高电压技术-第二版-张一尘-习题答案

1第一章1—1气体中带电质点是通过游离过程产生的。游离是中性原子获得足够的能量(称游离能)后成为正、负带电粒子的过程。根据游离能形式的不同，气体中带电质点的产生有四种不同方式：1.碰撞游离方式在这种方式下，游离能为与中性原子(分子)碰撞瞬时带电粒子所具有的动能。虽然正、负带电粒子都有可能与中性原子(分子)发生碰撞，但引起气体发生碰撞游离而产生正、负带电质点的主要是自由电子而不是正、负离子。2.光游离方式在这种方式下，游离能为光能。由于游离能需达到一定的数值，因此引起光游离的光主要是各种高能射线而非可见光。3.热游离方式在这种方式下，游离能为气体分子的内能。由于内能与绝对温度成正比，因此只有温度足够高时才能引起热游离。4.金属表面游离方式严格地讲，应称为金属电极表面逸出电子，因这种游离的结果在气体中只得到带负电的自由电子。使电子从金属电极表面逸出的能量可以是各种形式的能。气体中带电质点消失的方式有三种：1.扩散带电质点从浓度大的区域向浓度小的区域运动而造成原区域中带电质点的消失，扩散是一种自然规律。2.复合复合是正、负带电质点相互结合后成为中性原子(分子)的过程。复合是游离的逆过程，因此在复合过程中要释放能量，一般为光能。3.电子被吸附这主要是某些气体(如SF6、水蒸汽)分子易吸附气体中的自由电子成为负离子，从而使气体中自由电子(负的带电质点)消失。1—2自持放电是指仅依靠自身电场的作用而不需要外界游离因素来维持的放电。外界游离因素是指在无电场作用下使气体中产生少量带电质点的各种游离因素，如宇宙射线。讨论气体放电电压、击穿电压时，都指放电已达到自持放电阶段。汤生放电理论的自持放电条件用公式表达时为γ(eαs-1)=1此公式表明：由于气体中正离子在电场作用下向阴极运动，撞击阴极，此时已起码撞出一个自由电子(即从金属电极表面逸出)。这样，即便去掉外界游离因素，仍有引起碰撞游离所需的起始有效电子，从而能使放电达到自持阶段。1—3汤生放电理论与流注放电理论都认为放电始于起始有效电子通过碰撞游离形成电子崩,但对之后放电发展到自持放电阶段过程的解释是不同的。汤生放电理论认为通过正离子撞击阴极，不断从阴极金属表面逸出自由电子来弥补引起电子碰撞游离所需的有效电子。而流注放电理论则认为形成电子崩后，由于正、负空间电荷对电场的畸变作用导致正、负空间电荷的复合，复合过程所释放的光能又引起光游离，光游离结果所得到的自由电子又引起新的碰撞游离，形成新的电子崩且汇合到最初电子崩中构成流注通道，而一旦形成流注，放电就可自己维持。因此汤生放电理论与流注放电理论最根本的区别在于对放电达到自持阶段过程的解释不同，或自持放电的条件不同。汤生放电理论适合于解释低气压、短间隙均匀电场中的气体放电过程和现象，而流注理论适合于大气压下，非短间隙均匀电场中的气体放电过程和现象。21—4极不均匀电场中的气体放电过程有两个不同于均匀电场、稍不均匀电场中气体放电的特性：1.持续的电晕放电电晕放电是在不均匀电场中，电场强度大的局部区域中发生的放电，此时整个气体间隙仍未击穿，但在局部区域中气体已击穿。在稍不均匀电场中，电晕放电起始电压很接近(略低于)间隙的击穿电压，也观察不到明显的电晕放电现象。而在极不均匀电场中则可观察到明显的电晕放电现象，且电晕放电起始电压要低于(或大大低于----取决于电场均匀程度)间隙的击穿电压。2.长间隙气体放电过程中的先导放电当气体间隙距离较长(＞1m)时，流注通道是通过具有热游离本质的先导放电不断向前方(另一电极)推进的。由于间隙距离较长，当流注通道发展到一定距离，由于前方电场强度不够强(由于电场不均匀)流注要停顿。此时通过先导放电而将流注通道前方电场加强，从而促使流注通道进一步向前发展。就这样，不断停顿的流注通道通过先导放电而不断推进，从而最终导致整个间隙击穿。3.不对称极不均匀电场中的极性效应不对称极不均匀电场气体间隙(典型电极为棒—板间隙)的电晕起始电压及间隙击穿电压随电极正、负极性的不同而不同。