高電壓技術(shù)-1到8章-課后習(xí)題答案

1-1氣體放電過(guò)程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)最重要的方式是什么，為什么？

答：碰撞電離是氣體放電過(guò)程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)最重要的方式。

這是因?yàn)殡娮芋w積小，其自由行程（兩次碰撞間質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的距離）比離子大得多，所以在

電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能比離子大得多。其次.由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子或分子，因此當(dāng)電子的

動(dòng)能不足以使中性質(zhì)點(diǎn)電離時(shí)，電子會(huì)遭到彈射而幾乎不損失其動(dòng)能；而離子因其質(zhì)量與被

碰撞的中性質(zhì)點(diǎn)相近，每次碰撞都會(huì)使其速度減小，影響其動(dòng)能的積累。

1-2簡(jiǎn)要論述湯遜放電理論。

答：設(shè)外界光電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電子，此電子到達(dá)陽(yáng)極表面時(shí)由于

&過(guò)程，電子總數(shù)增至e02'個(gè)。假設(shè)每次電離撞出一個(gè)正離子，故電極空間共有一1）

個(gè)正離子。這些正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，并撞擊陰極.按照系數(shù)7的定義，此（e㈤

-1）個(gè)正離子在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出7（^-1）個(gè)新電子，則（e㈤-1）個(gè)正離子撞擊

陰極表面時(shí)，至少能從陰極表面釋放出一個(gè)有效電子，以彌補(bǔ)原來(lái)那個(gè)產(chǎn)生電子崩并進(jìn)入陽(yáng)

極的電子，則放電達(dá)到自持放電。即湯遜理論的自持放電條件可表達(dá)為r（濯，-1）=1或7婚’

=1。

1-3為什么棒一板間隙中棒為正極性時(shí)電暈起始電壓比負(fù)極性時(shí)略高？

答：（1）當(dāng)棒具有正極性時(shí)，間隙中出現(xiàn)的電子向棒運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，開(kāi)始引起電

離現(xiàn)象而形成電子崩。隨著電壓的逐漸上升，到放電達(dá)到自持、爆發(fā)電暈之前，在間隙中形

成相當(dāng)多的電子崩。當(dāng)電子崩達(dá)到棒極后，其中的電子就進(jìn)入棒極，而正離子仍留在空間，

相對(duì)來(lái)說(shuō)緩慢地向板極移動(dòng)。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，從而減少了緊貼棒極附

近的電場(chǎng)，而略為加強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)。這樣，棒極附近的電場(chǎng)被削弱，難以造成流柱，

這就使得自持放電也即電暈放電難以形成。

（2）當(dāng)棒具有負(fù)極性時(shí)，陰極表面形成的電子立即進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，造成電子崩。當(dāng)電

子崩中的電子離開(kāi)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)后，電子就不再能引起電離，而以越來(lái)越慢的速度向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。

一部份電子直接消失于陽(yáng)極，其余的可為氧原子所吸附形成負(fù)離子。電子崩中的正離子逐漸

向棒極運(yùn)動(dòng)而消失于棒極，但由于其運(yùn)動(dòng)速度較慢,所以在棒極附近總是存在著正空間電荷。

結(jié)果在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，而在其后則是非常分散的負(fù)空間電荷。負(fù)空

間電荷由于濃度小，對(duì)外電場(chǎng)的影響不大，而正空間電荷將使電場(chǎng)畸變。棒極附近的電場(chǎng)得

到增強(qiáng)，因而自持放電條件易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流柱而形成電暈放電。

1-4雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形的波前和波長(zhǎng)時(shí)間是如何確定的？

答：圖1T3表示雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形和確定其波前和波長(zhǎng)時(shí)間的方法（波長(zhǎng)指沖擊

波衰減至半峰值的時(shí)間）。圖中0為原點(diǎn)，P點(diǎn)為波峰。國(guó)際上都用圖示的方法求得名義零

點(diǎn)圖中虛線所示，連接P點(diǎn)與0.3倍峰值點(diǎn)作虛線交橫軸于。1點(diǎn)，這樣波前時(shí)間工、

和波長(zhǎng)5都從。「算起。

目前國(guó)際匕大多數(shù)國(guó)家對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形規(guī)定是：

