高电压课后吴广宇习题答案.doc 19页

'第1章气体的绝缘特性与介质的电气强度1-1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，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的方式。这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多。其次．由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足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的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。1-2简要论述汤逊放电理论。答:设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至个。假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（－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．按照系数的定义，此（－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（－1）个新电子，则(-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(-1)=1或＝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）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，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的电场，而略为加强了外部空间的电场。这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。电子崩中的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，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，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雷电冲击电压的标准波形的波前和波长时间是如何确定的？答：图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的时间)。图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示的方法求得名义零点。图中虚线所示，连接P点与0.3倍峰值点作虚线交横轴于点，这样波前时间、和波长都从算起。目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：，19 图1-13标准雷电冲击电压波形－波前时间－半峰值时间冲击电压峰值1-5操作冲击放电电压的特点是什么？答：操作冲击放电电压的特点：（1）U形曲线，其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关；（2）极性效应，正极性操作冲击的50％击穿电压都比负极性的低；（3）饱和现象；（4）分散性大；（5）邻近效应，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压。1-6影响套管沿面闪络电压的主要因素有哪些？答：影响套管沿面闪络电压的主要因素有（1）电场分布情况和作用电压波形的影响（2）电介质材料的影响（3）气体条件的影响（4）雨水的影响1-7具有强垂直分量时的沿面放电和具有弱垂直分量时的沿面放电，哪个对绝缘的危害比较大，为什么？答：具有强垂直分量时的沿面放电对绝缘的危害比较大。电场具有弱垂直分量的情况下，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造成的电场畸变，不会显著降低沿面放电电压。另外这种情况下电场垂直分量较小．沿表面也没有较大的电容电流流过，放电过程中不会出现热电离现象，故没有明显的滑闪放电，因而垂直于放电发展方向的介质厚度对放电电压实际上没有影响。其沿面闪络电压与空气击穿电压的差别相比强垂直分量时要小得多。1-8某距离4m的棒-极间隙。在夏季某日干球温度=30℃，湿球温度=25℃，气压=99.8kPa的大气条件下，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的棒-极间隙，其标准参考大气条件下的正极性50%操作冲击击穿电压=1300kV。查《高电压技术》可得空气绝对湿度。从而再由图3-1求得参数。求得参数=1300/（500×4×0.95×1.1）=0.62，于是由图3-3得指数。空气密度校正因数湿度校正因数所以在这种大气条件下，距离为4m的棒-极间隙的正极性50%操作冲击击穿电压为。1-9某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区的35kV变电站，问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？19 解：查GB311.1-1997的规定可知，35kV母线支柱绝缘子的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干工频耐受电压试验时，其耐受电压U应为第2章液体的绝缘特性与介质的电气强度2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？