高电压试卷-破解版

2006年秋电41-电44高电压工程试题（卷A）答案要点1.(5分)10个大气压下2cm空气间隙均匀电场的击穿场强大致为多少？常压下1m左右棒板空气间隙在工频及正负极性直流电压下的击穿场强大致为多少？常压下2cm空气间隙均匀电场的击穿场强约为多少？此时的碰撞电离系数α大致为多少？答：475kV（峰值）。交流375kV（5.3kV/cm），直流正450kV（4.5kV/cm），直流负1000kV（10kV/cm）。60kV（30kV/cm）。102.(5分)冲击电压下为什么不仅用50％放电电压，而且用伏秒特性来表示间隙的绝缘强度？利用书上图2-18(a)的曲线画出3m及4m空气间隙以电压为纵坐标、以时间为横坐标的10μs内的伏秒特性曲线。题2必须解答在此，答案写在其他地方无效答：由于存在放电的分散性和放电时延。3.(5分)请画出具有强垂直分量的电场结构示意图。分别采取提高介质的介电常数、提高介质表面电阻、增加介质绝缘厚度的措施是否有利于减弱交流电压下的滑闪放电？若介质不变，仅将电压改为直流电压，是否仍然会发生滑闪放电？答：金属针-空气间隙-介质板-金属板地；具有法兰结构的绝缘如穿墙套管结构等。介电常数和表面电阻率的提高不利，增加绝缘厚度有利。不会。012345012345678910放电时间（us）击穿电压（MV）012345012345678910放电时间（us）击穿电压（MV）3m4m4.(3分)我国户外绝缘最突出的问题是什么？可采取的措施有哪些？答：污秽闪络（如果答电压等级的提高也可）。可采取抗污闪的复合绝缘子技术或喷涂RTV涂料，考虑增爬、清洗等都可以算是有效措施。5.(3分)雷电感应过电压一般按什么极性考虑？为什么？避雷线能防护感应过电压吗？为什么？答：正极性，因为大多数雷电为负极性。不能，因为无法屏蔽感应电场。（能，因为能够通过耦合消耗能量，从而抑制感应雷的幅值）。6.(5分)评定输电线路耐受雷电冲击性能时常使用耐雷水平与雷击跳闸率这两个参数，它们的单位是什么？绝缘配合的基本原则是什么？在确定绝缘配合时，常用绝缘水平这个参数，其单位又是什么？国家标准规定的500kV变压器的BIL是多少？答：kA、次/百公里.年。基本原则：技术上处理好各种电压、各种限压措施和设备绝缘耐受能力三者之间的关系，经济上协调设备投资费、运行维护费和事故损失费（可靠性）三者之间的关系。kV。1550kV（1425kV）。7.(1分)什么是空气间隙极不均匀电场的“极性效应”？答：由于极性不同导致间隙击穿电压不同称之。8.(1分)雷电下行通道中的电流幅值与我们在防雷保护中所定义的雷电流幅值有什么不同？答：是定义的1/2。9.（3分）静电放电火花引燃可燃性物质与空气的混合物而发生爆炸、火灾，则必须同时满足的两个条件是什么？从安全的角度来说，防止和控制静电危害的基本原则一般有哪几条？答：条件一：可燃性物质（可燃性气体、蒸气或粉尘）与空气混合形成爆炸性混合物，其浓度在爆炸极限范围内；条件二：在这爆炸性混合物场所，必须产生能放出充分的放电能量的静电放电。这个放电能量要大于或等于这可燃物与空气混合的爆炸性混合物的最小点火能量，才有发生爆炸、火灾的可能。原则：第一：尽量减少和防止静电的产生第二：加速静电逸散泄漏，防止静电电荷积累第三：防止静电放电着火，避免电击、故障和爆炸、火灾事故的发生10.（4分）与液体和气体介质相比，固体介质最典型的缺点是什么？一般情况下固体介质的击穿电压比液体和气体介质的是高还是低？工程液体电介质中存在的“小桥”效应对均匀场击穿电压的影响比不均匀场的大还是小？空间电荷极化、离子位移极化、电子位移极化和转向极化是否消耗能量？答：不可恢复。高。大。空间电荷和转向极化消耗，位移极化不消耗能量。11.（4分）从对设备是否造成的损害的角度分类，绝缘预防性试验可分为哪两类试验？泄漏电流和绝缘电阻测试试验是属于上述的哪种试验类型，感应耐压试验又是属于哪种类型的试验。