=1.2〃s±30%,T2=503±20%

為一波前時(shí)間心一半峰值時(shí)間Umax沖擊電壓峰值

1-5操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)是什么？

答：操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)：（1）U形曲線，其擊穿電壓與波前時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)

間無(wú)關(guān)；（2）極性效應(yīng)，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負(fù)極性的低；（3）飽和現(xiàn)象;

（4）分散性大；（5）鄰近效應(yīng)，接地物體靠近放電間隙會(huì)顯著降低正極性擊穿電壓。

1-6影響套管沿面閃絡(luò)電壓的主要因素有哪些？

答：影響套管沿面閃絡(luò)電壓的主要因素有

（1）電場(chǎng)分布情況和作用電壓波形的影響

（2）電介質(zhì)材料的影響

(3)氣體條件的影響

(4)雨水的影響

1-7具有強(qiáng)垂直分量時(shí)的沿面放電和具有弱垂直分量時(shí)的沿面放電，哪個(gè)對(duì)絕緣的危害

比較大，為什么？

答:具有強(qiáng)垂直分量時(shí)的沿面放電對(duì)絕緣的危害比較大。電場(chǎng)具有弱垂直分量的情況下,

電極形狀和布置已使電場(chǎng)很不均勻，因而介質(zhì)表面積聚電荷使電壓重新分布所造成的電場(chǎng)畸

變，不會(huì)顯著降低沿面放電電壓。另外這種情況下電場(chǎng)垂直分量較小.沿表面也沒(méi)有較大的

電容電流流過(guò)，放電過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)熱電離現(xiàn)象，故沒(méi)有明顯的滑閃放電，因而垂直于放電

發(fā)展方向的介質(zhì)厚度對(duì)放電電壓實(shí)際上沒(méi)有影響。其沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差別相

比強(qiáng)垂直分量時(shí)要小得多。

1-8某距離4m的棒-極間隙。在夏季某日干球溫度=30℃,濕球溫度=25℃,氣壓=99.8kPa

的大氣條件下，問(wèn)其正極性50%操作沖擊擊穿電壓為多少kV?(空氣相對(duì)密度=0.95)

答：距離為4m的棒-極間隙，其標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下的正極性50%操作沖擊擊穿電壓

5。標(biāo)準(zhǔn)=1300kV。

查《高電壓技術(shù)》可得空氣絕對(duì)濕度/?=20g/n?。從而/z/3=21,再由圖3-1求得參

數(shù)K=1.1o求得參數(shù)g=一幺一?』一=1300/(500X4X0.95X1.1)=0.62,于是由圖

500LoK

3-3得指數(shù)加=卬=0.34。

空氣密度校正因數(shù)=S'n=O.95034=0.9827

濕度校正因數(shù)Kh==1.產(chǎn)34=1.033

所以在這種大氣條件下，距離為4m的棒-極間隙的正極性50%操作沖擊擊穿電壓為

夏=4。標(biāo)準(zhǔn)?&?￡=1300x0.9827x1.033=1320kV。

1-9某母線支柱絕緣子擬用于海拔4500m的高原地區(qū)的35kV變電站，問(wèn)平原地區(qū)的制

造廠在標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下進(jìn)行Imin工頻耐受電壓試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電壓應(yīng)為多少kV?

解：查GB311.1-1997的規(guī)定可知，35kV母線支柱絕緣子的Imin干工頻耐受電壓應(yīng)為

lOOkV,則可算出制造廠在平原地區(qū)進(jìn)行出廠Imin干工頻耐受電壓試驗(yàn)時(shí)，其耐受電壓U

應(yīng)為

U。100

U=&U。=154kV

1.1-//X10-4-1.1-4500X10-4

第二章液體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

2-1電介質(zhì)極化的基本形式有哪幾種，各有什么特點(diǎn)？

答：電介質(zhì)極化的基本形式有

（1）電子位移極化

T一

圖（1）電子式極化

（2）偶極子極化

Ci€5C5C5C5

ooooo

(b)

圖（2）偶極子極化

（a）無(wú)外電場(chǎng)時(shí)（b）有外電場(chǎng)時(shí)

1—電極2—電介質(zhì)（極性分子）

2-2如何用電介質(zhì)極化的微觀參數(shù)去表征宏觀現(xiàn)象？

答：克勞休斯方程表明，要由電介質(zhì)的微觀參數(shù)（N、a）求得宏觀參數(shù)一介電常數(shù)