答：电介质极化的基本形式有（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如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？答：克劳休斯方程表明，要由电介质的微观参数（N、a）求得宏观参数—介电常数，必须先求得电介质的有效电场。（１）对于非极性和弱极性液体介质，有效电场强度式中，为极化强度（）。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的极化方程为19 （２）对于极性液体介质，由于极性液体分子具有固有偶极矩，它们之间的距离近，相互作用强，造成强的附加电场，洛伦兹球内分子作用的电场≠0，莫索缔有效电场不适用。2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？答：非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化，偶极子极化对极化的贡献甚微；极性液体介质包括中极性和强极性液体介质，这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用。2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？答：（１）温度对极性液体电介质的值的影响如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，所以很小；随着温度的升高，液体电介质黏度减小，偶极子转动幅度变大，随之变大；温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，又开始减小。（２）频率对极性液体电介质的值的影响如图2-1所示，频率太高时偶极子来不及转动，因而值变小。其中相当于直流电场下的介电常数，f>f1以后偶极子越来越跟不上电场的交变，值不断下降；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，极性液体电介质的≈3～6。2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？答：液体电介质电导的形成：（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，它们处于图２－５中A、B、C等势能最低的位置上作振动，其振动频率为υ，当离子的热振动能超过邻近分子对它的束缚势垒时，离子即能离开其稳定位置而迁移。（２）电泳电导——在工程中，为了改善液体介质的某些理化性能，往往在液体介质中加入一定量的树脂，这些树脂在液体介质中部分呈溶解状态，部分可能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可能造成乳化状态的胶体溶液。这些胶粒均带有一定的电荷，当胶粒的介电常数大于液体的介电常数时，胶粒带正电；反之，胶粒带负电。胶粒相对于液体的电位一般是恒定的，在电场作用下定向的迁移构成“电泳电导”。电场强度的影响（１）弱电场区：在通常条件下，当外加电场强度远小于击穿场强时，液体介质的离子电导率是与电场强度无关的常数，其导电规律遵从欧姆定律。（２）强电场区：在E≥107V/m的强电场区，电流随电场强度呈指数关系增长，除极纯净的液体介质外，一般不存在明显的饱和电流区。液体电介质在强电场下的电导具有电子碰撞电离的特点。2-6目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？答：液体介质的击穿理论主要有三类：（１）高度纯净去气液体电介质的电击穿理论（２）含气纯净液体电介质的气泡击穿理论（３）工程纯液体电介质的杂质击穿理论2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？19 答：气泡击穿观点认为，不论由于何种原因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，气泡中的电场强度比液体介质高，而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以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；而气泡电离产生的高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多的气体，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。热化气击穿观点认为，当液体中平均场强达到107～108V/m时，阴极表面微尖端处的场强就可能达到108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面的微尖端注入到液体中，估计电流密度可达105A/m2以上。按这样的电流密度来估算发热，单位体积、单位时间中的发热量约为1013J/（s·），这些热量用来加热附近的液体，足以使液体气化。当液体得到的能量等于电极附近液体气化所需的热量时，便产生气泡，液体击穿。电离化气击穿观点认为，当液体介质中电场很强时，高能电子出现，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的绝缘性能有何影响？答：（１）水分的影响当水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力的作用，水分呈圆球状（即胶粒），均匀悬浮在液体中，一般水球的直径约为10-2～10-4cm。