Техника высоких напряжений

ТЕХНИКА 
ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНИК

В.Ф. ВАЖОВ
В.А. ЛАВРИНОВИЧ

Рекомендовано 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 537-77(075.8)
ББК 31.24я73
 
В12

Важов В.Ф.
Техника высоких напряжений : учебник / В.Ф. Важов, В.А. Лавринович. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 262 с. + Доп. материалы 
[Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 
10.12737/8530.

ISBN 978-5-16-010565-9 (print)
ISBN 978-5-16-102587-1 (online)

Изложены основы техники высоких напряжений применительно к электроэнергетике. Освещены физические аспекты электроразрядных процессов 
в газообразных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках. Описаны 
конструкции внешней изоляции линий электропередачи и подстанций; рассмотрены основные принципы построения изоляции оборудования высокого 
напряжения (силовых трансформаторов, высоковольтных конденсаторов, кабелей, электрических машин, коммутационных аппаратов); кратко освещены 
вопросы назначения и построения высоковольтных испытательных установок, 
испытания и измерения, а также описаны внутренние и атмосферные перенапряжения в электрических системах, меры и средства защиты от них.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 
«Электроэнергетика и электротехника», также может быть полезен инженернотехническим работникам предприятий, энергосистем и проектных институтов.

УДК 537-77(075.8) 
ББК 31.24я73

В12

©  Важов В.Ф., Лавринович В.А., 2015
ISBN 978-5-16-010565-9 (print)
ISBN 978-5-16-102587-1 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник для студентов, получающих степень бакалавра по направлению «Электроэнергетика», состоит из четырех глав, охватывающих основополагающие разделы курса «Техника высоких напряжений»:
• электрические разряды в диэлектрических средах;
• высоковольтное испытательное оборудование;
• изоляция высоковольтного оборудования;
• перенапряжения в электрических системах.
Изложение базируется на основных положениях курсов общей 
физики, высшей математики, теоретических основ электротехники, 
электротехнических материалов и произведено с учетом последних 
достижений в рассматриваемых областях, а содержание учебника 
соответствует утвержденным стандарту и программам подготовки 
бакалавров по направлению 140200 «Электроэнергетика».
Учебник написан сотрудниками кафедры «Электроэнергетические системы» Энергетического института Томского политехнического университета.
Для более углубленного изучения отдельных разделов курса 
в конце каждой главы представлены контрольные вопросы и список 
литературы.
Замечания и предложения по улучшению учебника просим направлять по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, ТПУ, ЭНИН, кафедра ЭЭС.

ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтная техника занимает важное место в развитии 
электроэнергетики России XXI в. при рассмотрении вопросов передачи все возрастающих мощностей электрической энергии 
на большие расстояния и обеспечения стабильной работы электроэнергетических систем. Основное предназначение высокого напряжения при электропередаче заключается в увеличении передаваемой 
мощности, которая возрастает пропорционально квадрату номинального напряжения. В связи с этим большое значение приобретают 

вопросы создания нового и совершенствования существующего комплекса высоковольтного оборудования для генерирования, передачи 
и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, конденсаторов, изоляции линий электропередачи и подстанций.
Другое важное применение высоковольтной техники — использование в электрофизических установках для решения задач мощной 
импульсной энергетики: ускорителях пучков заряженных частиц, 
мощных лазерах, установках управляемого термоядерного синтеза. 
Высокое напряжение применяется в технологических процессах, 
таких как электросепарация, электрофильтрация, электроокраска, 
магнитоимпульсная обработка, электрогидравлическая штамповка, 
плазмохимия, озонирование. Особая роль принадлежит быстроразвивающейся области высоковольтной техники — синтезу наноструктурных материалов с принципиально новыми свойствами. Синтез 
таких материалов проводится в специальных установках при воздействии концентрированных потоков энергии в виде потоков плазмы 
и пучков заряженных частиц. Основным элементом таких спецустановок является высоковольтный импульсный генератор. В связи 
с этим изучение основ высоковольтной техники имеет важное научное и прикладное значение для дальнейшего прогресса в области 
электрофизики, для проектантов и разработчиков высоковольтного 
оборудования и для служб эксплуатации в электроэнергетике.

