Высокие напряжения встречаются во многих отраслях техники. Однако наиболее важной областью их применения является электроэнергетика. После открытия Вернером Сименсом в 1866 г. электродинамического принципа стало возможным промышленное получение электроэнергии, и уже в 1882 г. Марселем Депре была реализована передача электроэнергии из Мисбаха в Мюнхен общей протяженностью 57 км постоянным напряжением 2 кВ, мощностью 1,4 кВт. Идея использования переменного и многофазного тока с его возможностями получать более высокие напряжения была впервые осуществлена в 1891 г. в виде трехфазной линии электропередачи длиной 175 км от Лауфена на Неккаре до Франкфурта на Майне при рабочем напряжении 15 кВ, частоте 40 Гц и мощности генератора 210 кВт. При этом коэффициент полезного действия возрос до 75% по сравнению с 22% для линий постоянного тока. Направление развития сегодняшней техники передачи электроэнергии было предопределено, однако требовались гораздо более высокие напряжения, чтобы экономически выгодно осуществить передачу энергии на большие расстояния.
Уже на ранней стадии развития техники передачи электроэнергии должны были быть решены многие новые проблемы, исследовано возникновение перенапряжений, например, под действием молнии или коммутационных процессов и их распространение по сети.
Перенапряжения привели к интенсивным воздействиям на изоляцию и потребовали поисков подходящего конструктивного ее выполнения. Встал вопрос о возможностях ограничения перенапряжений вначале искровыми промежутками, а позднее разрядниками. Для испытания изоляции устройств и аппаратов разработаны специальные методы испытаний и измерительные приборы.
Впервые все эти вопросы были комплексно рассмотрены в книге В. Петерсена «Техника высоких напряжений» в 1911 г., и поэтому указанную дату часто считают датой рождения техники высоких напряжений. Дальнейшая повсеместная активность в области научных исследований продиктована поисками путей экономичной передачи электроэнергии, что привело к стремительному развитию этого направления.
В 1912 г. была создана первая линия электропередачи напряжением 110 кВ из Лауххамера в Ризу, в 1929 г. — Рейнская линия первой очереди напряжением 220 кВ, построенная Рейнско-Вестфальским электротехническим предприятием, в 1936 г. — линия Боильдер Дам (США) напряжением 287 кВ, в 1952 г. — первая линия класса напряжения 380 кВ в Швеции, в 1959 г.— линия напряжением 525 кВ в СССР, в 1965 г. — линия напряжением 735 кВ в Канаде.
Начиная с появления первой линии электропередачи, осуществленной в 1882 г. при постоянном напряжении, все время встает вопрос о целесообразности использования либо переменного, либо постоянного напряжения. Так, в 1906 г. Рене Тур построил линию передачи постоянного тока Моутир — Пион протяженностью 150 км мощностью 20 МВт при напряжении 125 кВ с десятью последовательно включенными генераторами. Затем отчетливо проявилось преимущество техники многофазного переменного напряжения, при котором уже тогда с помощью трансформаторов при малых затратах можно было обеспечить оптимальное рабочее напряжение для получения, передачи и распределения электроэнергии. Затем новая выпрямительная техника, вначале в виде ртутных вентилей, а позднее — и тиристоров, позволила осуществить надежную и экономически выгодную передачу энергии постоянным напряжением.
В настоящее время вновь встают задачи экономичной передачи энергии постоянным током на сверхдальние расстояния с помощью линий высокого напряжения, в которых сняты проблемы динамической устойчивости.
Особые преимущества имеют линии постоянного тока при электроснабжении островов, так как отсутствуют емкостные токи в кабеле и появляется возможность выполнить кабель более экономичным, использовав в качестве обратного провода морскую воду. Связи электрических систем с различными частотами или с независимым регулированием мощности и частоты могут быть осуществлены только с помощью вставок постоянного тока. Кроме того, вставка постоянного тока между двумя сетями переменного тока позволяет повысить резервирование без возрастания мощности короткого замыкания. Впервые это было подтверждено на экспериментальной передаче 100 кВ Мисбург — Лерте в 1944 г. Современные подобные устройства работают при напряжениях около 1000 кВ (±500 кВ относительно земли) и имеют мощность более 2000 МВт. Таким образом, современная техника высоких напряжений находит в электроэнергетике, несомненно, важнейшее применение с большим экономическим эффектом. Но, кроме того, она применяется во многих других областях техники, некоторые из них следует упомянуть особо.