必須先求得電介質(zhì)的有效電場(chǎng)與。

（1）對(duì)于非極性和弱極性液體介質(zhì)，有效電場(chǎng)強(qiáng)度

E.=E+—=^^E

3/3

式中，P為極化強(qiáng)度（尸=￡。（￡,一1中）。

上式稱為莫索締（Mosotti）有效電場(chǎng)強(qiáng)度，將其代入克勞休斯方程［式（2-11）］,得到

非極性與弱極性液體介質(zhì)的極化方程為

Er-l_Na

Er+23E0

（2）對(duì)于極性液體介質(zhì)，由于極性液體分子具有固有偶極矩，它們之間的距離近，相

互作用強(qiáng)，造成強(qiáng)的附加電場(chǎng)，洛倫茲球內(nèi)分子作用的電場(chǎng)莫索締有效電場(chǎng)不適用。

2-3非極性和極性液體電介質(zhì)中主要極化形式有什么區(qū)別？

答：非極性液體和弱極性液體電介質(zhì)極化中起主要作用的是電子位移極化，偶極子極化

對(duì)極化的貢獻(xiàn)甚微；極性液體介質(zhì)包括中極性和強(qiáng)極性液體介質(zhì)，這類介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，

除了電子位移極化外，還有偶極子極化，對(duì)于強(qiáng)極性液體介質(zhì)，偶極子的轉(zhuǎn)向極化往往起主

要作用。

2-4極性液體的介電常數(shù)與溫度、電壓、頻率有什么樣的關(guān)系？

答：（1）溫度對(duì)極性液體電介質(zhì)的J值的影響

如圖2-2所示，當(dāng)溫度很低時(shí)，山于分子間的聯(lián)系緊密，液體電介質(zhì)黏度很大，偶極子

轉(zhuǎn)動(dòng)困難，所以￡,很??；隨著溫度的升高，液體電介質(zhì)黏度減小，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)幅度變大，

隨之變大；溫度繼續(xù)升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙極性分子沿電場(chǎng)取向，使極化減弱，彳又

開(kāi)始減小。

（2）頻率對(duì)極性液體電介質(zhì)的母值的影響

如圖2-1所示，頻率太高時(shí)偶極子來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而J值變小。其中/°相當(dāng)于直流電

場(chǎng)下的介電常數(shù)，＞6以后偶極子越來(lái)越跟不上電場(chǎng)的交變，J值不斷下降；當(dāng)頻率f=f2

時(shí)，偶極子已經(jīng)完全跟不上電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了，這時(shí)只存在電子式極化，￡,減小到J-，常溫下，

極性液體電介質(zhì)的￡rg3~6。

2-5液體電介質(zhì)的電導(dǎo)是如何形成的？電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其有何影響？

答：液體電介質(zhì)電導(dǎo)的形成：

(1)離子電導(dǎo)——分為本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)。設(shè)離子為正離子，它們處于圖

2—5中A、B、C等勢(shì)能最低的位置上作振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為u,當(dāng)離子的熱振動(dòng)能超過(guò)

鄰近分子對(duì)它的束縛勢(shì)壘“°時(shí)，離子即能離開(kāi)其穩(wěn)定位置而遷移。

(2)電泳電導(dǎo)——在工程中，為了改善液體介質(zhì)的某些理化性能，往往在液體介質(zhì)中

加入一定量的樹(shù)脂，這些樹(shù)脂在液體介質(zhì)中部分呈溶解狀態(tài)，部分可能呈膠粒狀懸浮在液體

介質(zhì)中，形成膠體溶液，此外，水分進(jìn)入某些液體介質(zhì)也可能造成乳化狀態(tài)的膠體溶液。這

些膠粒均帶有一定的電荷，當(dāng)膠粒的介電常數(shù)大于液體的介電常數(shù)時(shí)，膠粒帶正電；反之，

膠粒帶負(fù)電。膠粒相對(duì)于液體的電位一般是恒定的，在電場(chǎng)作用下定向的遷移構(gòu)成“電

泳電導(dǎo)

電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

(1)弱電場(chǎng)區(qū)：在通常條件下，當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，液體介質(zhì)的離子