在外电场作用下，由于水的介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体介质在较低的电压下发生击穿。（２）固体杂质的影响一般固体悬浮粒子的介电常数比液体的大，在电场力作用下，这些粒子向电场强度最大的区域运动，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降低。2-9如何提高液体电介质的击穿电压？答：工程应用上经常对液体介质进行过滤、吸附等处理，除去粗大的杂质粒子，以提高液体介质的击穿电压。第3章固体的绝缘特性与介质的电气强度3-1什么叫电介质的极化？极化强度是怎么定义的？答：电介质的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的取向现象。电介质的极化强度可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。3-2固体无机电介质中，无机晶体、无机玻璃和陶瓷介质的损耗主要由哪些损耗组成？答：（１）无机晶体介质只有位移极化，其介质损耗主要来源于电导；（２）无机玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：电导损耗、松弛损耗和结构损耗；（３）陶瓷介质可分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，tan相当大。第二类是由大量的微晶晶粒所组成，仅含有极少量或不含玻璃相，通常结晶相结构紧密，tan比第一类陶瓷小得多。3-3固体介质的表面电导率除了介质的性质之外，还与哪些因素有关？它们各有什么影响？答：介质的表面电导率19 不仅与介质的性质有关，而且强烈地受到周围环境的湿度、温度、表面的结构和形状以及表面粘污情况的影响。（１）电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响由于湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成一层很薄的水膜。因为水本身为半导体（m），所以介质表面的水膜将引起较大的表面电流，使增加。（２）电介质的分子结构对表面电导率的影响电介质按水在介质表面分布状态的不同，可分为亲水电介质和疏水电介质两大类。a)亲水电介质：这种介质表面所吸附的水易于形成连续水膜，故表面电导率大，特别是一些含有碱金属离子的介质，介质中的碱金属离子还会进入水膜，降低水的电阻率，使表面电导率进一步上升，甚至丧失其绝缘性能。b)疏水电介质：这些介质分子为非极性分子所组成，它们对水的吸引力小于水分子的内聚力，所以吸附在这类介质表面的水往往成为孤立的水滴，其接触角，不能形成连续的水膜，故很小，且大气湿度的影响较小。（３）电介质表面清洁度对表面电导率的影响表面沾污特别是含有电解质的沾污，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使升高。3-4固体介质的击穿主要有哪几种形式？它们各有什么特征？答：固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。（１）热击穿热击穿的主要特征是：不仅与材料的性能有关，还在很大程度上与绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关，因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数。（２）电击穿电击穿的主要特征是：击穿场强高，实用绝缘系统不可能达到；在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大。均匀电场中电击穿场强反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度，它仅与材料的化学组成及性质有关，是材料的特性参数之一。（３）不均匀电介质的击穿击穿从耐电强度低的气体开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。3-5局部放电引起电介质劣化、损伤的主要原因有哪些？答：局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的，但主要有如下三个方面：（１）电的作用：带电粒子对电介质表面的直接轰击作用，使有机电介质的分子主链断裂；（２）热的作用：带电粒子的轰击作用引起电介质局部的温度上升，发生热熔解或热降解；（３）化学作用：局部放电产生的受激分子或二次生成物的作用，使电介质受到的侵蚀可能比电、热作用的危害更大。3-6聚合物电介质的树枝化形式主要有哪几种？它们各是什么原因形成的？答：引起聚合物电介质树枝化的原因是多方面的，所产生的树枝亦不同。（１）电树枝树枝因介质中间歇性的局部放电而缓慢地扩展，或在脉冲电压作用下迅速发展，或在无任何局部放电的情况下，由于介质中局部电场集中而发生。（２）水树枝19 树枝因存在水分而缓慢发生，如在水下运行的200～700V低压电缆中也发现有树枝，一般称为水树枝，即直流电压下也能促进树枝化。（３）电化学树枝因环境污染或绝缘中存在杂质而引起，如电缆中由于腐蚀性气体在线芯处扩散，与铜发生反应就形成电化学树枝。3-7均匀固体介质的热击穿电压是如何确定的？答：一般情况下，可以近似化为以下两种极端情况来讨论（1）脉冲热击穿认为电场作用时间很短，以致导热过程可以忽略不计，则热平衡方程为（2）稳态热击穿电压长时间作用，介质内温度变化极慢，热击穿临界电压为3-8试比较气体、液体和固体介质击穿过程的异同。答：（１）气体介质的击穿过程气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。