正棒—负板气体间隙的击穿电压要低于相同间隙距离负棒—正板气体间隙的击穿电压，而电晕起始电压则相反。解释这种结果的要点是间隙中正空间电荷产生的电场对原电场的增强或削弱。判断间隙击穿电压高低看放电发展前方的电场是加强还是削弱，而判断电晕起始电压高低则看出现电晕放电电极附近的电场是增强还是削弱。出现正空间电荷的原因是由于气体游离产生的正、负带电粒子定向运动速度差异很大，带负电的自由电子很快向正极性电极移动，而正空间电荷(正离子)由于移动缓慢，此时几乎仍停留在原地从而形成正空间电荷。对于正棒-负板气体间隙，正空间电荷的电场加强了放电发展前方的电场，有利于流注向前方发展，有利于放电发展。但此空间电荷的电场对于棒电极附近的电场是起削弱作用，从而抑制了电晕放电。对于负棒-正板气体间隙，情况则相反。这就导致上面所述击穿电压和电晕起始电压的不同。1—5电晕放电与气体间隙的击穿都是自持放电，区别仅在于放电是在局部区域还是在整个区域。若出现电晕放电，将带来许多危害。首先是电晕放电将引起功率损耗、能量损耗，这是因为电晕放电时的光、声、热、化学等效应都要消耗能量。其次，电晕放电还将造成对周围无线电通讯和电气测量的干扰，若用示波器观察，电晕电流为一个个断续的高频脉冲。另外，电晕放电时所产生的一些气体具有氧化和腐蚀作用。而在某些环境要求比较高的场合，电晕放电时所发出的噪声有可能超过环保标准。为此，高压、超高压电气设备和输电线路应采取措施力求避免或限制电晕放电的产生。反过来，在某些场合下，电晕放电则被利用，如利用冲击电晕放电对波过程的影响作用可达到降低侵入变电站的雷电波波头陡度和幅值。电晕放电也被工业上某些方面所利用而达到某种用途。1—6气体间隙的击穿电压UF是气体压力P和间隙距离S乘积的函数，这一规律称为巴申定律。这种函数关系常用曲线表示，气体种类不同，电极材料不同，这种函数关系的曲线也不同。巴申定律是由实验而不是通过解析的方法得到的气体放电规律。巴申定律的曲线是表示均匀电场气体间隙击穿电压与PS乘积之间的关系，它不适用于不均匀电场。此外，巴申定律是在气体温度不变的情况下得出的。3对于气温并非恒定的情况应为UF=F(δd)，δ为气体的相对密度。1—7在持续电压(直流、工频交流)作用下，气体间隙在某一确定的电压下发生击穿。而在雷电冲击电压作用下，气体间隙的击穿就没有这种某一个确定的击穿电压，间隙的击穿不仅与电压值有关，还与击穿过程的时间(放电时间)有关。这就是说，气体间隙的冲击击穿特性要用两个参数(击穿电压值和放电时间)来表征，而气体间隙在持续电压作用下击穿特性只要用击穿电压值一个参数来表征。用来表示气体间隙冲击特性的是伏秒特性。冲击电压作用下气体间隙在电压达到U0(持续电压下间隙的击穿电压)值时，气体间隙并不能立即击穿而要经过一定的时间后才击穿，这段时间称为放电时延。放电时延包括两部分时延：1.从电压达U0值起至出现第一个有效电子为止的这段时间。统计时延的分散性较大。2.从出现第一个有效电子至间隙击穿为止的这段时延。1—8在同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，气体间隙(或固体绝缘)上出现的电压最大值与放电时间(或击穿时间)的关系，称为气体间隙(或固体绝缘)的伏秒特性。伏秒特性常用曲线(由实验得到)来表示，所以也称伏秒特性曲线，它就表征了气体间隙(或固体绝缘)在冲击电压下的击穿特性。在过电压保护中，如何能保证被保护电气设备得到可靠的保护(即限制作用在电气设备绝缘上的过电压数值)，就要保证被保护电气设备绝缘的伏秒特性与保护装置(如避雷器)的伏秒特性之间配合正确。两者正确的配合应是：被保护电气设备绝缘伏秒特性的下包线始终(即在任何电压下)高于保护装置伏秒特性的上包线。1—9影响气体间隙击穿电压的因素主要有二个：1.间隙中电场的均匀程度间隙距离相同时，电场越均匀，击穿电压越高。2.大气条件气压、温度、湿度不同时，同一气体间隙的击穿电压也不同。