電導(dǎo)率/是與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的常數(shù)，其導(dǎo)電規(guī)律遵從歐姆定律。

(2)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)：在E'lO'v/m的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，除極純

凈的液體介質(zhì)外，??般不存在明顯的飽和電流區(qū)。液體電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)下的電導(dǎo)具有電子碰

撞電離的特點(diǎn)。

2-6目前液體電介質(zhì)的擊穿理論主要有哪些？

答：液體介質(zhì)的擊穿理論主要有三類：

(1)高度純凈去氣液體電介質(zhì)的電擊穿理論

(2)含氣純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論

(3)工程純液體電介質(zhì)的雜質(zhì)擊穿理論

2-7液體電介質(zhì)中氣體對(duì)其電擊穿有何影響？

答：氣泡擊穿觀點(diǎn)認(rèn)為，不論由于何種原因使液體中存在氣泡時(shí)，由于交變電壓下兩串

聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)介電常數(shù)成反比，氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度比液體介質(zhì)高，而氣體的擊穿

場(chǎng)強(qiáng)又比液體介質(zhì)低得多，所以總是氣泡先發(fā)生電離，這又使氣泡溫度升高，體積膨脹，電

離將進(jìn)一步發(fā)展；而氣泡電離產(chǎn)生的高能電子又碰撞液體分子，使液體分子電離生成更多的

氣體，擴(kuò)大氣體通道，當(dāng)氣泡在兩極間形成“氣橋”時(shí)，液體介質(zhì)就能在此通道中發(fā)生擊穿。

熱化氣擊穿觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)液體中平均場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到107?108V/m時(shí)，陰極表血微尖端處的場(chǎng)

強(qiáng)就可能達(dá)到108V/m以上。由于場(chǎng)致發(fā)射，大量電子山陰極表面的微尖端注入到液體中，

估計(jì)電流密度可達(dá)105A/m2以上。按這樣的電流密度來(lái)估算發(fā)熱，單位體積、單位時(shí)間中的

發(fā)熱量約為1013J/（s?m3）,這些熱量用來(lái)加熱附近的液體，足以使液體氣化。當(dāng)液體得

到的能量等于電極附近液體氣化所需的熱量時(shí)，便產(chǎn)生氣泡，液體擊穿。

電離化氣擊穿觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)液體介質(zhì)中電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，高能電子出現(xiàn)，使液體分子C-H

鍵（C—C鍵）斷裂，液體放氣。

2-8水分、固體雜質(zhì)對(duì)液體電介質(zhì)的絕緣性能有何影響？

答：（1）水分的影響

當(dāng)水分在液體中呈懸浮狀態(tài)存在時(shí)，由于表面張力的作用，水分呈圓球狀（即膠粒），

均勻懸浮在液體中，一般水球的直徑約為102?10'em。在外電場(chǎng)作用下，由于水的介電常

數(shù)很大，水球容易極化而沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)成為橢圓球，如果定向排列的橢圓水球貫穿于電極

間形成連續(xù)水橋，則液體介質(zhì)在較低的電壓下發(fā)生擊穿。

（2）固體雜質(zhì)的影響

一般固體懸浮粒子的介電常數(shù)比液體的大，在電場(chǎng)力作用下，這些粒子向電場(chǎng)強(qiáng)度最大

的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，在電極表面電場(chǎng)集中處逐漸積聚起來(lái)，使液體介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。

2-9如何提高液體電介質(zhì)的擊穿電壓？

答：工程應(yīng)用上經(jīng)常對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾、吸附等處理，除去粗大的雜質(zhì)粒子，以提高

液體介質(zhì)的擊穿電壓。

第三章固體的絕緣特性與介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

3-1什么叫電介質(zhì)的極化？極化強(qiáng)度是怎么定義的？

答：電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)

象和偶極子的取向現(xiàn)象。電介質(zhì)的極化強(qiáng)度可用介電常數(shù)的大小來(lái)表示，它與該介質(zhì)分子的

極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。

3-2固體無(wú)機(jī)電介質(zhì)中，無(wú)機(jī)晶體、無(wú)機(jī)玻璃和陶瓷介質(zhì)的損耗主要由哪些損耗組成?