由于外电离因素的作用，在阴极附近出现一个初始电子，这一电子在向阳极运动时，如电场强度足够大，则会发生碰撞电离，产生1个新电子。新电子与初始电子在向阳极的行进过程中还会发生碰撞电离，产生两个新电子，电子总数增加到4个。第三次电离后电子数将增至8个，即按几何级数不断增加。电子数如雪崩式的增长，即出现电子崩。（１）液体介质的击穿过程a)电击穿理论以碰撞电离开始为击穿条件。　　液体介质中由于阴极的场致发射或热发射的电子在电场中被加速而获得动能，在它碰撞液体分子时又把能量传递给液体分子，电子损失的能量都用于激发液体分子的热振动。当电子在相邻两次碰撞间从电场中得到的能量大于hυ时，电子就能在运动过程中逐渐积累能量，至电子能量大到一定值时，电子与液体相互作用时便导致碰撞电离。b)气泡击穿理论液体中存在气泡时，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，气泡中的电场强度比液体介质高，而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以气泡先发生电离，使气泡温度升高，体积膨胀，电离进一步发展；而气泡电离产生的高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多的气体，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。（３）固体介质的击穿过程固体电介质的击穿中，常见的有热击穿、电击穿和不均匀介质局部放电引起击穿等形式。a)热击穿当固体电介质加上电场时，电介质中发生的损耗将引起发热，使介质温度升高，最终导致热击穿。b)电击穿在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时出现的一种击穿现象。c)不均匀介质局部放电引起击穿从耐电强度低的气体开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。第7章输电线路和绕组中的波过程19 7-1为什么需要用波动过程研究电力系统中过电压？答：实际电力系统采用三相交流或双极直流输电，属于多导线线路，而且沿线路的电场、磁场和损耗情况也不尽相同，因此所谓均匀无损单导线线路实际上是不存在的。但为了揭示线路波过程的物理本质和基本规律，可暂时忽略线路的电阻和电导损耗，假定沿线线路参数处处相同，故首先研究均匀无损单导线中的波过程。7-2试分析波阻抗的物理意义及其与电阻之不同点？答：分布参数线路的波阻抗与集中参数电路的电阻虽然有相同的量纲，但物理意义上有着本质的不同：（1）波阻抗表示向同一方向传播的电压波和电流波之间比值的大小；电磁被通过波阻抗为Z的无损线路时，其能量以电磁能的形式储存于周围介质中．而不像通过电阻那样被消耗掉。（2）为了区别不同方向的行波，Z的前面应有正负号。（3）如果导线上有前行波，又有反行波，两波相遇时，总电压和总电流的比值不再等于波阻抗，即（4）波阻抗的数值Z只与导线单位长度的电感L0和电容C0有关，与线路长度无关。7-3试分析直流电势E合闸于有限长导线(长度为l，波阻为Z)的情况，末端对地接有电阻R(如图7-24所示)。假设直流电源内阻为零。(1)当R=Z时，分析末端与线路中间的电压波形；(2)时，分析末端与线路中间的电压波形；(3)当R=0时，分析末端的电流波形和线路中间的电压波形。解：（1）当R=Z时，没有反射电压波和反射电流波，即。则末端与线路中间的电压相同，，波形如下。图(1)末端接集中负载R=Z时的电压波形（2）当时，根据折射和反射系数计算公式（7-17），，即末端电压U2=u2f=2E，反射电压u1b=E，线路中间的电压，波形如下。19 图(2)末端开路时的电压波形（3）当R=0时，根据折射和反射系数计算公式（7-17），，即线路末端电压U2=u2f=0，反射电压u1b=-E，线路中间的电压。反射电流i1b=。在反射波到达范围内，导线上各点电流为，末端的电流。图(3－1)末端接地时末端的电流波形图(3－2)末端接地时线路中间的电压波形7-4母线上接有波阻抗分别为Z1、Z2、Z3的三条出线，从Z1线路上传来幅值为E的无穷长直角电压波。求出在线路Z3出现的折射波和在线路Z1上的反射波。解：当无穷长直角波沿线路Z1达到母线后，在线路Z1上除、外又会产生新的行波、，因此线路上总的电压和电流为设线路Z2为无限长，或在线路Z2上未产生反射波前，线路Z2上只有前行波没有反行波，则线路Z2上的电压和电流为同理，线路Z3上的电压和电流为然而母线上只能有一个电压电流，因此其左右两边的电压电流相等，即，，因此有19 将，，，，代入上式得，线路Z3出现的折射波线路Z1出现的反射波7-5有一直角电压波E沿波阻抗为Z＝500的线路传播，线路末端接有对地电容C＝O.0l。(1)画出计算末端电压的彼德逊等值电路，并计算线路末端电压波形；(2)选择适当的参数，把电容C等值为线段，用网格图计算线路末端的电压波形；(3)画出以上求得的电压波形，并进行比较。解：（１）计算末端电压的彼德逊等值电路如图（4），线路末端电压为图（4）　彼德逊等值电路（２）略（３）略7-6波在传播中的衰减与畸变的主要原因？说明冲击电晕对雷电波波形影响的原因？答：波的衰减和变形受到以下因素的影响：（1）线路电阻和绝缘电导的影响19 实际输电线路并不满足无变形条件（式7-28），因此波在传播过程中不仅会衰减，同时还会变形。此外由于集肤效应，导线电阻随着频率的增加而增加。任意波形的电磁波可以分解成为不同频率的分量，因为各种频率下的电阻不同，波的衰减程度不同，所以也会引起波传播过程中的变形。（2）冲击电晕的影响由于电晕要消耗能量，消耗能量的大小又与电压的瞬时值有关，故将使行波发生衰减的同时伴随有波形的畸变。