Важной областью применения техники высоких напряжений является электростатика. Она возникла в начале развития учения об электричестве в средние века и послужила основой становления электротехники. Вероятно, можно считать Гильберта, проводившего в XVI столетии свои эксперименты с трибоэлектричеством, основателем учения об электричестве. В настоящее время важнейшей и эффективной областью применения статического электричества являются электрофильтры и устройства для электроокраски, в которых создаются условия при регулируемом напряжении до 100 кВ, несколько меньшем, чем пробивное напряжение, для возникновения коронного газового разряда, что приводит к зарядке частиц краски или пыли и направленному их движению в электрическом поле.
Электростатические процессы играют важную роль и в обеспечении техники безопасности. При трении различных диэлектриков в результате разделения зарядов могут возникать сильные электрические поля и разности потенциалов, вызывающие искровые разряды. Во взрывоопасных помещениях и устройствах, например, в химической индустрии или в топливных баках транспортных средств необходимо создавать также условия, чтобы разряды не возникали или чтобы энергия этих разрядов была недостаточна для инициирования взрыва газа.
В электронике, как и в светотехнике и рентгенотехнике, необходимы высокие постоянные напряжения. В настоящее время широкое распространение в радиотехнике получили помимо ламп высокой мощности также кинескопы для дисплеев, электронно-лучевых осциллографов, телевизоров. Для ускорения электронов после прохождения отклоняющей системы в кинескопах используются напряжения до 25 кВ, чтобы получить достаточную яркость свечения экрана. Более высокие напряжения недопустимы из-за жесткого тормозного излучения. Однако такие напряжения необходимы для создания рентгеновского излучения в медицине, при этом ускоряющее напряжение достигает 200 кВ и выше. Важнейшей областью применения высоких напряжений является светотехника, основанная на газоразрядных лампах с напряжением до 6 кВ.
Высокие постоянные напряжения требуются и при физических исследованиях. Для ускорения заряженных элементарных частиц используются простейшие (линейные) ускорители и циклотроны. В них частица однократно или многократно при полем, проходит участок с ускоряющим напряжением. Таким движении по круговой траектории, обеспечиваемой магнитным способом в линейных ускорителях частицам сообщается кинетическая энергия, равная нескольким мегаэлектрон-вольтам, а в циклотронах — нескольким гигаэлектрон-вольтам.
При очень быстрых процессах в наносекундной области необходимы особые способы измерений; в сетях, аппаратах и приборах следует учитывать переходные процессы. С другой стороны, процессы старения изоляции происходят в течение нескольких лет.
Для понимания процессов, происходящих в изоляции, необходимо регистрировать чрезвычайно слабые токи и привлекать сведения из физики газового разряда и полупроводников. Напротив, для изучения дуги в выключателях и канала молнии требуется измерять токи до 100 кА и использовать закономерности физики плазмы.
Учитывая подобные разнообразные требования в конкретных областях, вряд ли можно дать единое представление об этой области науки, отличающееся краткостью и завершенностью, глубиной изложения и, помимо прочего, доходчивостью. Если же исключить из рассмотрения специальные применения высоких напряжений, а также, например, вопросы конструктивного выполнения и прочую детализацию устройств, то можно в компактной форме изложить теоретические и практические основы техники высоких напряжений, в которых рассматриваются принципиальные вопросы определения размеров изоляции проблемы электрического разряда, возникающие в той или иной форме в различных областях науки и техники. Данная книга с ее структурой и соответствует этой главной задаче.
Сначала сообщается о воздействии на изоляцию напряжений, в первую очередь перенапряжений.
Развитие перенапряжений, их возникновение и распространение, рассмотрено в книге довольно конспективно. Они являются лишь исходным пунктом для определения размеров изоляции, координации напряжений и уровней изоляции линий электропередачи и аппаратов, однако их определение представляет собой самостоятельную большую задачу.
После определения воздействующих напряжений в книге рассмотрены методы расчета электрического поля в изоляционном промежутке, причем сначала изложены основные законы и свойства электрических полей, которые выводятся из аксиоматических уравнений Максвелла. Такой подход вызван стремлением дать специалистам в области техники высоких напряжений необходимые сведения, позволяющие выбирать наиболее перспективные пути решения полевых задач. Аналитические расчеты электрического поля возможны только при относительно простых конфигурациях электродов, часто встречающихся на практике, например, в кабелях или воздушных линиях передач.
