Вис про ких напруга е ний т е хніка, розділ електротехніки , Що охоплює вивчення і застосування електричних явищ, що протікають в різних середовищах при високій напрузі. Високим вважається напруга 250 в і вище щодо землі. Економічно доцільно будувати потужні електричні станції поблизу місць видобутку палива або на великих річках і отримувану електричну енергію передавати (наприклад, по проводах) у промислові райони, іноді значно віддалені від основних джерел енергії. Передача великих електричних потужностей на далекі відстані при низькій напрузі через втрати практично неможлива, тому з розвитком електрифікації ростуть і робочі (номінальні) напруги електричних мереж. В СРСР особливо швидко номінальну напругу росли в період здійснення ГОЕЛРО і в середині 50-х рр. (Рис. 1), при створенні Єдиної високовольтної мережі (ЕВС) Європейської частини країни.
У розвитку В. н. т. велику роль зіграли російські і радянські вчені. У Росії перша лабораторія високої напруги була створена професором М. А. Шателеном при Петербурзькому політехнічному інституті в 1911. У Радянському Союзі працюють десятки великих лабораторій при науково-дослідних інститутах, заводах і вузах, що вивчають проблеми В. н. т. Великі роботи в цій області проведені Б. І. Угрімовим, А. А. Смуровим, А. А. Горєва, А. А. Чернишовим, Л. І. Сиротинська, В. М. Хрущовим і керованими ними науковими колективами, а також науковою школою, очолюваної академіком А. Ф. Іоффе. Видано велику кількість монографій і підручників по В. н. т.
Основною проблемою В. н. т. є створення надійної високовольтної ізоляції, яка мала б мінімальні конструктивні розміри і малу вартість. Кожна ізоляційна конструкція володіє певними тривалої і короткочасної електричної міцності, значення яких визначають габарити і вартість ізоляції (див. ізоляція електрична ). Короткочасна електрична міцність ізоляції характеризує її здатність витримувати короткочасні підвищення напруги (перенапруги), що виникають в електричних системах при різних перехідних процесах (наприклад, при включенні або відключенні окремих елементів системи, при коротких замиканнях і т.д.) або при ударах блискавки в лінії електропередачі або інші струмопровідні частини. Перенапруги першого виду називаються внутрішніми і зазвичай тривають соті частки сек. Перенапруги другого виду називаються грозовими, їх тривалість не перевищує десятитисячних доль сек.
найбільш поширеним діелектриком в електричних системах служить звичайне повітря, що оточує дроти ліній електропередачі і інші елементи зовнішньої ізоляції електричних систем (наприклад, опорні, прохідні і підвісні ізолятори). Питома електрична міцність повітря (відношення пробивної напруги до відстані між електродами) різко падає зі збільшенням відстані між електродами (рис. 2), тому габарити ліній електропередачі повинні зростати швидше, ніж зростає номінальна напруга. Ця обставина може покласти край збільшення робочих напруг повітряних ліній електропередачі, який, мабуть, складе близько 1500 кв по відношенню до землі (це відповідає номінальній напрузі 2000 кв.м. для трифазних ліній змінного струму і 3000 кв для ліній постійного струму). При такій напрузі по кожній лінії можна передати електричну потужність кількох Гвт на відстань близько 1000 км і більше. Подальше підвищення переданої потужності буде, мабуть, досягнуто шляхом застосування ліній електропередачі нового типу, серед яких найбільш перспективні газонаповнені кабелі , Надпровідні, або криогенні, кабельні лінії, а також передача електричної енергії по хвилеводах при частотах порядку десятків Ггц.
Електрична міцність повітря сильно залежить від тривалості впливу тільки при малих відрізках часу (менше 100 мксек), тому вона приблизно однакова при грозових і внутрішніх перенапруженнях. Це положення справедливо для сухих і чистих ізоляторів, що знаходяться в повітряному середовищі. Якщо ж поверхня ізоляторів забруднена і зволожена дощем або туманом, то електрична міцність ізолятора знижується і залежить від тривалості впливу напруги. Тому повітряні проміжки на лініях електропередачі (наприклад, відстань між проводом і землею або елементами опори) визначаються тільки перенапруженнями, а кількість і тип ізоляторів, на яких підвішуються дроти, - також і робочою напругою. Величина перенапруг, ступінь забруднення ізоляторів, сила вітру, який відхиляє дроти від нормального положення і наближає їх до опори, міняються в широких межах. Тому вибір ізоляції для ліній електропередачі здійснюється із застосуванням методів математичної статистики.
