高电压技术习题答案华电学生专用

华北电力大学高电压技术习题答案第一章1‐1极化种类电子式极化离子式极化偶极子极化夹层极化产生场合任何电介质离子式结构电介质极性电介质多层介质的交界面所需时间10-15s10-13s10-10～10-2s10-1s～数小时能量损耗无几乎没有有有产生原因束缚电子运行轨道偏移离子的相对偏移偶极子的定向排列自由电荷的移动1‐4金属导体气体，液体，固体电导形式（自由电子）电子电导电导率γ很大（自由电子、正离子、负离子、杂质电导、自身离解、杂质、离子）γ很小离子电导ρ很大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5～10min。补充：图中C1代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2—R2代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。图1－4－2中，Rlk为泄漏电阻；Ilk为泄漏电流；Cg为介质真空和无损极化所形成的电容；Ig为流过Cg的电流；Cp为无损极化所引起的电容；Rp为无损极化所形成的等效电阻；Ip为流过Rp－Cp支路的电流，可以分为有功分量Ipr和无功分量Ipc。Jg为真空和无损极化所引起的电流密度，为纯容性的；Jlk为漏导引起的电流密度，为纯阻性的；Jp为有损极化所引起的电流密度，它由无功部分Jpc和有功部分Jpr组成。容性电流Jc与总电容电流密度向量J之间的夹角为δ，称为介质损耗角。介质损耗角简称介损角δ，为电介质电流的相角领先电压相角的余角，功率因素角ϕ的余角，其正切tgδ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。第二章掌握：1.平均自由行程的概念，四种电离的基本原理，表面电离的四种形式、负离子的产生，去游离的三种形式。2.2.汤逊理论和流注理论的放电机理，发展过程，自持放电条件，应用范围及二者区别；巴申曲线及其含义，物理解释3.3.电晕放电的物理机理，基本过程，优缺点，消除措施。4.4.极性效应的概念，机理2‐2汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起着主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数。忽略了带电质点改变电场分布及光电离（1.汤逊理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。2.汤逊理论没有考虑光子在放电过程中的作用，即空间光电离和阴极表面光电离）。流注理论认为电子碰撞电离和空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用（充分注意到了空间电荷对电场畸变的作用）。汤森德放电机理在较均匀电场和δ·S0.26cm的范围内有效。流注放电机理在不均匀电场和δ·S0.26cm的范围内有效。补充1：巴申（帕邢）定律的实验曲线的物理意义：假设S保持不变，当压强P(气体密度δ)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。反之，当压强P(气体密度δ)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，Ub所以会增大。同样，可假设压强P(气体密度δ)保持不变。值增大时，S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，但电子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。U形曲线（在两者之间，总存在一个压强P(气体密度δ)对造成撞击电离最有利，此时Ub最小。）补充2：电晕产生的物理机理是：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）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）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）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。补充3：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1－12，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1－13，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1.2.气隙的伏秒特性的定义，制作，应用；基本电压波形3.大气条件对气隙击穿电压的影响4.5.提高气隙击穿电压的方法补充1：间隙伏秒特性曲线：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。补充2：提高气隙（气体间隙）击穿电压的方法有：1.改善电场分布。增大电极曲率半径（简称屏蔽）减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等改善电极边缘电极边缘做成弧形使电极具有最佳外形。如穿墙高压引线上加金属扁球2.高真空的采用削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压高真空中击穿机理发生了改变：撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。3.高气压的采用减小电子的平均自由行程，削弱电离过程例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/5∼1/8，提高压力至1∼1.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用如：高压空气断路器、高压标准电容器等4.高电气强度气体的采用含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。第四章掌握：小桥理论补充1：液体热击穿的发生过程：1)液体中的杂质在电场力的作用下，在电场方向定向，并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥”；2)水分及纤维等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大；3)液体电介质最后在气体通道中发生击穿。第五章掌握：耐压实验和检查性实验1.绝缘电阻与吸收比的测量：兆欧表原理、接线，绝缘电阻、吸收比、极化指数，可发现的缺陷。2.2.泄露电流的测量：原理、接线，微安表的位置，可发现的缺陷。3.3.介质损耗角正切的测量：原理、接线、测量方法，正、反接线的使用场合，抗干扰措施。5‐1非破坏性试验，即检查性试验，包含的种类：绝缘电阻试验、介质损耗角正切试验、局部放电试验、绝缘油的气相色谱分析等5‐2补充1：P130图5‐1‐2用兆欧表测套管绝缘的接线图。端子G的作用：防止从法兰沿套管表面的泄露电流也将流过线圈，使得兆欧表员工自评鹿胎膏的作用的指示只反映套管的体积绝缘电阻。第六章掌握：1.工频高压试验基本内容，电路原理2.直流高压试验基本内容3.冲击电压发生器基本原理，单边高效回路，掌握基本实验电路。第七章掌握：1．输电线路的波过程掌握波沿均匀无损单导线的传播（波过程的概念，电“大”、“小”系统，电报方程，波过程的四个基本规律，波阻抗和波速的概念，波的折射与反射（折返射定理和推倒），彼得逊法则，波穿过串联电感与通过并联电容，波的多次折射与反射（网格法），波的衰减与变形（简讲）。2．绕组中的波过程掌握波作用于单绕组时引起的振荡（入口电容的概念，初始、稳态电位分布和最大电位包络线，降低电位梯度的措施），三相绕组中的波过程。7‐1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Z=L0，L0和C0表示单位长度的电C0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）波阻抗吸收的功率以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设t＝0时刻合匝，（1）R=Z时，0=tl/2v时线路中间电压为0；t=l/2v时线路中间电压为E。0tl/v时线路末端电压为0；t=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改善绕组初始电位分布的方法：1.补偿对地电容影响的方法。具体做法：在绕组首端装设电容环和电容匝。2.增大纵电容K0/dx,使绕组对地电容的影响相对减少。具体的做法：采用纠结式绕组，一般纠结式绕组的αl＝1.5左右。补充2导线上任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行波之和，前行波电压与电流之比为+z，反行波电压与电流之比为‐z。补偿3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。第八章掌握：雷电参数（幅值和波形，表达式，雷暴日、小时）第九章掌握：掌握耐雷水平的定义，雷击塔顶，档距中间和绕击的耐雷水平表达式，掌握输电线路的防雷措施。补充1避雷线的作用：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。补充2P272第十章掌握：掌握发、变电站的直击雷防护，变电站对入侵雷电波的防护，变电站进线段保护，旋转电机的防雷保护。10‐1100kV及以上绝缘水平较高，避雷针可以装设在架构上，但变压器绝缘水平较低，变压器门形架构上不应装设避雷针。绝缘