ГЛАВА 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ 
В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ

Газовые разряды в зависимости от давления газа, конфигурации 
электродной системы, мощности источника питания подразделяются на коронный, тлеющий, искровой, дуговой и т.д. Разряды 
в газах зажигаются благодаря ионизационным взаимодействиям 
электронов и фотонов с атомами и молекулами газа, приводящим 
к генерации и умножению электронов и ионов и образованию 
плазмы.

1.1.1. Виды электрических полей
Многообразие видов электрических полей подразделяется на однородные, слабонеоднородные, резконеоднородные. Типичным 
примером однородного поля является поле между двумя плоско-параллельными электродами с закругленными краями, слабонеоднородное поле образуется в сферической системе электродов при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S/D ≤ 0,5), 
резконеоднородное поле имеет место в электродной системе, когда 
один или оба электрода имеют малые радиусы кривизны: острие — 
плоскость или острие — острие. Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом 
неоднородности Кн, который равен отношению максимальной напряженности Еmax к средней напряженности Еср поля между электродами:

 
K
E
E
н
max

ср
=
. 
(1.1)

Средняя напряженность есть отношение напряжения, приложенного к электродам U, к расстоянию между электродами S:

 
E
U
S
ср =
. 
(1.2)

Максимальная напряженность зависит от геометрии электродов 
и расстояния между ними. Для однородного поля коэффициент не

однородности Кн = 1, для слабонеоднородного Кн ≤ 3, для резконеоднородного Кн > 3.
Кроме того, различают симметричную и несимметричную форму 
включения электродов. Симметричная форма: электроды имеют одинаковую форму, размеры и отсутствует заземление любого из них 
(рис. 1.1, а). Несимметричная форма: электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен 
(рис. 1.1, б).

1.1.2. Виды ионизации
В отсутствие внешнего электрического поля атомы и молекулы 
газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь между собой. Если на единице длины пути Z 
частиц газа испытало столкновение, то средняя длина свободного 
пробега λ равна

 
λ = 1
Z .  
(1.3)

Значение параметра λ зависит от концентрации частиц газа 
и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением 
давления газа и уменьшением температуры газа λ уменьшается. При 
температуре выше абсолютного нуля частицы газа перемещаются 
беспорядочно. Если в газе есть заряженные частицы, то при наличии 
внешнего электрического поля в газе возникает направленное движение заряженных частиц, т.е. электрический ток.
При относительно невысоких электрических полях и рассмотрении 
процессов возникновения и исчезновения свободных заряженных 
частиц в газе можно считать, что электроны являются частицами, 
и не учитывать их волновые свойства. Потенциальная энергия атома 
минимальна, когда электроны атомов находятся на ближайших к ядру 

а)
б)

Рис. 1.1. Формы электродов, создающих различные электрические поля: 

а — симметричная; б — несимметричная

орбитах, такое состояние атома является устойчивым. Переход одного 
или нескольких электронов с ближайших к ядру орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с другой частицей, например с электроном, или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение).
Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет 
величину порядка ∼10−10 с. Возвращение атома в устойчивое состояние происходит самопроизвольно и часто сопровождается излучением фотона.
Атом или молекула могут потерять электрон, когда последний 
удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает. Такой электрон называется свободным. Процесс 
потери атомом или молекулой хотя бы одного электрона называется 
ионизацией. В результате ионизации образуются две независимые 
частицы: электрон и положительный ион. Энергия, необходимая для 
осуществления акта ионизации, называется энергией ионизации. 
Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах 
(эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых 
газов приведены в табл. 1.1.