冲击电晕对雷电波波形影响的原因：雷电冲击波的幅值很高，在导线上将产生强烈的冲击电晕。研究表明，形成冲击电晕所需的时间非常短，大约在正冲击时只需0.05，在负冲击时只需0.01；而且与电压陡度的关系非常小。由此可以认为，在不是非常陡峭的波头范围内，冲击电晕的发展主要只与电压的瞬时值有关。但是不同的极性对冲击电晕的发展有显著的影响。当产生正极性冲击电晕时，电子在电场作用下迅速移向导线，正空间电荷加强距离导线较远处的电场强度，有利于电晕的进一步发展；电晕外观是从导线向外引出数量较多较长的细丝。当产生负极性电晕时，正空间电荷的移动不大，它的存在减弱了距导线较远处的电场强度．使电晕不易发展；电晕外观上是较为完整的光圈。由于负极性电晕发展较弱，而雷电大部分是负极性的，所以在过电压计算中常以负极性电晕作为计算的依据。7-7当冲击电压作用于变压器绕组时，在变压器绕组内将出现振荡过程，试分析出现振荡的根本原因，并由此分析冲击电压波形对振荡的影响。答：出现振荡的根本原因：由于变压器的稳态电位分布与起始电位分布不同，因此从起始分布到稳态分布，其间必有一个过渡过程。而且由于绕组电感和电容之间的能量转换，使过渡过程具有振荡性质。冲击电压波形对振荡的影响:变压器绕组的振荡过程，与作用在绕组上的冲击电压波形有关。波头陡度愈大，振荡愈剧烈；陡度愈小，由于电感分流的影响，起始分布与稳态分布愈接近，振荡就会愈缓和，因而绕组各点的对地电位和电位梯度的最大值也将降低。此外波尾也有影响，在短波作用下，振荡过程尚未充分激发起来时，外加电压已经大大衰减，故使绕组各点的对地电位和电位梯度也较低。7-8说明为什么需要限制旋转电机的侵入波陡度。答：在直接与电网架空线连接方式下，雷电产生的冲击电压直接从线路传到电机，对电机的危害性很大，需采取限制侵入波陡度的保护措施，使得侵入电机的冲击电压的波头较平缓，匝间电容的作用也就相应减弱。第八章雷电过电压及防护8-1试述雷电放电的基本过程及各阶段的特点。答：雷电放电的基本过程包括先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。（1）先导放电阶段——开始产生的先导放电是跳跃式向前发展。先导放电常常表现为分枝状，这些分枝状的先导放电通常只有一条放电分支达到大地。整个先导放电时间约0.005~0.01s，相应于先导放电阶段的雷电流很小。（2）主放电阶段——主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先导放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出巨大的光和热。在主放电阶段，雷击点有巨大的电流流过，主放电的时间极短。（3）余辉放电阶段——当主放电阶段结束后，雷云中的剩余电荷将继续沿主放电通道下移，使通道连续维持着一定余辉。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03~0.05s。19 8-2试述雷电流幅值的定义，分别计算下列雷电流幅值出现的概率：30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA。答：根据式（8-4），。其中，P为雷电流幅值超过I的概率，I为雷电流幅值。则雷电流幅值为30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA时，对应的概率分别为45.61%、27.03%、10.00%、7.31%、1.97%、0.53%。8-3雷电过电压是如何形成的？答：雷电过电压的形成包括以下几种情况。（1）直击雷过电压a.雷直击于地面上接地良好的物体（图8-3）时，流过雷击点A的电流即为雷电流i。采用电流源彼德逊等值电路，则雷电流沿雷道波阻抗下来的雷电入射波的幅值I0=I/2，A点的电压幅值。b.雷直击于输电线路的导线（图8-4）时，电流波向线路的两侧流动，如果电流电压均以幅值表示，则导线被击点A的过电压幅值为（2）感应雷过电压雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压（图8-5）。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图8-5（a）所示，这些电荷对导线产生静电感应，在负先导附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。因为先导放电的速度很慢，所以导线上电荷的运动也很慢，由此引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图8-5（b）所示。电荷流动形成的电流乘以导线的波阻抗即为两侧流动的静电感应过电压波。8-4某变电所配电构架高11m，宽10.5m，拟在构架侧旁装设独立避雷针进行保护，避雷针距构架至少5m。试计算避雷针最低高度。解：由题意可知，=10.5+5=15.5m，m分别令p=1，p=5.5/，列出以下式子代入数值解得19 所以避雷针的最低高度为26.5米。8-5设某变电所的四支等高避雷针，高度为25m，布置在边长为42m的正方形的四个顶点上，试绘出高度为11m的被保护设备，试求被保护物高度的最小保护宽度。解：略8-6什么是避雷线的保护角？保护角对线路绕击有何影响？答：避雷线的保护角指避雷线和外侧导线的连线与避雷线的垂线之间的夹角，用来表示避雷线对导线的保护程度。保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免遭雷击。8-7试分析排气式避雷器与保护间隙的相同点与不同点。答：避雷器类型比较异同保护间隙排气式避雷器相同点a)当雷电波侵入时，间隙先击穿，雷电流经间隙泄入大地，从而保护了电气设备；b)过电压消失后，保护间隙中仍有工频续流流过，且切断电流有限；c)伏秒特性曲线较陡，放电分散性大，与被保护设备的绝缘配合不理想，并且动作后会形成截波，对变压器纵绝缘不利。