Техника и электрофизика высоких напряжений

Е. КУФФЕЛЬ, В. ЦАЕНГЛЬ, ДЖ. КУФФЕЛЬ





                ТЕХНИКА
                И ЭЛЕКТРОФИЗИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ




Перевод с английского С.М. Смольского под редакцией И.П. Кужекина







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

   Е. Куффель, В. Цаенгль, Дж. Куффель
     Техника и электрофизика высоких напряжений. Пер. с англ.: Учебносправочное руководство / Е. Куффель, В. Цаенгль, Дж. Куффель — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 520 с.
   ISBN 978-5-91559-053-2

     Перевод второго издания известного руководства по электрофизике и технике высоких напряжений.
     Авторы — известные специалисты из Канады и Швейцарии. Основные разделы книги — создание и измерение высоких напряжений, пробой в газах, жидких и твердых диэлектриках, неразрушающий контроль изоляции, перенапряжения, проектирование внешней изоляции и испытания высоковольтной аппаратуры.
     Для студентов и преподавателей инженерно-физических и энергетических специальностей, инженеров-разработчиков и практиков.








                                                          High Voltage Engineering

                                                          Fundamentals

                                                          Second edition
E. Kuffel
                                                          Dean Emeritus,
                                                          University of Manitoba,
                                                          Winnipeg, Canada
                                                          W.S. Zaengl
                                                          Professor Emeritus,
                                                          Electrical Engineering Dept.,
                                                          Swiss Federal Institute of Technology,
                                                          Zurich, Switzerland
J. Kuffel
                                                          Manager of High Voltage and Curren t Laboratories,
                                                          Ontario Hydro Technologies,
                                                          Toronto, Canada


                                        Newnes
                                        OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEW DELHI
    ISBN 978-5-91559-053-2
    ISBN 978-0-7506-3634-6 (англ.)
                                       © 2000, Elsevier Ltd
                                       © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие к второму изданию....................................9
    Предисловие к первому изданию.................................. 12

    Глава 1
    ВВЕДЕНИЕ....................................................... 13
       1.1. Производство и передача электрической энергии.......... 13
       1.2. Рабочее напряжение. Перенапряжения..................... 17
       1.3. Испытательные напряжения............................... 17
          1.3.1. Испытание напряжением промышленной частоты........ 18
          1.3.2. Испытание грозовыми импульсами напряжения......... 18
          1.3.3. Испытание коммутационными импульсами.............. 18
          1.3.4. Постоянное напряжение............................. 19
          1.3.5. Испытания очень низкочастотным напряжением........ 19
       Литература...................................................20

    Глава 2 ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ...................................21
       2.1. Постоянное напряжение...................................22
          2.1.1. Преобразование переменного напряжения в постоянное.23
          2.1.2. Электростатические генераторы......................35
       2.2. Переменное напряжение...................................40
          2.2.1. Испытательные трансформаторы.......................42
          2.2.2. Резонансные испытательные установки................48
       2.3. Импульсные напряжения...................................56
          2.3.1. Схемы генераторов импульсных напряжений............59
          2.3.2. Конструкции импульсных генераторов.................71
       2.4. Системы управления и контроля...........................77
       Литература...................................................77

    Глава 3 ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ....................................80
       3.1. Измерения максимальных напряжений с помощью искровых разрядников..................................................82

_1 Оглавление

           3.1.1. Шаровые разрядники...................................82
           3.1.2. Эталонные измерительные системы......................93
           3.1.3. Разрядники с однородным  полем.......................95
           3.1.4. Стержневые разрядники................................95
       3.2. Электростатические вольтметры..............................97
       3.3. Добавочные резисторы с микроамперметрами. Делители напряжения с высокоомными резисторами.....................................99
       3.4. Роторные вольтметры и флюксметры......................... 109
       3.5. Измерение максимальных значений напряжения............... 111
           3.5.1. МетодЧуба—Фортескью................................ 112
           3.5.2. Делители напряжения и пассивные выпрямительные цепи. 114
           3.5.3. Активные схемы с пиковым считыванием............... 118
           3.5.4. Конденсаторы высокого напряжения для измерительных схем.... 120
       3.6. Измерение импульсных напряжений с помощью делителей...... 129
           3.6.1. Принципы генерации напряжения и обобщенная измерительная цепь........................................ 130
           3.6.2. Требования к передаточным характеристикам измерительной системы................................................... 133
           3.6.3. Основы вычислений в измерительной системе.......... 141
           3.6.4. Делители напряжения................................ 147
           3.6.5. Связь между параметрами делителя напряжения и его выводов............................................. 163
           3.6.6. Плечо низкого напряжения делителя.................. 170
       3.7. Быстрые цифровые регистраторы переходных процессов для импульсных измерений..................................... 174
           3.7.1. Принципы и историческое развитие цифровых регистраторов переходных процессов...................................... 176
           3.7.2. Собственные ошибки в цифровых регистраторах........ 179
           3.7.3. Характеристики аналого-цифровых регистраторов и параметры, требуемые при испытаниях высокими    напряжениями......... 183
           3.7.4. Тенденции.......................................... 195
       Литература.................................................... 196

