高电压技术课堂作业与解答【华北电力大学(保定)】

第一章P11，1-1解答：见PPT中的表格。电介质极化种类及比较极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质1015s无束缚电子运动轨道偏移离子式极化离子式电介质1013s几乎没有离子的相对偏移转向极化极性电介质1010s102s有偶极子的定向排列空间电荷极化多层介质交界面102s数分钟有自由电荷的移动在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道将相对于原子核发生弹性位移，此为电子式极化或电子位移极化。离子式结构化合物，出现外电场后，正负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极距不再为零，此为离子位移极化。极性化合物的每个极性分子都是一个偶极子，在电场作用下，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，显示出极性，这称为偶极子极化。在电场作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获或在两层介质的界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这就是空间电荷极化。1-4 解答：金属导电的原因是自由电子移动；电介质通常不导电，是在特定情况下电离、化学分解或热离解出来的带电质点移动导致。1-6 解答：由于介质夹层极化，通常电气设备含多层介质，直流充电时由于空间电荷极化作用，电荷在介质夹层界面上堆积，初始状态时电容电荷与最终状态时不一致；接地放电时由于设备电容较大且设备的绝缘电阻也较大则放电时间常数较大（电容较大导致不同介质所带电荷量差别大，绝缘电阻大导致流过的电流小，界面上电荷的释放靠电流完成），放电速度较慢故放电时间要长达510min。补充：1、画出电介质的等效电路（非简化的）及其向量图，说明电路中各元件的含义，指出介质损失角。 图142中，为泄漏电阻；为泄漏电流；为介质真空和无损极化所形成的电容；为流过的电流；为无损极化所引起的电容；为无损极化所形成的等效电阻；为流过支路的电流，可以分为有功分量和无功分量。为真空和无损极化所引起的电流密度，为纯容性的；为漏导引起的电流密度，为纯阻性的；为有损极化所引起的电流密度，它由无功部分和有功部分组成。容性电流与总电容电流密度向量之间的夹角为，称为介质损耗角。介质损耗角简称介损角，为电介质电流的相角领先电压相角的余角，功率因素角的余角，其正切称为介质损耗因素，常用表示，为总的有功电流密度与总无功电流密度之比。第二章P45，2-2解答：汤森德理论认为电子崩向阳极不断发展，崩中的正离子撞击阴极也产生自由电子。自由电子的撞击电离和正离子撞击阴极表面的电离的放电产生和发展的原因。流注理论认为电子崩发展使崩头和崩尾场强增加而崩内场强减少，有利于崩内发生复合产生大量的光子，而光子又产生光电离，光子产生的电子也产生二次电子崩迅速汇入到主崩，以等离子体的形式向阴极发展就形成了流注。异同点分为下面的相同点和相异点： 相同点：两者产生和发展都需要碰撞电离和电子崩。相异点：汤逊理论主要考虑了电子的碰撞电离和正离子撞击阴极表面的电离；流柱理论主要考虑了电子的碰撞电离、空间电荷对电场畸变的影响和空间光电离。应用条件：汤逊理论适合低气压、小距离的情况，比较均匀的电场适用；流注理论是高气压、远距离的情况，或不均匀的电场适用。补充：1、说明巴申定律的实验曲线的物理意义是什么？解答：巴申曲线如下图所示： 其物理意义在于：在均匀的电场中，击穿电压是气体的相对密度、极间距离S乘积的函数，只要的乘积不变，也就不变。其原因可解释如下：假设S保持不变，当气体密度增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了，故必然增大。反之当减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小，欲使击穿也须增大。故在这两者之间，总有一个值对造成撞击游离最有利，此时最小。同样，可假设保持不变，S值增大时，欲得一定的场强，电压必须增大。当S值减到过小时，场强虽大增，但电于在走完全程中所遇到的撞击次数己减到很小，故要求外加电压增大，才能击穿。这两者之间，也总有一个S的值对造成撞击游离最有利，此时最小。2、什么叫“污闪”?发生污闪的最不利的大气条件是什么?列举提高污闪电压的措施。解答：绝缘子上有污秽且在毛毛雨、雾、露、雪等不利天气下发生的闪络称为污闪。现代电力系统防止污闪事故的对策：1、调整爬距爬电比距：外绝缘“相地“之间的爬电距离（cm）与系统最高工作（线）电压（kV，有效值）之比。