История электротехники - Коллектив авторов

В 50-х и начале 60-х годов возникла потребность в повышении рабочих напряжений ЭА (до 400 кВ и выше) для дальних линий электропередачи, а также для широкого внедрения систем автоматизации в различных областях промышленности. В результате в научных учреждениях и на промышленных предприятиях отечественного электроаппаратостроения в эти годы были созданы все необходимые виды ЭА для оснащения линий передачи 400 кВ.

В 1890 г. во Франции впервые была синтезирована шести фтористая сера SF6, и во всем мире этот газ известен именно под этим названием. Только в России с 1947 г. этот газ называется элегазом — электрическим газом, это название дано шестифтористой сере Б.М. Гохбергом, который еще перед войной начал изучать электрические свойства этого удивительного газа в связи с проводившимися в его лаборатории работами по созданию высоковольтных электростатических ускорителей заряженных частиц. Им же впервые были высказаны предположения о возможности применения элегаза в качестве изоляционной среды оборудования высокого напряжения не только электрофизического, но и энергетического назначения — конденсаторов, трансформаторов, кабелей. Исследования отечественных ученых по применению элегаза велись по четырем основным направлениям:

получение экспериментальных данных по электрической прочности отдельных видов чисто газовых промежутков, в том числе типовых для изоляционных узлов элегазовых аппаратов (А.Г. Арсон, В.Н. Борин, А.Л. Виленчук, М.И. Сысоев, О.Н. Щербина). На базе экспериментальных данных строились инженерные методы расчета элегазовой изоляции;

изучение электрической прочности вдоль поверхности твердого диэлектрика в элегазе, разработка инженерных методов расчета напряжения поверхностного разряда и конструирование на этой основе изоляторов для элегазового оборудования (В.Н. Борин, В.Н. Вариводов, А.Л. Виленчук, А.Л. Петерсон, О.Н. Щербина);

изучение физики пробоя элегаза, построение физически обоснованного метода расчета элегазовой изоляции (И.М. Бортник, В.П. Вертиков, А.А. Панов);

изучение химических процессов в элегазовой изоляции, в том числе происходящих под действием электрических разрядов, изучение процессов взаимодействия элегаза, примесей в нем и продуктов его разложения в электрическом разряде с проводниковыми и диэлектрическими материалами, разработка на этой основе методов обеспечения стабильных характеристик элегаза и конструкционных материалов (В.Г. Аракелян).

Надо отметить, что по всем четырем перечисленным направлениям отечественные работы по научному уровню не отставали от уровня зарубежных исследований, а иногда и опережали их.

Создание дальних линий передачи напряжением 750 кВ также потребовало разработки новых высоковольтных ЭА, которые были успешно разработаны и внедрены в эксплуатацию.

Важнейшей частью большинства видов ЭА являются контакты. Поэтому создание эффективных ЭА неразрывно связано с разработкой научных основ в этой области. Многочисленные исследования контактных явлений с использованием научных достижений в электродинамике и теплопередаче позволяли развивать теоретические основы проектирования контактов. Основными движущими факторами в этом направлении являлись уменьшение потерь мощности, улучшение массогабаритных характеристик и уменьшение стоимости ЭА. Научные достижения на этих направлениях нашли воплощение в создании теории композиционных жидкометаллических контактов.

Исторически жидкометаллические контакты появились одновременно с первыми электротехническими устройствами, в которых осуществлялась коммутация тока с неподвижной части на подвижную. Однако их развитие замедлилось в связи с тем, что в качестве жидкого металла, как правило, использовалась ртуть, являющаяся сильным токсичным элементом. В то же время преимущества жидкометаллических контактов — малые потери энергии, возможность работы в экстремальных условиях и др. — сделали научно-исследовательские работы в этой области актуальными. В результате в конце 50-х и начале 60-x годов под руководством Н.Е. Лысова начали проводиться широкомасштабные научные исследования по созданию жидкометаллических контактов на основе нетоксичных элементов и их сплавов. Дальнейшее развитие эти работы получили в ряде научных коллективов СССР под руководством В.Г. Дегтяря, B.C. Зарецкаса, Л.Н. Тучинского и др. В результате этих работ были развиты основы теории жидкометаллических контактов и создан широкий класс композиционных контактных элементов с жесткими и эластичными каркасами, переходное сопротивление которых очень мало, является стабильным и не зависит от положения в пространстве и направления силовых воздействий.