Многие электродные системы, представляющие технический интерес, аналитически полностью нельзя рассчитать, однако в настоящее время имеются в распоряжении различные численные способы их расчетов. В книге приведены три важнейших способа расчета электродных систем, а именно способ конечных элементов, дифференциальный и эквивалентных зарядов. Несмотря на то что вследствие развития методов расчета теряют значение экспериментальные способы определения поля, полностью пренебрегать ими нельзя. Поэтому моделирование электрического поля в электролитической ванне и в аналогичных устройствах рассмотрено в книге в достаточно сжатой форме.
С помощью расчета распределения электрического поля проверяется, способна ли изоляционная конструкция выдержать воздействующее напряжение, при этом должны учитываться свойства изоляции, для чего необходимо знание прочностных характеристик изоляции, зависящих от вида изоляции, формы воздействующего напряжения, распределения электрического поля, а также от других факторов, влияющих на разрядные процессы. Рассматриваются газообразные, жидкие и твердые изоляционные вещества.
Среди газообразных веществ особое внимание уделено воздуху, так как его часто используют в качестве изоляционной среды. Причем в этом случае электрическое поле, как правило, сильно неоднородно, например, в линиях электропередачи или в аппаратах наружной установки. Благодаря использованию специального электроизоляционного газа — элегаза — и оптимизации формы электродов в целях выравнивания распределения поля созданы герметичные распределительные устройства, занимающие только 10% площади обычных распределительных устройств. Такие устройства могут быть установлены в обычных зданиях, и возможно их использование в плотно застроенных районах. Поэтому элегаз приобретает все большее значение в электроснабжении.
Все отчетливее проявляются тенденции исторического развития кабельной техники с внедрением изоляционных материалов с повышенными свойствами. В середине прошлого столетия была заимствована из техники связи гуттаперчевая изоляция. Затем использовались вулканизируемый натуральный каучук и джут, пропитываемый воском, а позднее — маслом. Сооружение кабелей среднего и высокого напряжений оказалось возможным лишь много лет спустя благодаря использованию бумажно-масляной изоляции.
В книге рассмотрены важнейшие для практического применения твердые и жидкие изоляционные вещества, применяемые в кабельной технике и других областях, такие, как изоляционные масла и синтетические жидкости, неорганические твердые материалы: фарфор, стекло, слюда, а также наиболее важные термопласты, эластомеры, термореактивные пластмассы. Важнейшие для изоляционной техники свойства веществ выведены из фундаментальных закономерностей или по крайней мере ими объясняются; физико-химическими свойствами определяется поведение веществ в сильном электрическом поле вплоть до пробоя. Этим самым подтверждается понимание необходимости создания изоляционных веществ с заранее заданными свойствами для успешного использования их в изоляционных конструкциях.
Несмотря на то что в настоящее время получили широкое развитие расчетные методы, специалисты в области техники высоких напряжений очень нуждаются в проведении экспериментальных исследований. Почти все электроэнергетическое оборудование подлежит обязательным испытаниям приложенным напряжением. Для правильного определения размеров изоляции необходимо иметь испытательные установки, с помощью которых можно воспроизводить воздействующие напряжения, возникающие при эксплуатации. Обязательные испытательные напряжения установлены соответствующими предписаниями, которые указывают также, какой вид испытательного напряжения необходимо выбрать. Поэтому каждый специалист в области техники высоких напряжений должен иметь обстоятельные знания о получении и измерении испытательных высоких напряжений.
В книге подробно рассмотрены способы получения переменных, постоянных и импульсных напряжений, а также импульсных токов. Современные методы испытаний напряжениями различной формы в целях определения качества новой продукции, а также возможность иметь генераторы с переменными параметрами предъявляют к специалистам в области высоких напряжений высокие требования в части знаний измерений на высоком напряжении. Применяемые методы измерений переменных, постоянных и импульсных напряжений, а также импульсных токов изложены в книге в соответствии с физико- техническими принципами измерений.
Вследствие особого значения для современной изоляционной техники измерений частичных разрядов (ЧР) этому вопросу уделено большое внимание в гл. 10. Однако и здесь читателю сообщаются сведения о принципиальных закономерностях, чтобы он был в состоянии найти осмысленное решение поставленных перед ним задач.
Этот выдержанный во всей книге принцип вместе с содержащимися в ней основными разделами техники высоких напряжений (возникновение перенапряжений, электрические поля, газообразные, жидкие и твердые изоляционные материалы, а также получение и измерение высоких напряжений) позволяют дать книге «Техника высоких напряжений» подзаголовок «Теоретические и практические основы применения».
В. Бёк