Внутрішню ізоляцію електричних машин і апаратів (наприклад, ізоляцію обмоток трансформатора відносно заземленого сердечника або корпусу) зазвичай виготовляють із застосуванням комбінації різних ізоляційних матеріалів. Найбільш поширене поєднання ізоляційного мінерального масла і виробів з целюлози (папір, електрокартон, прессшпан, бакеліт і ін.). При конструюванні ізоляторів вживають заходів для вирівнювання електричного поля шляхом, наприклад, застосування електродів закругленою форми, використання відмінності в величинах діелектричної проникності ізоляційних матеріалів, примусового розподілу напруги за обсягом ізоляції. Короткочасна питома електрична міцність внутрішньої ізоляції, так само як і повітря, зменшується при збільшенні відстані між електродами, тому зазвичай вигідно розбивати ізоляцію на ряд послідовно з'єднаних щодо тонких шарів. Тривала електрична міцність внутрішньої ізоляції визначає термін її служби при нормальних експлуатаційних умовах. Основними факторами, що приводять до поступового погіршення первинних властивостей ізоляції, є механічні дії (наприклад, внаслідок електродинамічних зусиль між струмоведучими частинами при коротких замиканнях), підвищення температури, зволоження і забруднення, вплив перенапруг. Особливе місце займають часткові розряди в утворюються в товщі ізоляції газових включеннях, які можуть виявитися однією з основних причин старіння ізоляції. Під нормальними експлуатаційними умовами розуміється обмеження перерахованих вище факторів до певного рівня, що забезпечує розрахунковий термін служби ізоляції. Для збільшення терміну служби ізоляції велике значення має система профілактичних випробувань ізоляції, під час яких шляхом вимірювання ряду характерних величин (опір витоку, тангенс кута діелектричних втрат, ємність при двох частотах або при двох температурах, інтенсивність часткових розрядів і ін.) Можна оцінити стан ізоляції і своєчасно визначати терміни і характер необхідного ремонту. У систему профілактичних випробувань входить також випробування підвищеною напругою, обов'язкове після повернення ізоляції з ремонту.
Необхідні габарити внутрішньої ізоляції визначаються рівнем впливають на неї грозових і внутрішніх перенапруг, т. Е. Її короткочасної електричної міцністю, яка для установок з номінальною напругою 220-500 кв приблизно в 2,5-3 рази перевищує максимальний робочий напруга. Так як перенапруги можуть мати і велику кратність, одне з основних завдань В. н. т. - дослідження перенапруг і обмеження їх амплітуди, зазвичай досягається застосуванням грозових і комутаційних вентильних розрядників в поєднанні з іншими заходами. У системах надвисокої напруги (1200 кв і вище) перенапруження обмежуватимуть до значень, в 1,5-1,8 рази перевищують номінальну напругу. При цьому на габарити ізоляції основний вплив буде надавати її тривала міцність, т. Е. Поступове старіння ізоляції під дією робочої напруги і перерахованих вище зовнішніх впливів. У зв'язку з цим великий інтерес представляє можливість застосування в якості внутрішньої ізоляції стисненого газу, що володіє мінімальними діелектричними втратами і в значно меншій мірі піддається старінню. Найбільш перспективними ізоляційними газами вважаються елегаз (шестифториста сірка Sf6) і фреон (дихлордифторметан CCI2F2), електрична міцність яких приблизно в 2,5 рази більше, ніж у повітря. При тиску в кілька десятих Мн / м 2 (1 Мн / м 2 = 10 кгс / см 2) короткочасна електрична міцність фреону і елегазу не нижче, ніж у таких традиційних діелектриків, як фарфор і трансформаторне масло (рис. 3). Створені розподільні пристрої напругою до 220 кв, в яких все обладнання працює в атмосфері елегазу при тиску 0,3-0,4 Мн / м 2.
Такі пристрої дуже добре поєднуються з газонаповненими кабельними лініями, застосування їх перспективно, особливо в густонаселених районах.
Інша найважливіша проблема В. н. т. - дослідження коронного розряду на проводах повітряних ліній електропередачі, який супроводжується втратами енергії і високочастотним випромінюванням, що створює перешкоди радіоприйому поблизу лінії. Так як інтенсивність коронного розряду визначається величиною напруженості електричного поля на поверхні проводів, втрати на корону і радіоперешкоди зменшуються при збільшенні діаметру дроту. З цією ж метою часто застосовують замість одиночних так звані розщеплені дроти. На лініях з напругою від 330 до 750 кв застосовують розщеплені дроти, що складаються відповідно з 2, 3 і 4 окремих провідників, що знаходяться один від одного на відстані до 50 см. На лініях 1100-1200 кв змінного струму, мабуть, застосовуватимуть розщеплені дроти, що складаються з 6 або 8 окремих провідників, рознесених на значну відстань для зменшення хвильового опору лінії і збільшення її пропускної здатності.
При постійному струмі втрати на корону і рівень радіоперешкод істотно нижче, ніж при змінному, і в цьому полягає одна з переваг ліній передачі постійного струму. Однак основна їхня перевага - в можливості зв'язку несинхронно працюючих електричних систем, завдяки чому відпадає проблема стійкості; дальність передачі електроенергії при постійній напрузі обмежується тільки економічними міркуваннями. Тому перша в Радянському Союзі наддалекої лінія електропередачі Екібастуз - Центр проектується на постійному струмі напругою 1500 кв (± 750 кв відносно землі). Головні труднощі освоєння електропередачі постійного струму пов'язана зі створенням випрямлячів і інверторів, при виготовленні яких застосовують потужні керовані напівпровідникові прилади або дугові вентилі. У перспективі лінії постійного струму створять основний кістяк Єдиної високовольтної мережі СРСР.