不同点结构简单复杂熄弧能力低高辅助设备当间隙不能自行熄弧时，将引起断路器跳闸。为减少线路停电事故，应加装自动重合闸装置。排气式避雷器动作多次后，管壁将变薄，故应装设简单可靠的动作指示器。应用范围除有效接地系统和低电阻接地系统外的低压配电系统；排气式避雷器的灭弧能力不能符合要求的场合线路保护和发、变电所的进线段保护8-8试比较普通阀式避雷器与金属氧化锌避雷器的性能，说说金属氧化锌避雷器有哪些优点？答：由于氧化锌阀片优异的非线性伏安特性，使金属氧化锌避雷器（MOA）与普通阀式避雷器相比具有以下优点：（1）保护性能好；（2）无续流；（3）通流容量大；（4）运行安全可靠。8-9试述金属氧化锌避雷器的特性和各项参数的意义。答：金属氧化物避雷器电气特性的基本技术指标：（1)额定电压——避雷器两端允许施加的最大工频电压有效值，与热负载有关，是决定避雷器各种特性的基准参数。19 （2)最大持续运行电压——允许持续加在避雷器两端的最大工频电压有效值，决定了避雷器长期工作的老化性能。（3)参考电压——避雷器通过lmA工频电流阻性分量峰值或者lmA直流电流时，其两端之间的工频电压峰值或直流电压，通常用U1mA表示。从该电压开始，电流将随电压的升高而迅速增大，并起限制过电压作用。因此又称起始动作电压，也称转折电压或拐点电压（4)残压——放电电流通过避雷器时两端出现的电压峰值。包括三种放电电流波形下的残压，避雷器的保护水平是三者残压的组合。（5）通流容量——表示阀片耐受通过电流的能力。（6）压比——MOA通过波形为8／20的标称冲击放电电流时的残压与其参考电压之比。压比越小，表示非线性越好，通过冲击放电电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。（7）荷电率——MOA的最大持续运行电压峰值与直流参考电压的比值。荷电率愈高，说明避雷器稳定性能愈好，耐老化，能在靠近“转折点”长期工作。（8）保护比——标称放电电流下的残压与最大持续运行电压峰值的比值或压比与荷电率之比。保护比越小，MOA的保护性能越好。8-10限制雷电过电压破坏作用的基本措施是什么？这些防雷设备各起什么保护作用？答：限制雷电的破坏性，基本措施就是加装避雷针、避雷线、避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等防雷保护装置。避雷针、避雷线用于防止直击雷过电压，避雷器用于防止沿输电线路侵入变电所的感应雷过电压。下面主要介绍避雷针、避雷线和避雷器的保护原理及其保护范围。8-11平原地区110kV单避雷线线路水泥杆塔如图所示，绝缘子串由6×X－7组成，长为1.2m，其正极性U50%为700kV，杆塔冲击接地电阻Ri为7Ω，导线和避雷线的直径分别为21.5mm和7.8mm，15℃时避雷线弧垂2.8m，下导线弧垂5.3m，其它数据标注在图中，单位为m，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：略8-12某平原地区550kV输电线路档距为400m，导线水平布置，导线悬挂高度为28.15m，相间距离为12.5m，15℃时弧垂12.5m。导线四分裂，半径为11.75mm，分裂距离0.45m(等值半径为19.8cm)。两根避雷线半径5.3mm，相距21.4m，其悬挂高度为37m，15℃时弧垂9.5m。杆塔电杆15.6μH，冲击接地电阻为10Ω。线路采用28片XP-16绝缘子，串长4.48m，其正极性U50%为2.35MV，负极性U50%为2.74MV，试求该线路的耐雷水平和雷击跳闸率。解：略8-13为什么110kV及以上线路一般采用全线架设避雷线的保护措施，而35kV及以下线路不采用？答：输电线路的防雷，应根据线路的电压等级、负荷性质和系统运行方式，并结合当地地区雷电活动的强弱、地形地貌特点及土壤电阻率高低等情况，通过技术经济比较，采用合理的防雷方式。因此，35kV线路不宜全线架设避雷线，110kV及以上线路应全线架设避雷线。8-14输电线路防雷有哪些基本措施。答：（1）架设避雷线；（2）降低杆塔接地电阻；（3）架设耦合地线；（4）采用不平衡绝缘方式；（5）采用中性点非有效接地方式；（6）装设避雷器；（7）加强绝缘；（8）装设自动重合闸。8-15变电所进线段保护的作用和要求是什么？答：变电所进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度。针对不同电压等级的输电线路，具体要求如下：a)未沿全线架设避雷线的35kV～110kV架空送电线路，应在变电所1km～2km19 的进线段架设避雷线作为进线段保护，要求保护段上的避雷线保护角宜不超过20°，最大不应超过30°；a)110kV及以上有避雷线架空送电线路，把2km范围内进线作为进线保护段，要求加强防护，如减小避雷线的保护角α及降低杆塔的接地电阻Ri。要求进线保护段范围内的杆塔耐雷水平，达到表8-7的最大值，以使避雷器电流幅值不超过5kA(在330～500kV级为10kA)，而且必须保证来波陡度a不超过一定的允许值。8-16试述变电所进线段保护的标准接线中各元件的作用。答：在图8-32所示的标准进线段保护方式中，安装了排气式避雷器FE。在雷季，线路断路器、隔离开关可能经常开断而线路侧又带有工频电压(热备用状态)，沿线袭来的雷电波(其幅值为U50%)在此处碰到了开路的末端，于是电压可上升到2U50%，这时可能使开路的断路器和隔离开关对地放电，引起工频短路，将断路器或隔离开关的绝缘支座烧毁，为此在靠近隔离开关或断路器处装设一组排气式避雷器FE。