将爬距调大可以减少污闪事故的发生。可以通过增加绝缘子的片数和改变绝缘子的类型。2、定期或不定期的清扫3、涂料涂憎水性涂料，如硅油或硅脂，近年来常采用室温化硅橡胶（RTV）涂料。4、半导体釉绝缘子表面有电导电流流过，产生热量使污层不易吸潮。5、新型合成绝缘子重量轻、抗拉、抗弯、耐冲击负荷、电气绝缘性能好、耐电弧性能好，但也存在价格贵、老化等问题。3、电晕产生的物理机理是什么？它有哪些有害影响？试列举工程上各种防晕措施的实例。解答：电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电现象，在极不均匀电场中，在气体间隙还没有击穿之前，在电极曲率较大的附近的空间的局部的场强已经很大了，从而在这局部强场中产生强烈的电离，但离电极稍远处场强已大为减弱，故此电离区域不能扩展到很大，只能在电极的表面产生放电的现象。电晕放电的危害主要表现在这几个方面：1）伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，发出“咝咝”的声音，蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。2）在尖端或电极的某些突出处，电子和离于在局部强场的驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风”。当电极固定得刚性不够时，气体对“电风”的反作用力会使电晕极振动或转动。3）电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，这会造成对无线电的干扰。4）电晕产生的化学反映产物具有强烈的氧化和腐蚀作用，所以，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。5）电晕还可能产生超过环保标准的噪声，对人们会造成生理、心理的影响。6）电晕放电，会有能量损耗。减少电晕放电的根本措施在于降低电极表面的场强，具体的措施有：改进电极形状、增大电极的曲率半径，采用分裂导线等。4、极性效应的概念是什么？试以棒板间隙为例说明产生机理。解答：无论是长气隙还是短气隙，击穿的发展过程都随着电压极性的不同而有所不同，即存在极性效应。1）机理当棒极为正时，电子崩从棒极开始发展（因为此处的电场强度较高），电子迅速进入阳极（棒极），离子运动速度慢，棒极前方的空间中留下了正离子，使电场发生了畸变，见赵智大，p18、图112，使接近棒极的电场减弱、前方电场增强，因此，正极性时放电产生困难但发展比较容易，击穿电压较低。当棒极为负时，电子崩仍然从棒极（因为此处的电场强度较高），电子向阳极（板极扩散），离子相对运动速度较慢，畸变了电场，见赵智大，p18，图113，使接近棒极的电场增强，前方电场减弱，因此，负极性时放电产生容易但发展比较困难，击穿电压较高。正极性时放电产生困难但发展比较容易，击穿电压较低。负极性时放电产生容易但发展比较困难，击穿电压较高。对于极不均匀电场在加交流电压在缓慢升高电压的情况下，击穿通常发生在间隙为正极性时。第三章 1、什么叫间隙的伏秒特性曲线?它有什么作用?解答：工程上常用在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性，表示该气隙伏秒特性的曲线，称为伏秒特性曲线。伏秒特性曲线在工程上有很重要的应用，是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据。例如：在上图中需要用保护间隙来保护变压器免于遭受雷击，设保护间隙和变压器的伏秒特性曲线分别为S2和S1，则需要S2的伏秒特性曲线一直在S1的下方，如下图所示，这样不管在什么样的雷电波的侵袭下，保护间隙总先于变压器放电，从而保护了变压器。2、试举例提高气隙（气体间隙）击穿电压的各种方法。解答： 提高气体间隙的击穿电压的常用的措施如下：1）改善电场分布一般说来，电场分布越均匀，气隙的击穿电压就越高。故如能适当地改进电极形状、增大电极的曲率半径，改善电场分布，就能提高气隙的击穿电压；利用电晕提高击穿电压；利用屏障提高击穿电压。2）采用高度真空从气体撞击游离的理论可知，将气隙抽成高度的真空能抑制撞击游离的发展，提高气隙的击穿电压。3）增高气压增高气体的压力可以减小电子的平均自由行程，阻碍撞击游离的发展，从而提高气隙的击穿电压。4）采用高耐电强度气体 卤族元素的气体：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等耐电强度比气体高的多，采用该气体或在其他气体中混入一定比例的这类气体，可以大大提高击穿电压。第四章 1、简述提高固体绝缘击穿电压的方法和热老化的象征。参考书本。 