Важливим розділом В. н. т. є розробка установок високої напруги, призначених для випробування ізоляції і для інших цілей. Як джерело змінної напруги промислової частоти (50 гц) служать випробувальні трансформатори, часто сполучаються в каскади. Каскадні трансформатори виготовляють на напругу до 3000 кв. Висока постійна напруга (до 6000 кв) отримують за допомогою електростатистичне генераторів або послідовно з'єднаних випрямлячів, для яких зазвичай застосовують високовольтні напівпровідникові діоди. Для імітації грозових перенапруг розроблені генератори імпульсної напруги (ГІН), що генерують імпульсну напругу з амплітудою до 10 Мв. У 60-і рр. широкого поширення набули також генератори хвиль внутрішніх перенапруг (ГВП), які дають імпульс напруги тривалістю до 0,01 сек. Генератори імпульсних струмів (ДІП) при помірному напруженні (до 200 кв) і амплітуді імпульсів струму до декількох мільйонів ампер спочатку застосовувалися для випробування заземлювачів і грозозахисних розрядників. Надалі область застосування ГІТ (їх часто називають ємнісними накопичувачами енергії) значно розширилася: їх застосовують при магнітно-імпульсної обробки металів, в установках, що використовують електрогідравлічний ефект, в контурах накачування лазерів, для отримання високотемпературної плазми та інших цілей. Різновид ГИТ (так званий контур Горева) застосовують для випробування вимикачів на здатність, що відключає. Високі напруги підвищеної частоти отримують на лампових генераторах або трансформаторах Тесла.
Створення випробувальних установок високої напруги зажадало також розробки спеціальної вимірювальної апаратури. Найпростішим приладом для вимірювання високих напруг служить кульової розрядник . Високі напруги вимірюють також за допомогою електростатичних і роторних (обертових) вольтметрів, а імпульсна напруга - електронними осцилографами з дільниками напруги на вході. Великі імпульсні струми зазвичай вимірюють електронними осцилографами, на пластини яких подається напруга від шунтів або повітряних трансформаторів (пояс Роговского), що включаються послідовно в ланцюг струму. При високовольтних вимірах необхідно зважати на сильними електромагнітними полями, які спотворюють результати вимірювань. Для усунення цих спотворень вимірювальні прилади і дроти, що підводять, ретельно екранують, застосовують заземлення та інші заходи для зменшення паразитних індуктивностей і ємностей. Для вимірювання напруг і струмів в діючих електричних системах розроблені реєструючі прилади типу автоматичних осцилографів чи пікових вольтметрів, масове використання яких дозволяє отримати досить надійний статистичний матеріал про перенапруженнях і токах блискавки.
Одним з самостійних розділів В. н. т. є так звана електронно-іонна технологія, пов'язана з аерозолями, частки яких заряджаються від тертя, коронного розряду або іншими методами. За допомогою сильного електричного поля можна управляти рухом заряджених частинок і таким чином здійснювати необхідний технологічний процес (електрогазоочістку, електросмешіваніе, електросепарірованіе, електрозабарвлення і ін.). Прикладом використання електронно-іонної технології можуть служити коронні електрофільтри на ТЕС для очищення газу, що виходить з топок парових котлів, від золи та інших зважених часток.
Літ .: Техніка високої напруги, під ред. Л. І. Сиротинська, ч. 1-3, М. - Л., 1951-59; Разевіг Д. В., Атмосферні перенапруги на лініях електропередачі, М. - Л., 1959; Високовольтне випробувальне обладнання та вимірювання, М. - Л., 1960; Бумажномасляная ізоляція в високовольтних конструкціях, М. - Л., 1963; Александров Г. Н., Коронний розряд на лініях електропередачі, М. - Л., 1964; Артем'єв Д. Є., Тіходєєв Н. Н., Шур С. С., Статистичні основи вибору ізоляції ліній електропередачі високих класів напруги, М. - Л., 1965; їх же. Координація ізоляції ліній електропередачі, М. - Л., 1966; Єрусалимі М. Є., Орлов Н. Н., Техніка високих напруг. К., 1967; Долгинов А. І., Техніка високих напруг в електроенергетиці, М., 1968; Вайда Д., Дослідження пошкоджень ізоляції, М., 1968.
Д. В. Разевіг.
Рис. 2. Питома електрична міцність (кв / см) проміжку «провід - площину» в повітрі при температурі 20 ° С і тиску 760 мм рт. ст.
Рис. 3. Пробивна напруга в однорідному полі для різних діелектриків: 1 - фарфор; 2 - трансформаторне масло; 3 - елегаз (0,1 Мн / м2); 4 - елегаз (0,7 Мн / м2).
Рис. 1. Графіки зростання найвищого номінальної напруги (в кв) електричних мереж СРСР: 1 - лінії змінного струму; 2 - лінії постійного струму.