图8-3235kV～110kV变电所的进线保护接线8-17某110kV变电所内装有FZ-110J型阀式避雷器，其安装点到变压器的电气距离为50m，运行中经常有两路出线，其导线的平均对地高度为10m，试确定应有的进线保护段长度。解：略8-18试述旋转电机绝缘的特点及直配电机的防雷保护措施。答：旋转电机绝缘的特点：（1）在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平最低；（2）电机在运行中受到发热、机械振动、臭氧、潮湿等因素的作用使绝缘容易老化。特别在槽口部分，电场极不均匀，在过电压作用下容易受伤；（3）保护旋转电机用的磁吹避雷器(FCD型)的保护性能与电机绝缘水平的配合裕度很小；（4）由于电机绕组的匝间电容K很小，所以当冲击波作用时，匝间所受电压为，要使该电压低于电机绕组的匝间耐压，必须把来波陡度a限制得很低，试验结果表明，为了保护匝间绝缘必须将侵入波陡度限制在5kV/μs以下；（5）电机绕组中性点一般是不接地的，三相进波时在直角波头情况下，中性点电压可达进波电压的两倍，因此必须对中性点采取保护措施。试验证明，侵入波陡度降低时，中性点过电压也随之减小，当侵入波陡度降至2kV/μs以下时，中性点过电压不超过进波的过电压。直配电机的防雷保护措施：（1)发电机出线母线上装一组MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的残压与电机的绝缘水平相配合，保护电机主绝缘。（2)采用进线段保护，一般采用电缆段与排气式避雷器配合的典型进线段保护，它们联合作用以限制流经避雷器中的雷电流幅值使之小于3kA。（3)在发电机母线上装设一组并联电容器，包括电缆段电容在内一般每相电容应为0.25~0.5μF，可以限制雷电侵入波的陡度a使之小于2kV/μs，同时可以降低感应雷过电压使之低于电机冲击耐压强度，保护电机匝间绝缘和中性点绝缘。（4)发电机中性点有引出线时，中性点应加装避雷器保护，如电机绕组中性点并未引出，则每相母线并联电容应增至1.5~2.0μF。19 8-19说明直配电机防雷保护中电缆段的作用。答：有电缆段的直配电机保护接线如图8-37(a)所示，雷直击于电缆首端的架空线路，排气式避雷器FE2动作，电缆芯线与外皮经FE2短接在一起，雷电流流过FE2和接地电阻R1所形成的电压iR1同时作用在芯线和外皮上，沿着外皮将有电流i2流向电机侧，于是在电缆外皮本身的电感L2上出现压降，此压降是由环绕外皮的磁力线变化所造成的，这些磁力线也必然全部环绕芯线，在芯线上同时感应出一个大小等于的反电动势来，它将阻止雷电流从电缆首端A点沿芯线向电机流动，也即限制了流经避雷器F的雷电流。8-20试述气体绝缘变电所防雷保护的特点和措施。答：气体绝缘变电所(GIS)防雷保护有以下特点：（1）GIS绝缘具有比较平坦的伏秒特性。绝缘水平主要决定于雷电冲击水平，需采用性能优异的金属氧化物避雷器加以保护。（2）GIS变电所的波阻抗一般在60~100Ω，约为架空线路的1/5，雷电侵入波从架空线路传入GIS，折射系数较小，折射电压也就较小，对GIS的雷电侵入波保护有利。（3）GIS变电所结构紧凑，各电气设备之间的距离较小，避雷器离被保护设备较近，因此可使雷电过电压限制在更低的水平。（4）GIS绝缘中完全不允许产生电晕，因为一旦产生电晕，绝缘会立即发生击穿，这样将会导致整个GIS变电所绝缘的破坏。因此，要求GIS过电压保护有较高的可靠性，并且在设备的绝缘配合上要留有足够的裕度。（5）由于GIS变电所的封闭性，所以电气设备不会因受大气污秽、降水等的影响而降低绝缘强度。但需指出，对SF6气体的洁净程度和所含水分却要求极严，同时对导体和内壁的光洁度也要求极高，否则绝缘强度将大幅度下降。气体绝缘变电所(GIS)的防雷措施有以下几点：1)66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所，在GIS管道与架空线路连接处应装设无间隙金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与管道金属外壳连接；2).66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所，在电缆与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器(FMO1)，其接地端应与电缆的金属外皮连接。对三芯电缆，末端的金属外皮应与GIS管道金属外壳连接接地，如图8-41(a)所示。对单芯电缆，末端的金属护层应经金属氧化物电缆护层保护器(FC)接地，如图8-41(b)所示。8-21什么是接地？接地有哪些类型？各有何用途？答：接地——指将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。埋入地中并直接与大地接触的金属导体称为接地极，电气装置、设施的接地端子与接地极连接用的金属导电部分称为接地线。接地按用途可分为：（1）工作接地——为运行需要所设的接地，如中性点直接接地、中性点经消弧线圈、电阻接地；（2）保护接地——电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；（3）防雷接地——为雷电保护装置（避雷针、避雷线和避雷器等）向大地泄放雷电流而设的接地；（4）静电接地——为防止静电对易燃油、天然气贮罐、氢气贮罐和管道等的危险作用而设的接地。8-22什么是接地电阻，接触电压和跨步电压？19 答：接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的比值称为接地电阻。人在地面上离设备水平距离为0.8m处于设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1.8m处两点间的电位差，称为接触电位差，即接触电压Ut。