С середины 60-х годов во всех развитых государствах мира, включая СССР, начинается массовое производство полупроводниковых приборов, применение которых в электроаппаратостроении оказало существенное влияние на технико-экономические характеристики различных видов ЭА, особенно низкого напряжения. В результате внедрения усилителей, функциональных преобразователей и других полупроводниковых устройств стало возможным повысить быстродействие контакторов и реле за счет форсирования режимов включения и отключения, расширить их функциональные возможности.

В этот период были созданы и внедрены первые гибридные ЭА, сочетающие достоинства электромагнитных и полупроводниковых ЭА. Одновременно были существенно улучшены конструкции электромагнитных ЭА за счет использования новых, высокоэффективных электрических материалов. Это позволило улучшить массогабаритные показатели ЭА.

Промышленное освоение мощных тиристоров стало основой для возрождения и расширения работ по созданию высоковольтных линий электропередачи постоянного тока. Для оснащения этих линий потребовались новые виды выключателей, разъединителей, предохранителей и других видов ЭА. Так, например, для защиты тиристорных преобразователей потребовалось разработать специальные быстродействующие ЭА на основе жидких металлов.

С середины 80-х годов начала интенсивно развиваться силовая электроника. На основе достижений электронных технологий были созданы силовые полупроводниковые приборы, отличающиеся полной управляемостью, низким потреблением энергии на управление и высоким быстродействием. Использование нового поколения силовых электронных приборов в сочетании с достижениями в области микроэлектронных технологий позволило создавать принципиально новые виды бесконтактных ЭА, сочетающих функции регулирования, контроля, диагностики и защиты. В этом смысле в 90-х годах стало возможным говорить о новом поколении «интеллектуальных» ЭА.

6.4.2. АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Выключатели высокого напряжения. Выключатель является одним из основных видов ЭА, обеспечивающих включение и отключение электрических цепей с различными токами, в том числе токами перегрузки и коротких замыканий.

В начале XX в. появились первые выключатели, в которых гашение дуги происходило под воздействием продуктов разложения минерального масла. Поэтому такие выключатели получили название масляных. Конструктивно первые выключатели были выполнены в виде бака с трансформаторным маслом, в котором располагались неподвижные части контактов. Подвижная часть контактов прикреплялась к траверсе, подвешенной на вертикальных бакелитовых трубках. Эти стержни соединялись с конструктивными элементами приводного механизма. В каждой фазе контакт обеспечивался двумя неподвижными контактами и одной траверсой. В результате обеспечивалось два разрыва цепи на каждую фазу и соответственно в процессе коммутации возникало две дуги. Гашение дуги обеспечивалось за счет увеличения ее длины при движении траверсы и воздействия продуктов разложения масла, возникающих под воздействием высокой температуры дуги. Эти продукты в виде газового пузыря создавали дугогасящую среду, и при прохождении тока через нуль происходил процесс деионизации и восстановления электрической прочности между разрывными контактами. Трансформаторное масло служило одновременно изоляцией токоведущих частей от заземленного корпуса бака.

Первые отечественные масляные выключатели были разработаны на напряжение от 6 до 110 кВ. Среди них были как однобаковые выключатели типа МА-5, ВМ-12, так и трехбако-выетипаМВ-18, МВ-24.

Большое значение при создании ЭА имеет теория электрической дуги. Исследования методов гашения электрической дуги для ЭА были проведены в период 1910–1914 гг. М.О. Доливо-Добровольским, и им впервые предложено использовать для этих целей магнитное дутье, обеспечивающее гашение длинной дуги в узких щелях специальных дугогасительных камер.

В начале XX в. были заложены основы теории электрической дуги по результатам исследований, выполненных в 1902 г. англичанкой Тертой Айртон и в 1905 г. русским ученым В.Ф. Миткевичем. Основополагающими для развития теории дуги явились выводы об ее электронной природе, а также установление зависимостей между током дуги, ее длиной и напряжением.