Высоких напряжений техника

ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ТЕХНИКА, раздел электротехники, охватывающий изучение и применение электрических явлений, происходящих в различных средах при больших значениях электрического напряжения (1 кВ и более); совокупность электротехнических устройств (приборов, машин, систем), работающих при высоких напряжениях. Для объяснения электрофизических процессов, протекающих в средах, важным параметром наряду с напряжением является напряжённость электрического поля; диапазон практически используемых значений напряжённости электрического поля соответственно составляет от 0,1 кВ/см и выше.

Возникновение высоких напряжений техники в 1-й половине 20 века связано главным образом с проблемами передачи электрической энергии от мощных электрических станций в промышленные районы, нередко значительно удалённые от источников энергии. Передача больших электрических 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 электрических сетей. В России первая лаборатория высокого напряжения была создана в 1911 году М. А. Шателеном при Петербургском политехническом институте. Бурное развитие высоких напряжений техники в СССР в 1920-х и 1950-х годах связано с осуществлением плана ГОЭЛРО и созданием Единой высоковольтной сети Европейской 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 высоких напряжений техники является создание высоковольтной изоляции (смотри Изоляция электрическая), имеющей минимальные конструктивные размеры и малую стоимость, но необходимый ресурс (срок годности) и высокие показатели надёжности. Для этого каждая изоляционная конструкция должна обладать определёнными, достаточно высокими электрическими прочностями (длительной и кратковременной). Кратковременная электрическая прочность характеризует способность изоляции выдерживать кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в электроэнергетических системах при различных переходных процессах (например, при включении или отключении отдельных 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 электроэнергетических системах для проводов ЛЭП и других элементов внешней изоляции (например, опорных, проходных и подвесных изоляторов) служит атмосферный воздух. Средняя пробивная напряжённость воздушных промежутков (отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами) резко падает с увеличением расстояния между электродами (рис.). Это обстоятельство может положить предел увеличению рабочих напряжений воздушных ЛЭП. До недавнего времени считалось, что естественным пределом для таких высоковольтных линий является напряжение 2000 кВ. Однако последние исследования показали, что за счёт глубокого ограничения внутренних перенапряжений становится реальным уровень номинальных напряжений 3000 кВ и выше, при котором передаваемая мощность может достигать 50 ГВт. Таким образом, на ближайшую перспективу воздушные линии ультравысокого напряжения остаются предпочтительными для передачи энергии на расстояния в тысячи километров и более.

Изоляция воздушных ЛЭП состоит из воздушных промежутков между проводами, проводами и землёй, элементами опор, а также из изоляторов, с помощью которых провода подвешиваются на опорах. Величина разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от их длины, формы электродов, метеоусловий, скорости нарастания и длительности воздействия электрического 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).

Внутреннюю изоляцию обмоток электрических машин и аппаратов (например, между токоведущими и заземлёнными частями) обычно изготовляют с применением комбинации различных изоляционных материалов. Наиболее распространено сочетание минерального масла и изделий из целлюлозы (бумаги, электрокартона и др.). При конструировании изоляторов принимают меры для выравнивания электрического поля, например путём закругления краёв электродов, использования изоляционных материалов с различной диэлектрической проницаемостью, принудительного распределения напряжения по объёму изоляции. Кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции, определяемая средней пробивной напряжённостью, уменьшается при увеличении расстояния между электродами, поэтому обычно выгодно разбивать изоляцию на ряд относительно тонких слоёв. Длительная электрическая прочность изоляции определяет срок её службы при нормальных эксплуатационных условиях. Основными факторами, приводящими к постепенному ухудшению первоначальных свойств изоляции, являются механические воздействия, повышение температуры, 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 основных причин старения изоляции. В качестве внутренней изоляции всё большее применение находит сжатый газ, обладающий минимальными диэлектрическими потерями и в значительно меньшей степени подверженный старению. Наиболее перспективным изоляционным газом является элегаз (гексафторид серы SF₆), электрическая прочность которого при атмосферном давлении приблизительно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. При давлении в несколько десятых мегапаскаля кратковременная электрическая прочность элегаза не ниже, чем у таких традиционных 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 внутренней изоляции определяются уровнем воздействующих на неё грозовых и внутренних 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 высоких напряжений техники является исследование коронного разряда на проводах воздушных ЛЭП, который сопровождается потерями энергии и высокочастотным излучением, создающим помехи радиоприёму вблизи линии. Потери на корону и радиопомехи снижаются с уменьшением напряжённости электрического 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 так называемые расщеплённые провода, состоящие соответственно из 2-8 отдельных проводников, находящихся друг от друга на расстоянии не менее 40 см.

Другое направление высоких напряжений техники связано с применением высоких напряжений (или сильных электрических полей) для различных технологических целей (например, плазмохимическая 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 электрического поля используются в электрофильтрах для очистки дымовых газов от золы, в устройствах для нанесения полимерных покрытий и электрокраски, в электростатических сепараторах для обогащения полезных ископаемых и в устройствах электростатической печати.

Важный раздел высоких напряжений техники - разработка установок высокого напряжения, предназначенных для испытания изоляции и других целей. В качестве источника переменного напряжения промышленной частоты (50 Гц) служат испытательные трансформаторы, обеспечивающие напряжение порядка 750-1000 кВ; более высоких испытательных 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 MB. Ёмкостные накопители энергии, позволяющие получать токи до нескольких миллионов ампер, используются в различных электрофизических и технологических установках (например, для получения высокотемпературной плазмы, при магнитноимпульсной обработке металлов, в установках, работающих на электрогидравлическом эффекте, в контурах накачки лазеров), а также для испытания оборудования на молниестойкость.

Лит.: Верещагин И. П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. М., 1985; Базуткин В. В., Ларионов В. П., Пинталь Ю. С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах. 3-е изд. М., 1986; Электрофизические основы техники высоких напряжений / Под редакцией И. П. Верещагина, В. П. Ларионова. М., 1993; Техника высоких напряжений / Под редакцией Г. С. Кучинского. СПб., 2003.