Техника высоких напряжений

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 

Ю.А. ЛАВРОВ, Н.Ф. ПЕТРОВА 
 
 
 
 
 
 

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ  

НАПРЯЖЕНИЙ 
 
 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

НОВОСИБИРСК 

2020 

 

УДК 621.316.9(075.8) 
         Л 136 
 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, доцент В.М. Левин 

канд. техн. наук, доцент Р.А. Войтович 
 
 

Работа подготовлена на кафедре техники и электрофизики 
высоких напряжений для студентов IV курса бакалавриата  
по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» 
 
 

Лавров Ю.А. 

Л 136   
Техника высоких напряжений: учебное пособие / Ю. А. Лав
ров, Н. Ф. Петрова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 204 с. 
 
ISBN 978-5-7782-4196-1 
 
 

В пособии в краткой форме изложены теоретические основы внут
ренних и грозовых перенапряжений, воздействующих на электроустановки высоких напряжений. Наряду с теоретической частью приводится описание лабораторных работ по технике высоких напряжений. 
Рассмотрены различные режимы заземления нейтрали электрических 
сетей среднего и высокого напряжения, технические мероприятия и 
средства по защите электроустановок от перенапряжений различного 
происхождения, основные виды внутренней и внешней изоляции. 
 
 

УДК 621.316.9(075.8) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-4196-1  
 
 
 
 
 
 
© Лавров Ю.А., Петрова Н.Ф., 2020 
© Новосибирский государственный 
технический университет, 2020     

 

ВВЕДЕНИЕ 

Надежность электроснабжения потребителей всех категорий зависит от правильного выбора изоляции электрооборудования на всех стадиях производства, передачи и распределения электроэнергии, осуществляемых на высоком (свыше 1000 В) напряжении. 
Основная задача техники высоких напряжений заключается в выборе методов проектирования и эксплуатации изоляции электрооборудования высокого напряжения при нормальных и аварийных режимах 
работы энергосистемы в целом. Основой читаемого курса являются теоретические и экспериментальные сведения по электрическим явлениям 
в газообразных, твердых и жидких диэлектриках, рассмотренные ранее 
в дисциплинах «Основы электрофизики в электроэнергетике», «Теоретические основы электротехники», «Физика». Проектирование надежной изоляции электрооборудования электрических систем тесно связано с рассмотрением аварийных режимов работы электрической сети, 
приводящих к перенапряжениям различной кратности. Кроме того, 
необходимость грамотно определять реальную электрическую прочность изоляционных конструкций связана с умением проводить высоковольтные испытания. Понимание проблем высоковольтной электроэнергетики и методов их решения – это необходимое качество специалиста-электроэнергетика. Овладеть этими знаниями, умениями и навыками можно как при изучении лекционного курса, так и при выполнении 
практических работ. 
В настоящем учебном пособии приводится описание теоретического (лекционного) материала, а также восьми практических работ по 
технике высоких напряжений. В каждой работе поставлена цель, приведены краткие теоретические или практические сведения, электрические схемы электроустановок, сформулированы контрольные вопросы. На основе полученных экспериментальных данных должно 

быть сформулировано их научное объяснение. Каждая практическая 
работа включает элемент научно-исследовательской работы. 
При написании учебного пособия авторы учли современную тенденцию процесса высшего образования, направленную на уменьшение часов аудиторных занятий в пользу увеличения часов самостоятельной работы студента. В этой связи в учебном пособии по возможности в максимальном объеме и доступной форме был представлен теоретический 
и практический материал, позволяющий студентам изучить на достаточном уровне рассматриваемую дисциплину без дополнительного привлечения технической литературы. 
Учебное пособие предназначено для бакалавров по направлению 
«Электроэнергетика» и призвано повысить эффективность учебного 
процесса и как результат – качество подготовки специалистов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Внешней изоляцией называется конструкция, где основную изолирующую роль выполняет атмосферный воздух. Твердые диэлектрики, входящие в состав внешней изоляции, выполняют одновременно изолирующие и механические функции. 
Внутренней изоляцией называется внутренняя часть электрических 
аппаратов, где изолирующей средой служат жидкие, твердые или газообразные диэлектрики, а также их всевозможные комбинации. 
Как внешняя, так и внутренняя изоляция предназначена для отделения друг от друга (изоляции) токоведущих элементов электрооборудования высокого напряжения (ЭО ВН), находящихся под разными потенциалами. 
Электрической прочностью изоляции принято называть максимальное действующее значение напряжения промышленной частоты, или 
амплитудное значение импульсного напряжения заданной формы, которое может быть приложено к изоляции без возникновения ее электрического пробоя. 
Наибольшее рабочее напряжение 
н.р
U
 – повышенное напряжение 

(действующее линейное значение промышленной частоты), приложенное к изоляции оборудования в течение длительного времени. Наибольшее рабочее напряжение зависит от класса напряжения сети и приведено в таблице. 

Зависимость наибольшего рабочего напряжения  
от класса напряжения сети 

Uном, кВ 
3–20 
35–220 
330 
500–1150 

Uн.р / Uном 
1,2 
1,15 
1,1 
1,05 

Перенапряжением называется превышение напряжения на элементах электрооборудования сверх фазного максимального, опасное для 
электрической изоляции электрооборудования. 
Координация изоляции – установление необходимого соотношения 
между электрической прочностью изоляции и воздействующими на нее 
перенапряжениями с учетом параметров защитных устройств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ  
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ 

В зависимости от причины «генерирования» различают две группы 
перенапряжений – внешние и внутренние (см. рисунок). 
Внешние – источник энергии перенапряжения находится вне сети. 
Внутренние – развитие перенапряжений происходит за счет энергии, генерируемой в самой сети или запасенной в ее реактивных элементах. 