    Глава 4
    ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ..................................201
       4.1. Распределение напряженности электрического поля и пробивные напряжения изоляционного материала............................201
       4.2. Поля в однородных изотропных материалах...................205
           4.2.1. Электродные конфигурации с однородным полем.........206
           4.2.2. Коаксиальные цилиндрические и сферические поля......209
           4.2.3. Электродные системы шар—шар и шар—плоскость.........214
           4.2.4. Два параллельных цилиндрических провода.............218
           4.2.5. Искажения поля проводящими элементами...............221

Оглавление

Л

5

       4.3. Поля в комбинированных изоляционных системах из изотропных

          материалов...................................................226
          4.3.1. Простые конфигурации..................................226
          4.3.2. Диэлектрическое преломление...........................230
          4.3.3. Регулирование напряженности поля с помощью экранов с плавающим потенциалом......................................233
       4.4. Численные методы...........................................239

          4.4.1. Метод конечных разностей (МКР).........................240
          4.4.2. Метод конечных элементов (МКЭ)........................244
          4.4.3. Метод эквивалентных зарядов (МЭЗ).....................254
          4.4.4. Метод граничных элементов (МГЭ).......................266
       Литература......................................................275


    Глава 5 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В ГАЗАХ.....................................278
       5.1. Законы классического газа................................278
          5.1.1. Распределение молекул по скоростям..................282
          5.1.2. Длина свободного пробега молекул и электронов.......284
          5.1.3. Распределение длин свободного пробега...............287
          5.1.4. Передача энергии при столкновении...................288
       5.2. Процессы ионизации и разрушения..........................291
          5.2.1. Коэффициент первичной ионизации Таунсенда...........293
          5.2.2. Фотоионизация.......................................297
          5.2.3. Ионизация взаимодействием метастабилей с атомами....298
          5.2.4. Термическая ионизация...............................299
          5.2.5. Рекомбинация........................................299
          5.2.6. Формирование отрицательного иона при прилипании.....301
          5.2.7. Подвижность ионов и деионизация диффузией...........307
          5.2.8. Соотношение между диффузией и подвижностью..........311
       5.3. Вторичные эффекты на катоде..............................313
          5.3.1. Фотоэлектрическая эмиссия...........................314
          5.3.2. Эмиссия электронов с катода положительными ионами и возбужденными атомами....................................314
          5.3.3. Термоионная эмиссия.................................315
          5.3.4. Автоэлектронная эмиссия.............................316
          5.3.5. Коэффициент вторичной ионизации Таунсенда...........318
          5.3.6. Вторичная фотоионизация.............................319
       5.4. Переход от несамоподдерживающего разряда к самостоятельному пробою........................................................321
          5.4.1. Механизм Таунсенда..................................321
       5.5. Стримерный механизм разряда..............................323
       5.6. Закон Пашена.............................................329
       5.7. Эффект Пеннинга......................................... 335
       5.8. Разрядная напряженность поля Еь..........................336

_1 Оглавление

       5.9. Пробой в неоднородных полях..............................338
      5.10. Влияние прилипания электронов на критерии пробоя.........340
      5.11. Частичный пробой, коронные разряды..........................344
           5.11.1. Положительные, или анодные, короны............... 344
           5.11.2. Отрицательная (катодная) корона......................347
      5.12. Эффект полярности — влияние объемного заряда.............348
      5.13. Повышение разрядного напряжения при малых временах воздействия....................................................353
           5.13.1. Пробой при импульсных напряжениях.................354
           5.13.2. Вольт-секундные характеристики....................355
           5.13.3. Экспериментальные исследования времени запаздывания..356
       Литература....................................................359

    Глава 6
    ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.............................361
       6.1. Пробой в твердых диэлектриках............................361
           6.1.1. Внутренний пробой твердого диэлектрика.............363
           6.1.2. Лавинный пробой....................................366
           6.1.3. Электромеханический пробой.........................367
           6.1.4. Разряд у острых кромок и образование дендритов.....368
           6.1.5. Тепловой пробой....................................370
           6.1.6. Электрохимическое старение.........................375
           6.1.7. Трекинг............................................378
       6.2. Пробой в жидкостях.......................................379
           6.2.1. Ударный механизм...................................380
           6.2.2. Механизм пробоя при наличии взвешенных твердых частиц.381
           6.2.3. Разряд в газовых включениях........................384
           6.2.4. Электроконвекционная и электродинамическая модели пробоя жидких диэлектриков.......................................384
       6.3. Статическая электризация в силовых трансформаторах.......386
       Литература....................................................388

