Исследование высоковольтных электрических аппаратов

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.316.5(075.8)
ББК 31.24-01я73
          И88
Авторы: 
В. И. Лузгин, И. Е. Лопатин, В. В. Рудный, С. Р. Яковенко

Рецензенты:
кафедра энергетики Уральского государственного лесотехнического университета (завкафедрой д-р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров);
канд. техн. наук, директор научно-технического центра НПП ООО «РЭЛТЕК» С. М. Фаткуллин

Научный редактор — д-р техн. наук, доц. И. В. Черных

На обложке использовано изображение с сайта https://goo-gl.ru/6xOH.

И88

    Исследование высоковольтных электрических аппаратов : учеб.-метод. 
пособие / В. И. Лузгин, И. Е. Лопатин, В. В. Рудный, С. Р. Яковенко ; Минво науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2020. — 92 с.

ISBN 978-5-7996-3094-2

В пособии кратко изложены теоретические основы электрофизических процессов в исследуемых электрических аппаратах. Даны описания лабораторных установок. Поставлены задачи экспериментальных исследований. Сформулированы 
требования к оформлению результатов исследований и отчетов.
Учебно-методическое пособие рекомендуется студентам всех форм обучения 
по направлению подготовки 13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника, изучающих дисциплину «Современные высоковольтные электрические аппараты 
в электроэнергетике».

Библиогр.: 7 назв. Рис. 43.

УДК 621.316.5(075.8)
ББК 31.24-01я73

ISBN 978-5-7996-3094-2 
© Уральский федеральный 

 
     университет, 2020

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ .............................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................6

Глава 1.  
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ .............................8
1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах ......................................9
1.2. Электродинамические усилия в электрических аппаратах ...................17
1.3. Контактные системы электрических аппаратов ....................................21
1.4. Дуга отключения в электрических аппаратах ........................................23
Контрольные вопросы ...................................................................................26

Глава 2.  
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ .........................28
2.1. Вакуумные выключатели ........................................................................29
2.2. Элегазовые выключатели ........................................................................36
2.3. Измерительные трансформаторы тока ...................................................47
2.4. Комплектные распределительные устройства .......................................56
2.5. Механизмы высоковольтных выключателей .........................................63
Контрольные вопросы ...................................................................................66

Глава 3.  
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ .............................68
3.1. Исследование характеристик теплового нагрева токоведущей 
        системы высоковольтного коммутационного аппарата ........................68
Контрольные вопросы ...................................................................................71
3.2. Исследование характеристик механизмов коммутационных 
        аппаратов .................................................................................................72
Контрольные вопросы ...................................................................................76
3.3. Исследование характеристик генераторного элегазового 
        высоковольтного аппарата .....................................................................77
Контрольные вопросы ...................................................................................80
3.4. Исследование характеристик теплового нагрева токоведущих 
        систем сильноточных комплектных распределительных 
        устройств .................................................................................................80
Контрольные вопросы ...................................................................................85
3.5. Исследование характеристик высоковольтного 
        трансформатора тока ..............................................................................85
Контрольные вопросы ...................................................................................89

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................90

ПРЕДИСЛОВИЕ

Д

анное учебно-методическое пособие предназначено для студентов-магистрантов, изучающих дисциплину «Современные 
высоковольтные электрические аппараты в электроэнергетике». В пособии приведены сведения об основах теории электрических 
аппаратов, их конструкциях, а также о способах и методиках исследования основных характеристик электрических аппаратов и измерения 
их параметров. Теория и описание устройства аппаратов даны в довольно сжатом виде, поэтому для полного освоения этих знаний необходимо прослушать курс лекций по соответствующей дисциплине. Для 
самостоятельной же проработки теоретических вопросов и самоподготовки в конце книги приведен список основой литературы.
Пособие структурно разделено на три главы. Первая глава содержит описание основных физических процессов и явлений, которые 
положены в основу принципов действия электрических аппаратов. 
В конце главы есть список контрольных вопросов для проверки усвоенных знаний.
Вторая глава содержит описания устройств и принципов действия 
современного коммутационного высоковольтного оборудования, 
трансформаторов тока, комплектных распределительных устройств 
и общие сведения об устройстве приводных механизмов высоковольтных аппаратов. В главе также есть список контрольных вопросов для 
проверки усвоенных знаний и закрепления изученного материала.
Третья глава содержит практические алгоритмы и методики исследования параметров и характеристик электрических аппаратов и является основой для лабораторного практикума студентов по дисциплине 
«Современные высоковольтные электрические аппараты в электроэнергетике» кафедры «Техника высоких напряжений» Уральского 
энергетического института в составе УрФУ. В отличие от первых двух 
глав, которые содержат общие знания, полезные для всех изучающих 