2、简述提高液体绝缘击穿电压的方法。参考书本。3、液体的热击穿的发生过程。 解答：工程用油存在着杂质（如水、纤维素等），由于它们的介电常数很大，很容易沿电场方向极化定向，并排列成杂质小桥。如果未接通两极则小桥附近电场强度大、油中分解产生气泡、电离增强，气泡增加，这样下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。如果接通两极，因小桥的电导大而导致发热促使水汽化、气泡扩大，发展下去也会形成小桥，使油隙发生击穿。也就是小桥理论。第五章p145： 51解答：测定绝缘电阻可检查出的缺陷有：（1）总体绝缘质量欠佳；（2）绝缘受潮；（3）两极间有贯穿性的导电通道；（4）绝缘表面情况不良（比较有无屏蔽）。不能发现的缺陷：（1）局部缺陷；（2）老化（绝缘老化以后其电阻可能还很高）。因此加的电压比设备实际运行电压低故当绝缘严重下降时效果较好否则差，适合于绝缘状态的初步诊断。需要注意表面泄漏电流对绝缘电阻测量的影响。测定泄漏电流可检查出的缺陷除绝缘电阻能测定的除外还包括一些兆欧表所不能发现的缺陷。需要注意表面泄漏电流对绝缘电阻测量的影响。测tg能有效地发现绝缘的下列缺陷（1）受潮：电导增加，损耗增加，介损增大。（2）穿透性导电通道，电流增加，介损增大。（3）绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳，放电消耗能量，介损增大。（4）绝缘老化劣化，绕组上附积油泥；（5）绝缘油脏污、劣化等。但对下列故障的效果较差（1）非穿透性的局部损坏，损耗增加不大，介损变化不大。（2）很小部分绝缘的老化和劣化，损耗增加不大，介损变化不大。（3）个别的绝缘弱点，损耗增加不大，介损变化不大。测量结果容易受外界条件影响，包括1）外界电磁场的干扰影响；2）温度的影响；3）试验电压的影响；4）试品电容量的影响；5）试品表面泄漏的影响。52解答：测定绝缘电阻要注意对表面泄漏电流的屏蔽；测量绝缘电阻应该做到三比较：与本绝缘历史资料比较；与同类设备比较；与同一设备不同相比较。绝缘电阻、吸收比、极化指数的测量仅仅是相对性的，不能满足最低要求时必然有缺陷，满足时也可能有缺陷。测定泄漏电流需要注意：1）表面泄漏电流的屏蔽；2）微安表是精密的仪器需要注意保护。测定tg需要注意：1）电磁场干扰的屏蔽；2）正接线和反接线的选用；3）温度对测量结果的影响；4）测量结果受电压变化的影响；5）对大试品不敏感；6）表面泄漏电流的影响。补充：1、西林电桥试验题1、测量C.T.(电压互感器)的高压绕组与低压绕组和地之间的绝缘的tg和Cx，使用西林电桥正接线还是反接线?答：反接线，因为试品一端必须接地。2、已知Cn=50PF，R4=3184，调节西林电桥平衡时R3=318.4,C4=0.02uF，求Cx和tg。tgwC4R4=1003.140.0231840.02CxR4CN/R3=318450/318.4500 PF2、试画出用兆欧表测量绝缘套管体积电阻的接线图，并说明端子G 的作用是什么；如果在15s与60s时测得该套管的绝缘电阻为R15=1000M，R60 =3000M ，那么该套管的绝缘电阻是多大？它的吸收比为多少？解答：兆欧表测量绝缘套管体积电阻的接线图如下：端子G 的作用是屏蔽。该套管的绝缘电阻是3000M（一般情况下60s的绝缘电阻已经接近无限长时间的绝缘电阻）。吸收比。第六章 无第七章P240-241:7-1解答：波阻抗表示分布参数线路中前行电压波与前行电流波的比值；反行电压波与反行电流波比值的相反数；计算公式如下， 和表示单位长度的电感和电容。波阻抗与电阻的不同：（1）波阻抗仅仅是一个比例常数，没有长度概念，而电阻不是；（2）波阻抗吸收的功率一电磁能的形式存储在导线周围的媒介中，并没有消耗；而电阻吸收的功率和能量均转化为热能了。7-3解答：设t0时刻合匝，（1）R=Z时，0=t=l/2v时线路中间电压为E。0t=l/v时线路末端电压为E。（2）当R=时，4kl/v=t4kl/v+l/2v时线路中间电压为0；4kl/v+l/2v =t4kl/v+3l/2v时线路中间电压为E，4kl/v+3l/2v =t4kl/v+5l/2v时线路中间电压为2E，4kl/v+5l/2v=t4kl/v+7l/2v时线路中间电压为E，4kl/v+7l/2v =t4kl/v+4l/v时线路中间电压为0。4kl/v=t4kl/v+l/v时线路末端电压为0；4kl/v+l/v =t4kl/v+3l/v时线路中间电压为2E，4kl/v+3l/v =t4kl/v+4l/v时线路中间电压为0。（3）当R=0时，2kl/v=t2kl/v+l/2v时线路中间电压为0；2kl/v+l/2v =t2kl/v+3l/2v时线路中间电压为E，2kl/v+3l/2v =t2kl/v+2l/v时线路中间电压为0。