答：○1破坏性；○2非破坏性；○3非破坏性；○4破坏性。12.（2分）一般情况下设备的局部放电的起始电压与局部放电的熄灭电压哪个大？在对电力变压器进行局部放电试验过程中，标准规定施加5s的最高额定线电压，如教材中图5-20所示，这有什么作用？答：○1起始电压大；○2激活局部放电的发生。13.（3分）教材图6-2中串级变压器带上负载后，已知变压器T3高压绕组输出到负载的电流为1A，负载上的电压为750kV，问该串级变压器所带的负载总容量为多少？此时流过变压器T1、T2和T3高压绕组的电流分别为多少？每台变压器输出的容量又各自为多少？答：750kVA。都是1A。1、2、3分别输出750kVA、500kVA、250kVA。14.（2分）高电压试验技术国家标准中规定的直流试验电压算术平均值、在额定频率下交流试验电压有效值、冲击全波峰值和分压器分压比各参数的测量总不确定度的范围分别为多少？答：前三者为±3%，分压比为±1%。15.（2分）测量冲击电压用的电阻分压器的主要参数之一是以时间为单位的，该参数叫什么？其值应小于多少才能满足测量标准雷电波的要求。答：阶越（方波）响应时间。0.2μs。16.（2分）分压器测量交流和雷电冲击电压时往往会产生峰值和相位误差，用电阻分压器测量时将产生哪些误差，用电容分压器测量时将产生哪些误差。答：幅值和相位误差，幅值误差。17.（10分）两平板电介质沿厚度方向叠放，形成总厚度6mm的双层介质绝缘体。两电介质各自的电气性能如表所示（ε0=8.854×10-12F/m）。电介质厚度（mm）εrρ（Ω·cm）1432×10162264×1016（1）对此双层介质绝缘体施加50Hz电压（有效值）9kV，试计算各层电介质中的电场强度以及该绝缘体作为电容器时单位电极面积的电容量；（2）若对此双层介质绝缘体施加直流电压9kV，达到稳定状态后计算各层电介质中的电压和电场强度；（3）请画出测量某单层介质表面电阻率的测量电路原理图，画出测量该双层介质绝缘体总的体积电阻率的测量电路原理图，并给出体积电阻率和表面电阻率的计算方法。答：1）U1/U2=C2/C1=（ε2S/d2）/（ε1S/d1）=（6/3）/（2/4）=4（1分）U1+U2=9kV,5U2=9kV，U2=9/5kV（1分）E2=9/10kV/mm=0.9kV/mm（1分）U1=9-1.8kV=7.2kV，E1=7.2/4=1.8kV/mm（1分）（或：ε1E1=ε2E2，E1=2E2，4*E1+2*E2=9kV，由此同样可得）2）C1=3*0.8854×10-13/0.4=0.640pF（1分）C2=6*0.8854×10-13/0.2=2.656pF（1分）3）U1=U2=4.5kV，E1＝4.5/4=1.125kV/mm（2分）E2＝4.5/2=2.25kV（2分）18.（12分）试画出用于高电压试验的名义电压1600kV，52kJ，4级单边充电高效冲击电压发生器的原理图并说明其工作原理。在不考虑波头和波尾电阻的影响时，若利用该冲击电压发生器对一电容量为5000pF试品进行冲击耐压试验，能够输出到试品上的最高电压幅值为多少？当由于回路中存在电感时，请说明为什么实际测量时只考虑电感对发生器的输出电压波头时间的影响，而不考虑其对波尾时间的影响？答：原理图如下（3分）原理并联充电，串连放电的过程描述。（3分）W=0.5CU2，可得主电容C1=52*103/（0.5*16002*106）=40.63nF（3）考虑电容分压引起效率变化U2=U（C1/（C1+C2））=1600*（40.63/（40.63+5））=1600*0.8904=1424kV（4分）波头电阻小，阻尼不够，容易发生振荡；波尾电阻大，阻尼作用大，无震荡。（2分）19.(20分)实验室有一对直径50cm的铜球，想用来作为保护间隙。在保持稍不均匀电场的前提下，在标准参考大气条件下其工频放电电压最大可达多少kV？此时若用其保护另一承受工频电压的棒板间隙，问棒板间隙的间隙距离最小不能低于多少cm？