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 «РЭЛ-
ТЕК» 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 ; Мин-
во 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 электро-
энергетике» 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 кон-
кретную реализацию методик для исследования электрических аппа-
ратов. Описания алгоритмов, методик, используемых инструментов 
и приборов, исследуемого оборудования даются с учетом текущего тех-
нического оснащения кафедры «Техника высоких напряжений». Ла-
бораторные стенды, реализующие описанные алгоритмы исследова-
ний, расположены в помещениях кафедры. В главе также приведены 
контрольные вопросы, проработка которых поможет выполнить ла-
бораторные исследования и защитить по ним результирующие отче-
ты в рамках освоения соответствующей дисциплины.

ВВЕДЕНИЕ

Р

азвитие современной российской энергетики невозможно без 
широкого использования эффективных высоковольтных элек-
трических аппаратов. Перспективы развития коммутационной 
аппаратуры высокого напряжения связаны с поиском новых высоко-
эффективных технических решений и замены находящихся в эксплу-
атации устаревших, экономически невыгодных электрических аппа-
ратов. Современные требования к электрическим аппаратам таковы: 
повышение надежности, снижение массогабаритных показателей, эко-
логическая чистота, экономичность. Решение этих задач достигается 
созданием электрических аппаратов с управляемой коммутацией, по-
иском 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 элегазо-
вых и вакуумных аппаратов позволяет значительно повысить надеж-
ность и экономичность их эксплуатации в энергосистемах.
Элегазовые автокомпрессионные дугогасительные устройства с ав-
тогенерацией давления элегаза энергией дуги позволяют значительно 
повысить отключающую способность выключателя и увеличить на-
пряжение на один разрыв до 360–550 кВ. При этом конструкция эле-
газового выключателя значительно упрощается и становится возмож-
ным применение экономичных пружинных приводов.
Использование одноразрывных элегазовых выключателей в ком-
плектных распределительных устройствах дает существенное сниже-
ние габаритных размеров и материалоемкости, что позволяет создать 
КРУЭ нового поколения с уменьшенными размерами и размещени-
ем 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 выключате-
лями на напряжение свыше 35 кВ взамен элегазовых. Доля вакуумных 
выключателей и КРУ на их основе будет расти опережающими темпа-
ми в классах напряжения до 220 кВ.
Перспективным направлением развития коммутационной аппара-
туры является разработка комбинированных аппаратов, применение 
которых позволяет отказаться от использования традиционных разъе-
динителей. К таким аппаратам относятся выключатели-разъедините-
ли. Контакты такого выключателя расположены внутри заполненно-
го элегазом дугогасительного устройства и в отключенном положении 
выполняют функцию разъединителя. Безопасность работы персона-
ла такой аппарат обеспечивает надежной системой блокировки в со-
четании с встроенным выключателем и четкой фиксацией положе-
ния контактов.
Современная электроэнергетика в условиях либерализации рынка 
требует повышения точности расчетов потребляемой энергии, что вы-
зывает необходимость разработки серии новых высоковольтных изме-
рительных трансформаторов тока и напряжения с элегазовой изоля-
цией. 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 невоз-
можно без проведения глубокой исследовательской работы при про-
ектировании. Исследовать необходимо основные процессы и явления, 
сопровождающие работу высоковольтных аппаратов, а также эксплу-
атационную надежность создаваемых конструкций.