Может происходить процесс, обратный ионизации, — объединение иона и электрона в атом или молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией. Вследствие действия двух противоположных 
факторов — ионизации и рекомбинации устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа ψ, которая определяется отношением концентрации 
ионизированных частиц n к общей концентрации частиц N:

Таблица 1.1

Значения минимальной энергии возбуждения и ионизации 
некоторых газов

Газ
Минимальная энергия, эВ
Возбуждение
Ионизация
N2
6,1
15,5

N
6,3
14,5
O2
7,9
12,5

O
9,1
13,6
H2O
7,6
12,7

ψ = n
N .  
(1.4)

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована и проводит электрический ток, называется плазмой. Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно 
одинакова.
При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного 
иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, 
называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды 
и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, — 
электроположительными (азот, гелий).
Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. Если электрическое поле велико, то приобретенная кинетическая энергия частиц может стать достаточной для ударной 
ионизации атомов. Энергия электронов и ионов WE определяется 
как
 
WE = eEλ, 
(1.5)
а условие ионизации может быть записано в виде

 
eE
mV
W
λ =
≥

2

2
и,  
(1.6)

где e — элементарный заряд; E — напряженность электрического 
поля; m — эффективная масса заряженной частицы; V — скорость 
движения заряженных частиц; Wи — энергия ионизации нейтрального атома или молекулы.
Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, 
то ударная ионизация ионами, несмотря на их большую массу, малоэффективна и определяющей является ионизация электронным 
ударом.
Различают объемную ионизацию и эмиссию заряженных частиц 
с поверхности электродов (поверхностную ионизацию). Объемная 
ионизация — совокупность различных ионизационных процессов 
в межэлектродном пространстве. Эмиссия — испускание заряженных 
частиц поверхностью электродов.
Объемная ионизация в свою очередь подразделяется на следующие виды:
• ударная ионизация электронами;

• ступенчатая ионизация электронами;
• фотоионизация;
• термоионизация.
Ударная ионизация — образование иона при соударении электрона 
с нейтральным атомом или молекулой (рис. 1.2, а). Условие ударной 
ионизации электроном: кинетическая энергия электрона больше или 

равна энергии ионизации атома или молекулы (m V
W
e 1
2

2
≥
и).

e2

e1V1

e1V1

e2
e2

e3V3

e1V2

e2V3

e3V4

e2V2

e1V

eV1

e1V

Электрон

Электрон

Фотон

Ион

Ион

Ион

Молекула

Молекула

Молекула

hν
e

а)

б)

в)

Рис. 1.2. Схемы объемной ионизации:

а — ударная; б — ступенчатая; в — фотонная

Ступенчатая ионизация происходит, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние, т.е. недостаточна 
для ионизации. Воздействие следующего электрона (одного или 
нескольких) на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации (см. рис. 1.2, б). Время между воздействием первого и последующего электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. Условие ступенчатой ионизации: сумма энергий воздействующих на атом или молекулу частиц, например электронов, 
больше или равна энергии ионизации данного атома или молекулы 

(m V
m V
W
e
e
1
2
3
2

2
2
+
≥
и).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, образованных в результате воздействия, например, космического или тормозного излучения, должна быть больше энергии 
ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой (см. рис. 1.2, в). Фотоионизация возможна в ступенчатой 
форме. Условие фотоионизации: энергия кванта больше или равна 
энергии ионизации данного атома или молекулы (hν ≥ Wи, где h — 
постоянная Планка, ν — частота воздействующего излучения).
При высоких температурах газа возможна ионизация атомов или 
молекул при столкновениях между собой. Такая ионизация называется термоионизацией, она обусловлена тепловым состоянием газа 
и может происходить в результате высвобождения электронов при 
соударениях между атомами и молекулами. Термоионизация происходит при высоких температурах газа. В газах при тепловом движении возможна диссоциация молекул. Диссоциация (от лат. dissociatio — разделение, разъединение) — процесс, заключающийся в распаде молекул на несколько более простых частиц — молекул, атомов, 
радикалов или ионов. Обычно различают три вида диссоциации: 
термическая диссоциация, происходящая при повышении температуры, электролитическая диссоциация, происходящая при растворении электролитов (расщепление молекул электролитов на ионы), 
и фотохимическая диссоциация, наблюдающаяся при действии 
света. Количественной характеристикой диссоциации служит степень диссоциации — отношение числа распавшихся молекул к общему 
числу молекул. Обычно в газах диссоциация происходит при 
меньшей энергии, чем ионизация.
В табл. 1.2 в качестве примера приведены значения энергии диссоциации и ионизации для некоторых газов.