高电压关键技术课后习题答案详解

1-1气体放电过程中产生带电质点最重要方式是什么，为什么？答：碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要方式。这是由于电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点通过距离)比离子大得多，因此在电场中获得动能比离子大得多。另一方面．由于电子质量远不大于原子或分子，因而当电子动能局限性以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能积累。1-2简要阐述汤逊放电理论。答：设外界光电离因素在阴极表面产生了一种自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至ed个。假设每次电离撞出一种正离子，故电极空间共有（ed－1）个正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数定义，此（ed－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（ed－1）个新电子，则(ed-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一种有效电子，以弥补本来那个产生电子崩并进入阳极电子，则放电达到自持放电。即汤逊理论自持放电条件可表达为r(ed-1)=1或ed＝1。1-3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？答:（1）当棒具备正极性时，间隙中浮现电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。随着电压逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相称多电子崩。当电子崩达到棒极后，其中电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近电场，而略为加强了外部空间电场。这样，棒极附近电场被削弱，难以导致流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。（2）当棒具备负极性时，阴极表面形成电子及时进入强电场区，导致电子崩。当电子崩中电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢速，度向阳极运动。一部份电子直接消失于阳极，别的可为氧原子所吸附形成负离子。电子崩中正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，因此在棒极附近总是存在着正空间电荷。成果在棒极附近浮现了比较集中正空间电荷，而在其后则是非常分散负空间电荷。负空间电荷由于浓度小，对外电场影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。1-4雷电冲击电压原则波形波前和波长时间是如何拟定？答：图1-13表达雷电冲击电压原则波形和拟定其波前和波长时间办法(波长指冲击波衰减至半峰值时间)。图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示办法求得名义零点O1。图中虚线所示，连接P点与0.3倍峰值点作虚线交横轴于O1点，这样波前时间T1、和波长T2都从O1算起。当前国际上大多数国家对于原则雷电波波形规定是：T1.2s30%T1250s20%图1-13原则雷电冲击电压波形T－波前时间T12－半峰值时间U冲击电压峰值max1-5操作冲击放电电压特点是什么？答：操作冲击放电电压特点：（1）U形曲线，其击穿电压与波前时间关于而与波尾时间无关；（2）极性效应，正极性操作冲击50％击穿电压都比负极性低；（3）饱和现象；（4）分散性大；（5）邻近效应，接地物体接近放电间隙会明显减少正极性击穿电压。1-6影响套管沿面闪络电压重要因素有哪些？答：影响套管沿面闪络电压重要因素有（1）电场分布状况和作用电压波形影响（2）电介质材料影响（3）气体条件影响（4）雨水影响1-7具备强垂直分量时沿面放电和具备弱垂直分量时沿面放电，哪个对绝缘危害比较大，为什么？答：具备强垂直分量时沿面放电对绝缘危害比较大。电场具备弱垂直分量状况下，电极形状和布置已使电场很不均匀，因而介质表面积聚电荷使电压重新分布所导致电场畸变，不会明显减少沿面放电电压。此外这种状况下电场垂直分量较小．沿表面也没有较大电容电流流过，放电过程中不会浮现热电离现象，故没有明显滑闪放电，因而垂直于放电发展方向介质厚度对放电电压事实上没有影响。其沿面闪络电压与空气击穿电压差别相比强垂直分量时要小得多。1-8某距离4m棒-极间隙。在夏季某日干球温度=30℃，湿球温度=25℃，气压=99.8kPa大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV?（空气相对密度=0.95）答：距离为4m棒-极间隙，其原则参照大气条件下正极性50%操作冲击击穿电压U50标准=1300kV。查《高电压技术》可得空气绝对湿度h20g/m3。从而h/21,再由图3-1求得参数K1.1。求得参数gUb1=1300/（500×4×0.95×1.1）500LK=0.62，于是由图3-3得指数mW0.34。空气密度校正因数Kdm0.950.340.9827湿度校正因数KKwh1.10.341.033因此在这种大气条件下，距离为4m棒-极间隙正极性50%操作冲击击穿电压为UUKK13000.98271.0331320kV。50夏50标准121-9某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m高原地区35kV变电站，问平原地区制造厂在原则参照大气条件下进行1min工频耐受电压实验时，其实验电压应为多少kV？解：查GB311.1-1997规定可知，35kV母线支柱绝缘子1min干工频耐受电压应为100kV，则可算出制造厂在平原地区进行出厂1min干工频耐受电压实验时，其耐受电压U应为U100UKU0154kVa01.1H1041.145001042-1电介质极化基本形式有哪几种，各有什么特点？答：电介质极化基本形式有（１）电子位移极化图（1）电子式极化（２）偶极子极化rr图（2）偶极子极化（a）无外电场时（b）有外电场时1—电极2—电介质（极性分子）2-2如何用电介质极化微观参数去表征宏观现象？