答：（1）無(wú)機(jī)晶體介質(zhì)只有位移極化，其介質(zhì)損耗主要來(lái)源于電導(dǎo)；

（2）無(wú)機(jī)玻璃的介質(zhì)損耗可以認(rèn)為主要由三部分組成：電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損

耗；

（3）陶瓷介質(zhì)可分為含有玻璃相和幾乎不含玻璃相兩類，第一類陶瓷是含有大量玻璃

相和少量微晶的結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)損耗主要由三部分組成：玻璃相中離子電導(dǎo)損耗、結(jié)構(gòu)較松的

多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)引起的松弛戰(zhàn)耗以及氣隙中含水引起的界面附加損耗，tanb相當(dāng)大。第二類

是由大量的微晶晶粒所組成，僅含有極少量或不含玻璃相，通常結(jié)晶相結(jié)構(gòu)緊密，tan3比

第一類陶窗小得多。

3-3固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)率除了介質(zhì)的性質(zhì)之外，還與哪些因素有關(guān)？它們各有什么影

響？

答：介質(zhì)的表面電導(dǎo)率人不僅與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且強(qiáng)烈地受到周圍環(huán)境的濕度、

溫度、表面的結(jié)構(gòu)和形狀以及表面粘污情況的影響。

（1）電介質(zhì)表面吸附的水膜對(duì)表面電導(dǎo)率的影響

由于濕空氣中的水分子被吸附于介質(zhì)的表面，形成一層很薄的水膜。因?yàn)樗旧頌榘雽?dǎo)

體（金=l（）SQ-in）,所以介質(zhì)表面的水膜將引起較大的表面電流，使兀增加。

（2）電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)對(duì)表面電導(dǎo)率的影響

電介質(zhì)按水在介質(zhì)表面分布狀態(tài)的不同，可分為親水電介質(zhì)和疏水電介質(zhì)兩大類。

a）親水電介質(zhì)：這種介質(zhì)表面所吸附的水易于形成連續(xù)水膜，故表面電導(dǎo)率大，特別

是一些含有堿金屬離子的介質(zhì)，介質(zhì)中的堿金屬離子還會(huì)進(jìn)入水膜，降低水的電阻率，使表

面電導(dǎo)率進(jìn)一步上升，甚至喪失其絕緣性能。

b）疏水電介質(zhì)：這些介質(zhì)分子為非極性分子所組成，它們對(duì)水的吸引力小于水分子的

內(nèi)聚力，所以吸附在這類介質(zhì)表面的水往往成為孤立的水滴，其接觸角9>901不能形成連

續(xù)的水膜，故兀很小，且大氣濕度的影響較小。

（3）電介質(zhì)表面清潔度對(duì)表面電導(dǎo)率的影響

表面沾污特別是含有電解質(zhì)的沾污，將會(huì)引起介質(zhì)表面導(dǎo)電水膜的電阻率下降，從而使

7升高。

3-4固體介質(zhì)的擊穿主要有哪幾種形式？它們各有什么特征？

答：固體電介質(zhì)的擊穿中，常見(jiàn)的有熱擊穿、電擊穿和不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿等

形式。

（1）熱擊穿

熱擊穿的主要特征是：不僅與材料的性能有關(guān)，還在很大程度上與絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配

置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān)，因此熱擊穿強(qiáng)度不能看作是電介質(zhì)材料的本

征特性參數(shù)。

（2）電擊穿

電擊穿的主要特征是：擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，實(shí)用絕緣系統(tǒng)不可能達(dá)到；在一定溫度范圍內(nèi)，擊

穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大。均勻電場(chǎng)中電擊穿場(chǎng)強(qiáng)反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作

用能力的最大限度，它僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，是材料的特性參數(shù)之一。