线路末端电压一直为0。7-9解答：截波产生电位梯度比全波更大，相当于全波加直角波，直角波幅值大、陡度高、产生电位梯度高。实际测量也验证了这一点。补充：1、已知一线路的波阻抗 Z=300 ，其波速为V=300m/s ，计算线路每单位长度的电感L0（单位是H/m）和电容C0（单位是F/m）各是多少？，补充：2、无穷长直角波入侵单相变压器绕组，定性画出绕组上的初始电位分布，稳态电位分布和最大电位包络线，并举出改善绕组初始电位分布的方法。解答：无穷长直角波入侵单相变压器绕组，绕组上的初始电位分布，稳态电位分布和最大电位包络线示意图如下变压器内部结构上的保护可采取：（1）减弱振荡；（2）使绕组的绝缘结构与过电压的分布状况相适应。（1）补偿对地电容电流（横向补偿）电压初始分布所以不均匀，皆出于对地电容的存在，可使用静电屏、静电环、静电匝等措施加以补偿，由电容环到高压绕组的电容补偿高压绕组对地电容上流过的电流，使初始电压的分布均匀化，与稳态分布相一致，减弱振荡。对于220kV以上的变压器使其体积和重量增加，不用。（2）增大纵向电容（纵向补偿）其原理是设法加大纵向电容（匝间电容），使对地电容的影响减少，初始电压的分布变得均匀一些。目前普遍采用的纠结式绕组或内屏蔽式绕组就是采用这个方法。3、请写出反映无损耗单导线波过程基本规律的四个方程式，并简述其物理意义。解答：行波的四个基本方程如下表示导线上任何一点电压、电流为前行波加反行波；前行电压波与前行电流波比值为波阻抗，反行电压波与反行电流波比值为波阻抗的相反数。4、无穷长直角波通过并联电容（1）划出集中参数等值电路（2）折、反射波头各为什么形状（3）求出折射电压最大值。（1、2）（3）第八章 83解答：非线性特性伏安特性如下：式中a=0.010.04，远小于SiC的。与传统的SiC避雷器相比的优点：1）结构简化、体积小、耐污性能好：由于优异的非线形性能，在相同电压作用下SiC避雷器流过电流较大需要串联火花间隙，但ZnO避雷器流过电流小省去了串联火花间隙， 2）保护性能优越：有很好的非线性伏安特性，可以进一步降低被保护设备的绝缘水平；没有保护间隙，有良好的陡波特性，适合于伏秒特性平坦的SF6组合电器和气体绝缘变电站的保护。3）无续流（正常电压作用下电阻大电流小为微安级，可以认为无续流）、无需吸收续流能量，动作负载轻、能重复动作实施保护。4）通流容量大，能制成重载避雷器。第九章补充：1、说明避雷线的作用。为什么降低接地电阻、架设耦合地线可以降低线路的雷击掉闸率，后者用于什么情况？解答：吸引雷击于避雷线而避免导线直接受雷击，耦合作用降低导线上承受过电压。降低接地电阻可以提高线路的耐雷水平，减少线路的雷击跳匝率。架设耦合地线具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，可以减少线路承受的过电压从而提高雷击跳匝率。后者用于降低杆塔接地电阻有困难的情况。2、综述输电线路的防雷措施。一、避雷线（架空地线）沿全线装设避雷线是目前为止110kV及其以上架空线最重要和最有效的防雷措施。35kV及以下一般不全线架设避雷线，因为其绝缘水平较低，即使增加绝缘水平仍很难防止直击雷，可以靠增加绝缘水平使线路在短时间故障情况运行，主要靠消弧线圈和自动重合闸装置。二、降低杆塔接地电阻这是提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施，措施有采用多根放射状水平接地体、连续身长接地体、长效土壤降阻剂等。三、加强线路的绝缘例如增加绝缘子的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气距离。在实施上有很大的难度，一般为提高线路的耐雷水平，均优先采用降低杆塔接地电阻的方法。四、耦合地线在导线的下方加装一条耦合地线，具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，可提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。五、消弧线圈能使雷电过电压所引起的一相对地冲击闪络不转变为稳定的工频电弧，即大大减少建弧率和断路器的跳闸次数。六、管式避雷器不作密集安装，仅用作线路上雷电过电压特别大或绝缘薄弱点的防雷保护。能免除线路的冲击闪络，使建弧率降为零。七、不平衡绝缘为了避免线路落雷时双回路同时闪络跳闸而造成的完全停电的严重局面，当采用通常的防雷措施都不能满足要求时在雷击线路时绝缘水平较低的线路首先跳闸，保护了其它线路。八、自动重合闸由于线路绝缘具有自恢复功能，大多数雷击造成的冲击闪络和工频电弧在线路跳闸后能迅速去电离，线路绝缘不会发生永久性的损坏和劣化，自动重合闸的效果很好。第十章P316:10-1 解答：1