气压、温度变化引起气体相对密度变化，而气体相对密度变化使得间隙击穿电压变化。气压增大或温度降低使气体相对密度变大，自由电子容易与中性原子(分子)发生碰撞，但不容易引起碰撞游离(因碰撞前自由行程短，动能积聚不够)，所以击穿电压提高。湿度改变，则改变了水蒸汽分子吸附气体中自由电子的程度，自由电子数目的改变使电子碰撞游离程度改变，从而使间隙击穿电压改变。湿度增大，水蒸汽分子吸附能力增强，气体中自由电子数减少，电子碰撞游离程度削弱，间隙击穿电压提高。由于这种吸附自由电子的过程需一定时间而均匀电场放电过程又很快，因此湿度对均匀电场气体间隙的击穿电压影响很小。海拔高度对气体间隙击穿电压的影响实际上也是通过气体相对密度来影响的。提高气体间隙击穿电压主要从两个方面考虑：1.改善电场分布具体措施有改变电极形状和采用极间屏障。要注意的是：负棒-正板气体间隙极间加屏障后不一定都能提高击穿电压，这要看屏障的位置。2.削弱游离过程气体击穿的根本原因是发生了游离，若采取措施削弱这种游离过程，当然击穿电压就提高了。具体措施是采用三“高”：高气压，高真空，高绝缘强度的气体(如SF6气体)。1—10沿面闪络是指沿面放电已贯通两电极。电极间放入固体介质后的沿面闪络电压要比相同电极空气间隙的击穿电压低，这是因为沿固体介质表面的电场与空4气间隙间电场相比已经发生了畸变，这种畸变使固体介质表面的电场更为不均匀。而造成沿面电场畸变的原因主要有：1.固体介质与电极之间气隙中放电产生的正、负电荷聚集在沿面靠电极的两端。2.固体介质表面由于潮气形成很薄的水膜，水膜中正、负离子积聚在沿面靠电极的两端。3.由于固体介质表面电压分布不均匀，在表面电场强度大的区域中出现电晕放电。4.固体介质表面的不平整造成沿面电场畸变。1—11套管表面的电场强度与表面斜交，表面的电场强度可分解成与表面垂直的分量和与表面平行的分量，垂直分量要比平行分量大许多。正由于表面电场的垂直分量较平行分量强，所以其放电过程具有与其它形式沿面放电不同的特点：1.电压升高后，首先在套管的法兰边缘处发生电晕放电，随电压再升高而变成线状火花放电。2.随着电压进一步提高到某一数值，出现明亮的树枝状火花放电，这种火花放电的位置不固定，此起彼伏，这种放电称为滑闪放电。滑闪放电是强垂直分量电场型沿面放电所特有的，它具有热游离的性质。出现滑闪放电时，放电仍未达到沿面闪络。3.电压升高至沿面闪络电压，滑闪放电发展成沿面闪络。要提高套管沿面闪络电压，可以从以下两个方面来考虑：1.增大沿面闪络距离。但要注意：闪络电压的提高与闪络距离的增大不成正比，前者提高得慢。2.提高套管的电晕起始电压和滑闪电压。这可以通过采用介电系数小的介质和加大套管绝缘厚度从而减小体积电容来提高；也可以通过在靠近法兰处的套管表面涂以半导体漆以减小绝缘表面电阻来提高。1—12绝缘子串由多片绝缘子相串联(见书P30)，每片绝缘子具有等值电容C(当然还有等值电导，但由于电导电流比电容电流小许多，故忽略)，每片绝缘子的金属部分与铁塔间有分布电容CE，与导线间也有分布电容CL(分布电容的极间绝缘就是空气)。若CE和CL都不存在，每片绝缘子等值电容C上流过电流相等，则每片绝缘子上的电压分布均匀(C上压降相等)。实际情况是存在CE和CL，由于CE和CL上电流的分流作用使得各片绝缘子上的电压分布不均匀(由于流过电流不相等而压降不相等)，中间绝缘子上分到的电压小而两头绝缘子上分到的电压大。由于CE＞CL，CE的分流作用要大于CL的分流作用，所以靠导线绝缘子上分到的电压最大。为了使绝缘子串电压分布均匀，可以在靠近导线的绝缘子外面套上一金属屏蔽环(称均压环)，此均压环与导线等电位，以此增大CL，从而使绝缘子串电压分布的均匀性得以改善。1—13户外绝缘子在污秽状态下发生的沿面闪络称为绝缘子的污闪。污秽绝缘子的闪络往往发生在大气湿度很高等不利的气候条件下，此时闪络电压(污闪电压)大大降低，可能在工作电压下发生闪络从而加剧了事故的严重性。防止绝缘子发生污闪的措施主要有：1清除污秽层这要通过监测手段及时确定