Глава 1.  
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

К

аждый электрический аппарат в своей конструкции содержит 
определенный набор систем и элементов. Наиболее распро-
страненные из них перечислены ниже.
Токоведущая система (ТВС) предназначена для проведения тока че-
рез электрический аппарат и конструктивно может содержать в себе 
участки и элементы из разных материалов разной геометрической фор-
мы, сечения и конструктивного исполнения. Поскольку все эти участ-
ки ТВС необходимо стыковать между собой, то особое внимание тре-
буется уделять зонам контактных переходов между ними.
Электрические контакты входят в состав ТВС, но, помимо функции 
пропускания тока через себя, могут обеспечивать и функцию комму-
тации (если это коммутирующие контакты). Из-за особенностей фи-
зических процессов, протекающих в них при прохождении тока, кон-
такты по сравнению с ТВС требуют отдельного подхода.
Дугогасительная система (ДС) предназначена для ускорения пога-
сания 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, находя-
щихся под напряжением, друг от друга и от земли.
Привод предназначен для управления процессом коммутации кон-
тактов в коммутационных электрических аппаратах.
Вторичные цепи предназначены для управления аппаратом и мони-
торинга 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 эле-
ментов, 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 оче-
редь, ставит перед задачей теплового расчета следующие цели:
1) достижение минимальных потерь энергии в аппарате при мини-
мальных затратах проводникового материала;
2) создание наиболее благоприятных и эффективных условий для 
естественного теплоотвода.
Использование средств и конструктивных решений для искусствен-
ного и принудительного охлаждения следует применять при отсут-
ствии других способов для необходимого естественного теплоотвода. 
Искусственный теплоотвод следует считать мерой, понижающей эф-
фективность и надежность аппарата в целом.
При выделении внутри аппарата теплоты и рассеивании ее в окру-
жающем 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 сре-
дой. 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 рас-
ходуется на теплообмен с окружающей средой. Изменение внутрен-
ней энергии аппарата отсутствует.

 
W
W
W
тп
то
вн
=
=
,
.
D
0

Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 

3. Адиабатный нагрев. Выделяющаяся тепловая энергия полно-
стью расходуется на нагрев аппарата, теплообмен с окружающей сре-
дой отсутствует. Такой вид нагрева характерен для режима тока ко-
роткого замыкания.
 
W
W
W
тп
вн
то
=
=
D
,
.
0

О нагреве резонно рассуждать в терминах температуры, а не энер-
гии. В теории об электрических аппаратах температуру в градусах Цель-
сия обозначают греческой буквой «тета» — J. Тогда температура окру-
жающей среды — J0 (или Jос). По ГОСТ эта температура принимается 
равной 40 °C.
Иногда удобнее говорить о превышении температуры над темпера-
турой 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 ве-
личину 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 дан-
ного изоляционного материала.

2. Механические свойства проводниковых и прочих конструкци-
онных материалов, зависящие от температуры. Например, при мед-
ленном 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 оче-
редь, вызывает еще больший их нагрев, происходит прогрессирующее 
повышение температуры контактных деталей.

4. Температура вспышки паров трансформаторного масла в сред-
нем составляет 135 °C.

5. Правила техники безопасности. У персонала, работающего с элек-
трическим оборудованием, при случайном и кратковременном при-
косновении к открытым нагретым частям не должно быть ожогов.

1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах

С учетом того, что элементы ТВС, корпуса, контактов и изоляции 
аппаратов изготавливаются из разных материалов, и того, что эти эле-
менты работают в разных средах и режимах нагрева, допустимый ди-
апазон рабочих температур для большинства материалов, элементов 
и условий составляет 90÷120 °C.

1.1.2. Основные источники тепла в электрических аппаратах

Джоулево тепло. Выделение тепла в проводниках при прохождении 
по ним тока описывается известным законом Джоуля — Ленца:

 
W
I R dt

t

тп
э
= т
2

0
,

где I — ток в цепи, А; R
f t
э =
( ) — сопротивление цепи в функции вре-
мени, Ом; t — длительность протекания тока, с.
Формулу можно применять как при постоянном, так и при пере-
менном токах, если под током в цепи подразумевать действующее зна-
чение тока.
В случае однородного проводника при его постоянной температу-
ре и неизменной величине тока (амплитуды тока) в нем формула по-
терь получает вид
 
W
I R t
тп
э
=
2
,

на постоянном токе:

 
R
S
э
э

с

= r
 ,

где rэ — удельное электрическое сопротивление проводника, Ом·м; 
 — длина проводника, м; Sс — площадь поперечного сечения прово-
дника, м 2;
на переменном токе:

 
R
R
k
э.перем
э
дп
=
Ч
,

где k
k
k
дп
пэ
эб
=
Ч
 — коэффициент добавочных потерь, определяемый 
произведением коэффициентов поверхностного эффекта kпэ и эффек-
та близости kэб.