当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（水平距离0.8m）的电位差，称为跨步电位差，即跨步电压Us。8-23试计算如图8-44所示接地装置的冲击接地电阻。已知垂直接地极是由6根直径为1.8cm、长3m的圆管组成，土壤电阻率为，雷电流为40A时冲击系数为0.5，冲击利用系数为0.7。解：查表８－１９可得，对于长度为3m左右的垂直接地极，其工频接地电阻为单根垂直接地极的冲击接地电阻为：由６根等长水平放射形接地极组成的接地装置，其冲击接地装置可按下式计算8-24某220kV变电所，采用型布置，变电所面积为194.5m×201.5m，土壤电阻率为，试估算其接地网的工频接地电阻。解：查表８－１９，对于复合接地网，其工频接地电阻的简易计算式如下：第9章操作过电压与绝缘配合9-1试用集中参数等值电路来分析切空载线路过电压。答：我们用单相集中参数的简化等效电路来进行分析，如图9-1所示，在S断开之前线路电压UC(t)=e(t),设第一次熄弧（设时间为t1）发生断路器的工频电容电流ic(t)过零时，如图所示，线路上电荷无处泄放，uc(t)保留为Em，触头间电压ur（t）为Ur(t)=e(t)-Em=Em(coswt-1)经过半个周期以后，e(t)变为-Em，这时两触头间的电压，即恢复电压2Em。此时，如果触头间的介质的绝缘强度没有得到很好恢复，或绝缘恢复强度的上升速度不够快，则可能在t2时刻发生电弧重燃，相当于一次反极性重合闸，UCmax将达到-3Em，设在t＝t3时，高频(重合闸过程，回路振荡的角频率为，大于工频下的M)电容电流第一次过零时熄弧，则uc(t)将保持-3Em，又经过T／2后，e(t)又达最大值，触头间电压ur(t)为4Em。若此时触头再度重燃，则会导致更高幅值的振荡，UCmax将达+5Em。依此类推，每工频半周重燃一次，线路电压将达很高数值，直至触头间绝缘足够高，不再重燃为止。线路上的过电压将不断增大，一直达到很高的数值。19 图9-1切除空载线路时的等值计算电路图9-2空载线路合闸过电压产生的原因和影响因素是什么？答：产生的原因是合闸过程中电流无法突变，电路产生非周期分量，引起衰减性振荡，当时间达到某一值时，电压达到最大值，产生合闸过电压。影响因素一是合闸相位，二是线路损耗，三是线路上残压的变化。9-3某220kV线路全长500km，电源阻抗XS=115Ω，线路参数为L0=1.0mH/km，C0=0.015µF/km，设电源的电势为E=1.0p.u.，求线路空载时首末端的电压。解：略9-4切除空载线路过电压与切除空载变压器时产生过电压的原因有何不同？断路器灭弧性能对这两种断路器有何影响？答：切除空载线路过电压时切断的是电容电流，在介质的绝缘强度没有恢复的情况下，电弧的重燃导致电压的升高，产生过电压。而切除空载变压器时切断的是电感电流，变压器的等效回路LT、CT中产生电磁振荡，而截流现象使空载电流未过零之前就因强制熄弧而切断，此时电流不能突变，造成电容电压继续升高，产生过电压。在第一种情况下，断路器如果绝缘强度不高的话，接触点会产生重燃，而重燃加剧了电压的升高，如果要避免这种情况，就要增强断路器的灭弧性能；在第二种情况下，断路器截流能力不强则切空变过电压也比较低，反之则高。另外，如果断路器去游离作用不强时（由于灭弧能力差），截流后在断路器触头间可引起电弧重燃，使变压器侧的电容电场能量向电源释放，从而降低了这种过电压。9-5为何阀式避雷器只能限制切空载变压器过电压而不能用来限制其它操作过电压？答：阀式避雷器的通流能力和热容量有限，切空载变压器时产生的过电压幅值和电流较小，而其它操作过电压幅值较大，如在操作过电压下动作，往往发生爆炸或损坏。9-6断路器中电弧的重燃对这种过电压有什么影响？答：断路器中电弧的重燃可能会导致电磁振荡，从而引起过电压。9-7试分析在电弧接地引起的过电压中，若电弧不是在工频电流过零时熄灭，而是在高频振荡电流过零时熄灭，过电压发展情况如何？答：如果在高频电流分量过零时电弧不熄灭，则故障点的电弧将持续燃烧半个工频周期()，直到工频电流分量过零时才熄灭(t2瞬间)，由于工频电流分量与的相位差为90。，t2正好是uA＝－UΦ的瞬间。以后发生的隔半个工频周期的熄弧与再隔半个周期的电弧重燃，其过渡过程与上面完全重复，且过电压的幅值也与之相同。9-8试述消除断续电弧接地过电压的途径。答：为了消除电弧接地过电压，最根本的途径是消除间歇性电弧。若中性点接地，一旦发生单相接地，接地点将流过很大的短路电流，断路器将跳闸，从而彻底消除电弧接地过电压。目前110kV及以上电网大多采用中性点直接接地的运行方式，而35kV及以下电压等级的配电网采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。19 9-9试说明绝缘配合的重要性，实际应用中是如何考虑绝缘配合的？答：绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一，因此电力系统运行的可靠性，在很大程度上决定于设备的绝缘水平和工作状况，因此有必要考虑绝缘配合。实际应用中绝缘配合的考虑：（1）考虑到设备在运行时要承受运行电压、工频过电压及操作过电压，对电气设备绝缘规定了短时工频试验电压，对外绝缘还规定了干状态和湿状态下的工频放电电压；（2）考虑到在长期工作电压和工频过电压作用下内绝缘的老化和外绝缘的抗污秽性能，规定了设备的长时间工频试验电压；（3）考虑到雷电过电压对绝缘的作用，规定了雷电冲击试验电压等。9-10试确定220kV线路杆塔的空气间隙距离和每串绝缘子的片数，假定该线路在非污秽地区。答：220kV线路杆塔的空气间隙距离：按工作电压要求的S1值为65cm，按操作过电压要求的S2值为145cm，按雷电过电压要求的S3值为190cm，而每串绝缘子的片数至少为13。19'