若保持此时两间隙的距离不变，问在冬季t干=12oC，t湿=5oC，b=103kPa的大气条件下，在承受工频电压时，铜球间隙能否继续保护该棒板间隙？答题时除计算外，请同时给出解题思路，并分析最后的计算结果。解：第一步：球球间隙的电场不均匀系数为f=0.9×(1+d/2r)。若要保持稍不均匀电场，即保持f2，则铜球的间隙距离d不能超过61cm，取整为不超过60cm。第二步：按照球球电极的相应计算公式，可算得标准大气条件下直径50cm的球球间隙在60cm的间隙距离下，其表面起始电晕场强为Eo＝27.7×(1+0.337/√25)＝29.57kV/cm峰值。进而可算得其间隙击穿电压为Uo＝Eo×d/[0.9(1+d/2r)]＝896kV峰值＝634kV有效值。即该铜球间隙在保持稍不均匀电场的前提下，在标准大气条件下其工频放电电压最大可达634kV有效值。（注：若按照61cm间隙距离计算，则击穿电压为902.8kV峰值＝638kV有效值。也算对。）第三步：查书上图2-5，可得该放电电压下对应的棒板间隙距离为175cm。按照工频放电电压分散性σ为2％，对自恢复性绝缘，按90％概率计算。则对应的电压为896×(1+1.3σ)＝919.3kV峰值＝650kV有效值，查图2-5得棒板间隙距离不得小于185cm。工频放电电压的分散性不大，若简单留出5％的裕度，按照634*1.05＝666kV有效值查找图2-5，可得棒板间隙距离不能小于185cm。若想更安全，留出10％的裕度，按照634*1.1＝697kV有效值查找图2-5，可得棒板间隙距离不能小于200cm。第四步：计算球间隙在冬季t干=12oC，t湿=5oC，b=103kPa的大气条件下的放电电压。对稍不均匀场w=0，不进行湿度校正，只校正大气密度，m=1。可算得大气密度校正系数K1＝103*293/(101.3*285)＝1.045。进而可算得铜球间隙在此大气条件下的工频放电电压为U＝Uo×K1＝943.2kV峰值＝667kV有效值。第五步：计算175cm棒板间隙在冬季t干=12oC，t湿=5oC，b=103kPa的大气条件下的放电电压。计算得相对空气密度δ＝1.0527，查图3-2得湿度h＝3g/cm3，查图3-1得K＝0.9024。计算g参数，得g＝903/(500*1.75*1.045*0.9024)＝1.037，从而查图3-3的w＝m＝1.0。（注：此处对Ub的估算可能是学生的难点。由于大气校正幅度不大，因此可以用标准大气条件的电压先行估算，实在想精确求此参数，可以在下面算出放电电压后再回头核算，按照839.6kV计算g＝0.998，仍然有w＝m＝1.0。）可算得K1＝δm＝1.045，K2＝Kw＝0.9024。从而得175cm棒板间隙在冬季该大气条件下的放电电压为U＝Uo×K1×K2＝919.3×1.045×0.9024＝884kV峰值＝625kV有效值。第六步：比较两间隙的放电电压。铜球间隙在冬季的放电电压为667kV有效值，163cm棒板间隙在冬季的放电电压为625kV有效值。铜球间隙的放电电压在冬季该大气条件下已经明显高于棒板间隙的放电电压，因此不能继续保护棒板间隙。注：可以看出稍不均匀场不受湿度影响，冬季放电电压提高，而棒板间隙的极不均匀场受湿度影响大，在湿度校正幅度大于空气密度校正幅度时，放电电压比标准条件时下降。从而原先刚好能够保护的现在就保护不了了。如果有同学在前面第三步时求得的棒板间隙距离不是175cm，而是更高，176-185cm，则依然是铜球间隙不能保护棒板间隙的结论，结论不变。比如若留5％的裕度，取棒板间隙距离为175cm，标准状态放电电压相应为666kV有效值，则冬季该棒板间隙的放电电压为666*1.0527*0.9136＝640kV有效值，仍然低于铜球间隙的667kV有效值，不能受到保护。若留10％的裕度，取棒板间隙距离为185cm，标准状态放电电压相应为697kV有效值，则冬季该棒板间