве критерия надежности для элементов, пробой изоляции которых вызывает их повреждение и необходимость ремонта или за мены, используется средний срок службы. Для элементов, перекры тие которых не связано с их повреждением, таким критерием является среднее число перекрытий в течение одного года. Например, сред ний срок службы внутренней изоляции данного вида зависит от ра бочей напряженности, а уменьшение последней связано с увеличением капиталовложений, но приводит к увеличению срока службы и соот ветственно к уменьшению ущерба от замены и ремонтов оборудования. Оптимальная рабочая напряженность соответствует минимуму при веденных затрат, определяемых формулой (В. 1).
В данном учебном пособии авторы сочли необходимым ограничить ся изложением вопросов, связанных с выбором изоляции сетей высо кого напряжения. Этой задачей определилась и вся структура книги.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ II ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ
ГЛАВА I. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ В ГАЗЕ
§1.1. ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ
Заряженные частицы в газе могут появиться при ионизации моле кул газа или с поверхности электродов. В обоих случаях нужно за тратить энергию, равную потенциальной энергии электрона или пре восходящую ее. Если потенциальную энергию свободного электрона принять за нуль, то у электрона в молекуле газа или в металле она будет отрицательной, т. е., образно говоря, связанный электрон на ходится в «потенциальной яме». Затраченная энергия при его осво бождении расходуется на преодоление им электромагнитных сил вза имодействия с положительными ядрами молекулы или кристалличе ской решеткой металла.
При ионизации молекулы газа образуются две заряженные части цы — электрон и положительный ион. При вырывании электрона из металла в газе появляется только электрон. В табл. 1.1 приведены величины энергии (в электрон-вольтах) ионизации молекул некото рых газов, входящих в состав атмосферного воздуха. В этой же таб лице приведены величины энергий возбуждения первых энергетиче ских уровней этих молекул . Среднее время жизни возбужденных мо лекул составляет примерно ІО-10 сек. Переход возбужденной молеку лы в нормальное состояние сопровождается излучением фотона, об ладающего такой же энергией, какая была ранее затрачена на возбуж дение молекулы. Молекулы многих химических элементов обладают некоторым количеством так называемых метастабильных уровней воз буждения, длительность пребывания электронов на которых может достигать ІО-2 сек.
Втабл. 1.2 приведены значения работы выхода Ц7ВЫХэлектронов
споверхности некоторых металлов. Как видно, работа выхода элек тронов с поверхности металлов значительно меньше, чем энергия иони зации молекул газа.
6