Предисловие

высоковольтные электрические аппараты, третья глава описывает конкретную реализацию методик для исследования электрических аппаратов. Описания алгоритмов, методик, используемых инструментов 
и приборов, исследуемого оборудования даются с учетом текущего технического оснащения кафедры «Техника высоких напряжений». Лабораторные стенды, реализующие описанные алгоритмы исследований, расположены в помещениях кафедры. В главе также приведены 
контрольные вопросы, проработка которых поможет выполнить лабораторные исследования и защитить по ним результирующие отчеты в рамках освоения соответствующей дисциплины.

ВВЕДЕНИЕ

Р

азвитие современной российской энергетики невозможно без 
широкого использования эффективных высоковольтных электрических аппаратов. Перспективы развития коммутационной 
аппаратуры высокого напряжения связаны с поиском новых высокоэффективных технических решений и замены находящихся в эксплуатации устаревших, экономически невыгодных электрических аппаратов. Современные требования к электрическим аппаратам таковы: 
повышение надежности, снижение массогабаритных показателей, экологическая чистота, экономичность. Решение этих задач достигается 
созданием электрических аппаратов с управляемой коммутацией, поиском альтернативных способов коммутации и новых электрических 
сред для изоляции и дугогашения, разработкой комбинированных 
электрических аппаратов, совмещающих функции различных видов 
аппаратов. Разработка, производство и широкое внедрение элегазовых и вакуумных аппаратов позволяет значительно повысить надежность и экономичность их эксплуатации в энергосистемах.
Элегазовые автокомпрессионные дугогасительные устройства с автогенерацией давления элегаза энергией дуги позволяют значительно 
повысить отключающую способность выключателя и увеличить напряжение на один разрыв до 360–550 кВ. При этом конструкция элегазового выключателя значительно упрощается и становится возможным применение экономичных пружинных приводов.
Использование одноразрывных элегазовых выключателей в комплектных распределительных устройствах дает существенное снижение габаритных размеров и материалоемкости, что позволяет создать 
КРУЭ нового поколения с уменьшенными размерами и размещением трех фаз в одном корпусе.
Прогресс в технологии изготовления вакуумных дугогасительных 
камер позволяет увеличить токи отключения до 40 кА и напряжения 

Введение

до 145 кВ и создавать на их основе вакуумные выключатели высших 
классов напряжения.
Ужесточение экологических требований вызывает необходимость 
создания комплектных распредустройств с вакуумными выключателями на напряжение свыше 35 кВ взамен элегазовых. Доля вакуумных 
выключателей и КРУ на их основе будет расти опережающими темпами в классах напряжения до 220 кВ.
Перспективным направлением развития коммутационной аппаратуры является разработка комбинированных аппаратов, применение 
которых позволяет отказаться от использования традиционных разъединителей. К таким аппаратам относятся выключатели-разъединители. Контакты такого выключателя расположены внутри заполненного элегазом дугогасительного устройства и в отключенном положении 
выполняют функцию разъединителя. Безопасность работы персонала такой аппарат обеспечивает надежной системой блокировки в сочетании с встроенным выключателем и четкой фиксацией положения контактов.
Современная электроэнергетика в условиях либерализации рынка 
требует повышения точности расчетов потребляемой энергии, что вызывает необходимость разработки серии новых высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения с элегазовой изоляцией. Создание таких трансформаторов позволит повысить точность 
в широком диапазоне измерений и обеспечит высокую надежность их 
работы при минимальных затратах на обслуживание.
Создание высоковольтного оборудования нового поколения невозможно без проведения глубокой исследовательской работы при проектировании. Исследовать необходимо основные процессы и явления, 
сопровождающие работу высоковольтных аппаратов, а также эксплуатационную надежность создаваемых конструкций.