    Глава 7
    МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ..........................389
       7.1. Динамические свойства диэлектриков.......................389
           7.1.1. Динамические свойства во временной области.........392
           7.1.2. Динамические свойства в частотной области..........398
           7.1.3. Моделирование диэлектрических параметров...........400
           7.1.4. Применения старения изоляции.......................403
       7.2. Измерения тангенса угла диэлектрических потерь и емкости.405
           7.2.1. Мост Шеринга.......................................406
           7.2.2. Токовые компараторные мосты........................410
           7.2.3. Измерение tg£......................................412
           7.2.4. Нулевые детекторы..................................413

Оглавление -*J   7

   7.3. Измерения частичных разрядов..............................414
       7.3.1. Основная схема возникновения ЧР.....................416
       7.3.2. Токи, вызванные ЧР..................................420
       7.3.3. Измерительные системы в схемах тестирования ЧР......422
       7.3.4. Измерительные системы регистрации кажущегося заряда...425
       7.3.5. Источники помех и снижение их уровня................438
       7.3.6. Использование цифровых устройств для обнаружения ЧР...441
       7.3.7. Калибровка детекторов ЧР в полной испытательной схеме.443
       7.3.8. Цифровые приборы для измерения характеристик ЧР.....444
   Литература.....................................................447

Глава 8
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, КООРДИНАЦИЯ И ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ....................450
   8.1. Физические процессы грозового разряда.....................450
       8.1.1. Энергия молнии......................................454
       8.1.2. Опасность поражения молнией.........................455
   8.2. Электрическая прочность воздушных промежутков и гирлянд изоляторов при грозовых импульсах..............................455
   8.3. Разрядные напряжения различных промежутков при коммутационных напряжениях....................................................458
   8.4. Лабораторные испытания при высоких напряжениях и статистическая обработка результатов..........................................461
       8.4.1. Воздействие на диэлектрик напряжения промышленной частоты.....................................................462
       8.4.2. Характеристики изоляционного материала..............462
       8.4.3. Случайный характер появления разряда................462
       8.4.4. Виды изоляционных материалов........................463
       8.4.5. Типы воздействий, используемых при испытаниях объектов высоким напряжением.........................................463
       8.4.6. Погрешности и доверительный интервал................468
       8.4.7. Процедуры лабораторных испытаний....................468
       8.4.8. Стандартные процедуры испытаний.....................472
       8.4.9. Испытание напряжением промышленной частоты..........473
       8.4.10. Распределение измеренных вероятностей пробоя (уверенность при измерении Р(U))...........................473
       8.4.11. Доверительные интервалы в вероятности пробоя.......476
   8.5. Значимость измеренных вероятностей пробоя.................477
       8.5.1. Подбор наилучшего нормального распределения.........477
   8.6. Координация изоляции......................................479
       8.6.1. Уровень изоляции....................................480
       8.6.2. Статистический подход к координации изоляции........483
       8.6.3. Связь между уровнями изоляции и защиты..............486
   8.7. Современные устройства защиты энергетических систем.......487
       8.7.1. Металлооксидные ограничители перенапряжений.........487
   Литература.....................................................494

-JU Оглавление

Глава 9
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ.......................496
    9.1. Работа в загрязненной среде..............................496
    9.2. Механизм поверхностного пробоя изоляторов при переменном и постоянном напряжениях.......................................497
       9.2.1. Модель поверхностного разряда загрязненных изоляторов.498
    9.3. Измерения и испытания....................................499
       9.3.1. Определение длины утечки изоляторов.................500
       9.3.2. Определение степени загрязнения.....................502
       9.3.3. Испытание загрязнения...............................502
       9.3.4. Процедура загрязнения при испытании чистым туманом..505
       9.3.5. Процедура испытания чистым туманом..................505
       9.3.6. Характеристики тумана...............................506
    9.4. Снижение поверхностных пробоев из-за загрязнения.........506
       9.4.1. Использование изоляторов оптимизированных форм..... 507
       9.4.2. Периодическая чистка................................507
       9.4.3. Покрытие смазкой....................................507
       9.4.4. Покрытие с вулканизацией при комнатной температуре..507
       9.4.5. Изоляторы с резистивной глазурью....................508
       9.4.6. Применение некерамических изоляторов................509
    9.5. Конструкцииизоляторов....................................509
       9.5.1. Керамические изоляторы..............................512
       9.5.2. Полимерные изоляторы................................512
    9.6. Испытания и спецификации.................................515
       9.6.1. Обследование при работе и режимы отказов............516
    Литература....................................................517