答：克劳休斯方程表白，要由电介质微观参数（N、）求得宏观参数—介电常数r，必要先求得电介质有效电场E。i（１）对于非极性和弱极性液体介质，有效电场强度EEiP2E330式中，P为极化强度（P(0r1)E）。上式称为莫索缔（Mosotti）有效电场强度，将其代入克劳休斯方程[式(2-11)]，得到非极性与弱极性液体介质极化方程为1N23r0（２）对于极性液体介质，由于极性液体分子具备固有偶极矩，它们之间距离近，互相作用强，导致强附加电场，洛伦兹球内分子作用电场E2有效电场不合用。2-3非极性和极性液体电介质中重要极化形式有什么区别？≠0，莫索缔答：非极性液体和弱极性液体电介质极化中起重要作用是电子位移极化，偶1极子极化对极化贡献甚微；极性液体介质涉及中极性和强极性液体介质，此类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，尚有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子转向极化往往起重要作用。2-4极性液体介电常数与温度、电压、频率有什么样关系？答：（１）温度对极性液体电介质值影响r如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，因此很小；随着温度升高，液体电介质黏度减小，偶极子转r动幅度变大，随之变大；温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电r场取向，使极化削弱，又开始减小。r（２）频率对极性液体电介质值影响r如图2-1所示，频率太高时偶极子来不及转动，因而r值变小。其中相r0称于直流电场下介电常数，ff后来偶极子越来越跟不上电场交变，值不断下r降；当频率f=f2时，偶极子已经完全跟不上电场转动了，这时只存在电子式极化，减小到，常温下，极性液体电介质≈3～6。rrr2-5液体电介质电导是如何形成？电场强度对其有何影响？答：液体电介质电导形成：（１）离子电导——分为本征离子电导和杂质离子电导。设离子为正离子，它们处在图２－５中A、B、C等势能最低位置上作振动，其振动频率为Υ，当离子热振动能超过邻近分子对它束缚势垒u0时，离子即能离开其稳定位置而迁移。（２）电泳电导——在工程中，为了改进液体介质某些理化性能，往往在液体介质中加入一定量树脂，这些树脂在液体介质中某些呈溶解状态，某些也许呈胶粒状悬浮在液体介质中，形成胶体溶液，此外，水分进入某些液体介质也也许导致乳化状态胶体溶液。这些胶粒均带有一定电荷，当胶粒介电常数不不大于液体介电常数时，胶粒带正电；反之，胶粒带负电。胶粒相对于液体电位U普通0是恒定，在电场作用下定向迁移构成“电泳电导”。电场强度影响（１）弱电场区：在普通条件下，当外加电场强度远不大于击穿场强时，液体介质离子电导率是与电场强度无关常数，其导电规律遵从欧姆定律。（２）强电场区：在E≥107V/m强电场区，电流随电场强度呈指数关系增长，除极纯净液体介质外，普通不存在明显饱和电流区。液体电介质在强电场下电导具备电子碰撞电离特点。2-6当前液体电介质击穿理论重要有哪些？答：液体介质击穿理论重要有三类：（１）高度纯净去气液体电介质电击穿理论（２）含气纯净液体电介质气泡击穿理论（３）工程纯液体电介质杂质击穿理论2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？答：气泡击穿观点以为，无论由于何种因素使液体中存在气泡时，由于交变电压下两串联介质中电场强度与介质介电常数成反比，气泡中电场强度比液体介质高，而气体击穿场强又比液体介质低得多，因此总是气泡先发生电离，这又使气泡温度升高，体积膨胀，电离将进一步发展；而气泡电离产生高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时，液体介质就能在此通道中发生击穿。热化气击穿观点以为，当液体中平均场强达到107～108V/m时，阴极表面微尖端处场强就也许达到108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面微尖端注入到液体中，预计电流密度可达105A/m2以上。按这样电流密度来估算发热，单位体积、单位时间中发热量约为1013J/（s·m3），这些热量用来加热附近液体，足以使液体气化。当液体得到能量等于电极附近液体气化所需热量时，便产气愤泡，液体击穿。电离化气击穿观点以为，当液体介质中电场很强时，高能电子浮现，使液体分子C—H键（C—C键）断裂，液体放气。2-8水分、固体杂质对液体电介质绝缘性能有何影响？答：（１）水分影响当水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力作用，水分呈圆球状（即胶粒），均匀悬浮在液体中，普通水球直径约为10-2～10-4cm。在外电场作用下，由于水介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排列椭圆水球贯穿于电极间形成持续水桥，则液体介质在较低电压下发生击穿。（２）固体杂质影响普通固体悬浮粒子介电常数比液体大，在电场力作用下，这些粒子向电场强度最大区域运动，在电极表面电场集中处逐渐积聚起来，使液体介质击穿场强减少。2-9如何提高液体电介质击穿电压？答：工程应用上经常对液体介质进行过滤、吸附等解决，除去粗大杂质粒子，以提高液体介质击穿电压。3-1什么叫电介质极化？极化强度是怎么定义？答：电介质极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子取向现象。电介质极化强度可用介电常数大小来表达，它与该介质分子极性强弱关于，还受到温度、外加电场频率等因素影响。3-2固体无机电介质中，无机晶体、无机玻璃和陶瓷介质损耗重要由哪些损耗构成？s答：（１）无机晶体介质只有位移极化，其介质损耗重要来源于电导；（２）无机玻璃介质损耗可以以为重要由三某些构成：电导损耗、松弛损耗和构造损耗；（３）陶瓷介质可分为具有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是具有大量玻璃相和少量微晶构造，其介质损耗重要由三某些构成：玻璃相中离子电导损耗、构造较松多晶点阵构造引起松弛损耗以及气隙中含水引起界面附加损耗，tan相称大。第二类是由大量微晶晶粒所构成，仅具有很少量或不含玻璃相，普通结晶相构造紧密，tan比第一类陶瓷小得多。3-3固体介质表面电导率除了介质性质之外，还与哪些因素关于？它们各有什么影响？答：介质表面电导率不但与介质性质关于，并且强烈地受到周边环境湿s度、温度、表面构造和形状以