Глава 1.  
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

К

аждый электрический аппарат в своей конструкции содержит 
определенный набор систем и элементов. Наиболее распространенные из них перечислены ниже.
Токоведущая система (ТВС) предназначена для проведения тока через электрический аппарат и конструктивно может содержать в себе 
участки и элементы из разных материалов разной геометрической формы, сечения и конструктивного исполнения. Поскольку все эти участки ТВС необходимо стыковать между собой, то особое внимание требуется уделять зонам контактных переходов между ними.
Электрические контакты входят в состав ТВС, но, помимо функции 
пропускания тока через себя, могут обеспечивать и функцию коммутации (если это коммутирующие контакты). Из-за особенностей физических процессов, протекающих в них при прохождении тока, контакты по сравнению с ТВС требуют отдельного подхода.
Дугогасительная система (ДС) предназначена для ускорения погасания дуги и уменьшения межконтактного промежутка. Это влияет 
на общие габариты электрического коммутационного аппарата.
Изоляционные конструкции служат для изолирования различных 
участков ТВС и других проводниковых элементов аппарата, находящихся под напряжением, друг от друга и от земли.
Привод предназначен для управления процессом коммутации контактов в коммутационных электрических аппаратах.
Вторичные цепи предназначены для управления аппаратом и мониторинга его состояния. Через эти же цепи аппарат связан с внешними 
системами измерения, контроля, диспетчеризации и т. п.

1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах

1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах

Общий для всех аппаратов признак — наличие токоведущих элементов, которые в зависимости от величины их сопротивления и тока 
нагреваются до определенных температур, обусловленных режимами 
работы аппаратов и условиями их охлаждения.

1.1.1. Нагрев элементов электрических аппаратов

Максимальные температуры нагрева ТВС в аппарате определяют 
допустимую величину номинального тока аппарата. Это, в свою очередь, ставит перед задачей теплового расчета следующие цели:
1) достижение минимальных потерь энергии в аппарате при минимальных затратах проводникового материала;
2) создание наиболее благоприятных и эффективных условий для 
естественного теплоотвода.
Использование средств и конструктивных решений для искусственного и принудительного охлаждения следует применять при отсутствии других способов для необходимого естественного теплоотвода. 
Искусственный теплоотвод следует считать мерой, понижающей эффективность и надежность аппарата в целом.
При выделении внутри аппарата теплоты и рассеивании ее в окружающем пространстве возможны несколько видов нагрева. Наиболее 
важные виды нагрева для аппаратов следующие:

1. Нестационарный нагрев. Выделяющаяся энергия расходуется 
на нагрев собственно аппарата и на теплообмен с окружающей средой. В общем виде этот нагрев может быть описан уравнением

 
W
W
W
тп
вн
то
=
+
D
,

где Wтп — энергия тепловых потерь, DWвн — изменение внутренней 
энергии, Wто — энергия теплоотдачи в окружающую среду.

2. Стационарный нагрев. Выделяющаяся энергия полностью расходуется на теплообмен с окружающей средой. Изменение внутренней энергии аппарата отсутствует.

 
W
W
W
тп
то
вн
=
=
,
.
D
0

Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 

3. Адиабатный нагрев. Выделяющаяся тепловая энергия полностью расходуется на нагрев аппарата, теплообмен с окружающей средой отсутствует. Такой вид нагрева характерен для режима тока короткого замыкания.
 
W
W
W
тп
вн
то
=
=
D
,
.
0

О нагреве резонно рассуждать в терминах температуры, а не энергии. В теории об электрических аппаратах температуру в градусах Цельсия обозначают греческой буквой «тета» — J. Тогда температура окружающей среды — J0 (или Jос). По ГОСТ эта температура принимается 
равной 40 °C.
Иногда удобнее говорить о превышении температуры над температурой окружающей среды, такое превышение называют перегревом 
и в теории аппаратов обозначают буквой «тау» — t. Тогда
 
t = J – J0.

К основным ограничительным факторам, которые влияют на величину допустимой температуры нагрева, можно отнести следующие:
1. Нагревостойкость изоляционных материалов. Токоведущие 
и нетоковедущие элементы аппарата, которые подвергаются нагреву 
и соприкасаются с изоляцией, не должны приводить к превышению 
температуры выше допустимой по классу нагревостойкости для данного изоляционного материала.

2. Механические свойства проводниковых и прочих конструкционных материалов, зависящие от температуры. Например, при медленном нагреве (в течение 2 часов) проволок из твердотянутой меди 
и алюминия их предел прочности на растяжение падает в несколько 
раз в диапазоне от 150 до 300 °C.

3. Окисление контактов. Для большинства контактных материалов 
повышенная температура нагрева приводит к быстрому образованию 
оксидной пленки, которая обладает сниженной проводимостью, что 
приводит к повышению сопротивления контактов. Это, в свою очередь, вызывает еще больший их нагрев, происходит прогрессирующее 
повышение температуры контактных деталей.

4. Температура вспышки паров трансформаторного масла в среднем составляет 135 °C.

5. Правила техники безопасности. У персонала, работающего с электрическим оборудованием, при случайном и кратковременном прикосновении к открытым нагретым частям не должно быть ожогов.