Перенапряжения

Внешние
Внутренние

Грозовые
Коммутационные
Квазистационарные

ПУМ
Индуктированные
Волны, 
набегающие 
на ПС с ВЛ

Феррорезонансные
Резонансные

При быстрых 
изменениях 
режима сети

Дуговые

Удары 
в токоведущие 
элементы

Удары 
в заземленные 
части установок

 
Классификация перенапряжений 

Индуктированные перенапряжения – результат взаимной магнитной (индуктивной) и электрической (емкостной) связи молнии с токоведущими и заземленными элементами сети. Представляют главную опасность для изоляции сетей напряжением 6–35 кВ. 

Волны, набегающие на ПС с ВЛ, представляют опасность для оборудования подстанций (ПС) с меньшими запасами электрической прочности, по сравнению с линейной изоляцией воздушной линии (ВЛ) и вызывают опасные витковые перенапряжения для изоляции трансформаторов и вращающихся машин. 
Удары в токоведущие элементы – наиболее опасны, амплитуды перенапряжений могут достигать нескольких мегавольт. 
Удары в заземленные части создают кратковременные перенапряжения, которые вызывают обратные перекрытия с заземленных элементов на токоведущие. 
Резонансные перенапряжения связаны с несимметрией сети, неполнофазными режимами работы сети при наличии резонансного контура 
«емкость сети–индуктивность трансформатора». 
Феррорезонансные перенапряжения возникают в контурах «емкость 
сети – нелинейная индуктивность» силового трансформатора или трансформатора напряжения. 
Дуговые перенапряжения – перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях (ОДЗ) возникают при горении перемежающейся дуги в 
сетях с изолированной нейтралью. 
Быстрые изменения режимов сети – это коммутации включения и 
отключения элементов сети, внезапные замыкания на землю, междуфазные замыкания, обрывы фаз и т. п. 
К основным характеристикам перенапряжений можно отнести следующие. 
1. Кратность – отношение максимального значения напряжения 

max
U
 к амплитуде 
н.р
U
. 
2. Повторяемость – определяется ожидаемым числом случаев возникновения перенапряжений за конкретный промежуток времени 
(обычно за год). 
3. Форма кривой перенапряжения обусловлена длиной фронта, длительностью, числом импульсов и временем существования этого перенапряжения. 
4. Широта охвата сети – число изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует перенапряжение. 
5. Место приложения (фазные – относительно земли, междуфазные – между фазами, внутрифазные – между соседними витками или 
катушками обмотки трансформатора, реактора или электрической машины, восстанавливающиеся – между расходящимися контактами коммутационных аппаратов). 
Все перечисленные характеристики перенапряжений, как правило, 
случайны и обладают статистическими характеристиками. 

 

3. РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 

3.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ 

Нейтраль – это общая точка соединения фазных проводников в 

трансформаторах или генераторах (рис. 3.1). Способ рабочего заземления нейтрали обусловлен: 

 требованиями техники безопасности и охраны труда персонала; 
 допустимыми токами замыкания на землю; 
 перенапряжениями, возникающими при замыканиях на землю,  

а также рабочим напряжением неповрежденных фаз электроустановки, 
определяющими уровень изоляции электротехнических устройств; 

 необходимостью обеспечить надежную работу релейной защиты 

от замыкания на землю; 

 возможностью применять простейшие схемы электрических сетей. 
Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора 

или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству либо 
присоединенная к нему через большое сопротивление (разрядник или 
ограничитель перенапряжений). Режим изолированной нейтрали применяется в электрических сетях напряжением 3–35 кВ. 

Глухозаземленной нейтралью называют нейтраль трансформатора 

или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему 
устройству или заземленная через малое сопротивление (трансформаторы тока и др.). 

Остальные способы заземления характеризуются включением в 

нейтраль дугогасящего реактора (ДГР) для компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) или активного 
сопротивления соответствующей величины для изменения величины 

этого тока (высокоомные или низкоомные резисторы) или борьбы с перенапряжениями различного происхождения. 

 
Рис. 3.1. Иллюстрация нейтральной точки  
трансформатора 

Выбор способа заземления нейтрали связан с поведением системы 
при замыкании на землю и представляет собой комплексную проблему, 
которая затрагивает вопросы не только перенапряжений, но и коммутационной аппаратуры, релейной защиты и т. д. Определяющими являются следующие факторы: 

 возможность создания более экономичной изоляции оборудования; 
 эффективность ликвидации однофазных замыканий на землю, 

представляющих собой наиболее распространенный вид нарушений 
нормальной работы электрической сети. 
Каждый способ заземления нейтрали имеет преимущества и недостатки и определяется сложившимися традициями, поэтому в разных 
странах в разные годы применялись различные способы. 

В отечественной электроэнергетике приняты следующие режимы за
земления нейтрали на все существующие классы напряжения (рис. 3.2) 
Каждый из указанных способов имеет как преимущества, так и недостатки. Способ заземления нейтрали напрямую влияет на тяжесть 
протекания возникающих в процессе эксплуатации аварийных режимов. Следовательно, при выборе в конкретной сети средств защиты от