            ПРЕДИСЛОВИЕ
            К ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ








           Первое издание (1984 г.), также как и предшествующее пособие, изданное Куффелем и Абдаллахом в 1970 г. и переведенное на японский и китайский языки, получило широкое международное признание как базовое пособие для обучения студентов всех курсов в области техники высоких напряжений. Оба пособия широко использовались практикующими инженерами, вовлеченными в проектирование оборудования высокого напряжения и работу с ним. В течение этих лет авторы получили многочисленные комментарии от читателей с полезными советами по улучшению книги. Они включены в настоящее издание. Основные изменения и дополнения некоторых глав обусловлены развитием техники высоких напряжений за последние два десятилетия.
    Как и в предшествующем издании, основной целью книги является описание основ техники лабораторий высокого напряжения, обеспечение понимания высоковольтных явлений и изложение основ проектирования изоляции высокого напряжения вместе с представлением об аналитических и современных численных методах расчетов, доступных для проектировщиков оборудования высокого напряжения.
    В гл. 1 представлены вводные сведения в технику высокого напряжения, включающие понятия передачи электроэнергии, градиента электрического напряжения и испытания с разными типами напряжения. В гл. 2 дается описание аппаратуры, используемой при генерации постоянного, переменного и импульсного напряжений. Эти первые две вводные главы вставлены повторно из первого издания с небольшими изменениями.
    Гл. 3 посвящена измерениям на высоком напряжении. Она подверглась серьезным изменениям в содержании, чтобы отразить замену аналоговой измерительной базы на приборы, ориентированные на цифровые измерения. Описаны фундаментальные принципы работы цифровых регистраторов, используемых для измерений на высоком напряжении, объясняются характеристики цифровых приборов, соответствующих применению при импульсных испытаниях.
    В гл. 4 изложены численные методы расчетов электрических полей. Она в основном включает материал предшествующего издания, но раздел аналоговых методов расчета заменен описанием более современного метода конечных элементов.

¹⁰ -V

Предисловие к второму изданию

     Гл. 5 предыдущего издания посвящена процессам пробоя в газообразной, жидкой и твердой изоляции. В новом издании эти вопросы описаны в двух главах. Новая гл. 5 рассматривает электрический пробой в газах. Гл. 6 текущего издания охватывает процессы электрического пробоя в жидких и твердых диэлектриках.
     Гл. 7 нового текста включает расширение гл. 6 предыдущей книги. Дополнительные разделы содержат короткое, но фундаментальное введение в диэлектрические свойства материалов, описывают методы диагностики и неразрушающих испытаний, применяемых также при контроле на месте изоляции силового оборудования. Расширенное рассмотрение является отражением возрастающего интереса к развитию диагностической и испытательной техники на месте в электроэнергетике. Эта область представляет то, что, возможно, наиболее быстро выявляется при испытании высоким напряжением. Текущие настойчивые усилия в направлении прекращения регулирования энергетической отрасли, скомбинированные с фактом, что многие из аппаратов, комплектующих мировые системы генерации электроэнергии и ее распространения, стареют, приводят к давящей необходимости развития методов «в процессе обслуживания» или, по крайней мере, «на месте», которые можно применять, чтобы определить состояние различных типов активов системы. Оценка остаточного ресурса большинства электрооборудования, повышение знаний обслуживающего персонала, оптимизированного как с технической, так и с экономической точек зрения, становятся решающими факторами функционирования электроэнергетических систем. Гл. 7 дает введение и обзор фундаментальных аспектов испытаний «на месте» с некоторыми практическими примерами, иллюстрирующими текущую практику.
     Гл. 8 есть расширение гл. 7 предыдущего издания. Однако, в дополнение к теме явлений молнии, перенапряжениям из-за переключений, координации изоляции, она рассматривает статистические методы обработки результатов измерений при испытаниях импульсным напряжением и дает обзор по вентильным разрядникам и металлооксидным ограничителям перенапряжений. Статистические методы импульсных испытаний являются основным инструментом, применяемым при координации изоляции. По существу, понимание этих методов ведет к более ясному пониманию основ координации изоляции. Точно так же понимание работы и применения металлооксидных ограничителей напряжения является составной частью сегодняшних техник координации изоляции.
     Гл. 9 посвящена конструктивному выполнению, применению и испытанию устройств внешней изоляции. В нее включены сведения как о керамических, так и о композиционных изоляторах. Внешние изоляторы представляют один из наиболее критических компонентов систем передачи и распределения. В то время как имеется значительный опыт в применении керамических изоляторов, композиционные изоляторы являются сравнительно новой и быстро развивающейся технологией, которая имеет ряд эксплуатационных преимуществ по своим характеристикам и экономичности по сравнению с обычными ке