（3）不均勻電介質(zhì)的擊穿

擊穿從耐電強(qiáng)度低的氣體開(kāi)始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介

質(zhì)劣化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。

3-5局部放電引起電介質(zhì)劣化、損傷的主要原因有哪些？

答：局部放電引起電介質(zhì)劣化損傷的機(jī)理是多方面的，但主要有如下三個(gè)方面：

（1）電的作用：帶電粒子對(duì)電介質(zhì)表面的直接轟擊作用，使有機(jī)電介質(zhì)的分子主鏈斷

裂；

（2）熱的作用：帶電粒子的轟擊作用引起電介質(zhì)局部的溫度上升，發(fā)生熱熔解或熱降

解；

（3）化學(xué)作用：局部放電產(chǎn)生的受激分子或二次生成物的作用，使電介質(zhì)受到的侵蝕

可能比電、熱作用的危害更大。

3-6聚合物電介質(zhì)的樹(shù)枝化形式主要有哪幾種？它們各是什么原因形成的？

答：引起聚合物電介質(zhì)樹(shù)枝化的原因是多方面的，所產(chǎn)生的樹(shù)枝亦不同。

（1）電樹(shù)枝

樹(shù)枝因介質(zhì)中間歇性的局部放電而緩慢地?cái)U(kuò)展，或在脈沖電壓作用下迅速發(fā)展，或在無(wú)

任何局部放電的情況下，由于介質(zhì)中局部電場(chǎng)集中而發(fā)生。

（2）水樹(shù)枝

樹(shù)枝因存在水分而緩慢發(fā)生，如在水下運(yùn)行的200?700V低壓電纜中也發(fā)現(xiàn)有樹(shù)枝，一

般稱為水樹(shù)枝，即直流電壓下也能促進(jìn)樹(shù)枝化。

（3）電化學(xué)樹(shù)枝

因環(huán)境污染或絕緣中存在雜質(zhì)而引起，如電纜中由于腐蝕性氣體在線芯處擴(kuò)散，與銅發(fā)

生反應(yīng)就形成電化學(xué)樹(shù)枝。

3-7均勻固體介質(zhì)的熱擊穿電壓是如何確定的？

答：一般情況下，可以近似化為以下兩種極端情況來(lái)討論

（1）脈沖熱擊穿

認(rèn)為電場(chǎng)作用時(shí)間很短，以致導(dǎo)熱過(guò)程可以忽略不計(jì)，則熱平衡方程為

dT.

at

（2）穩(wěn)態(tài)熱擊穿

電壓長(zhǎng)時(shí)間作用，介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢，熱擊穿臨界電壓為

小%"

3-8試比較氣體、液體和固體介質(zhì)擊穿過(guò)程的異同。

答：（1）氣體介質(zhì)的擊穿過(guò)程

氣體放電都有從電子碰撞電離開(kāi)始發(fā)展到電子崩的階段。

由于外電離因素的作用，在陰極附近出現(xiàn)一個(gè)初始電子，這一電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí);如

電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，則會(huì)發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生1個(gè)新電子。新電子與初始電子在向陽(yáng)極的行進(jìn)

過(guò)程中還會(huì)發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生兩個(gè)新電子，電子總數(shù)增加到4個(gè)。第三次電離后電子數(shù)將

增至8個(gè)，即按幾何級(jí)數(shù)不斷增加。電子數(shù)如雪崩式的增長(zhǎng)，即出現(xiàn)電子崩。

（2）液體介質(zhì)的擊穿過(guò)程

a）電擊穿理論以碰撞電離開(kāi)始為擊穿條件。

液體介質(zhì)中由于陰極的場(chǎng)致發(fā)射或熱發(fā)射的電子在電場(chǎng)中被加速而獲得動(dòng)能，在它

碰撞液體分子時(shí)又把能量傳遞給液體分子，電子損失的能量都用于激發(fā)液體分子的熱振動(dòng)。

當(dāng)電子在相鄰兩次碰撞間從電場(chǎng)中得到的能量大于hu時(shí)，電子就能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸積累

能量，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與液體相互作用時(shí)便導(dǎo)致碰撞電離。

b）氣泡擊穿理論

液體中存在氣泡時(shí)，由于交變電壓下兩串聯(lián)介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)介電常數(shù)成反比，氣

泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度比液體介質(zhì)高，而氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比液體介質(zhì)低得多，所以氣泡先發(fā)生電

離，使氣泡溫度升高，體積膨脹，電離進(jìn)一步發(fā)展；而氣泡電離產(chǎn)生的高能電子又碰撞液體

分子，使液體分子電離生成更多的氣體，擴(kuò)大氣體通道，當(dāng)氣泡在兩極間形成“氣橋”時(shí)，

液體介質(zhì)就能在此通道中發(fā)生擊穿。

（3）固體介質(zhì)的擊穿過(guò)程

固體電介質(zhì)的擊穿中，常見(jiàn)的有熱擊穿、電擊穿和不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿等形式。

a）熱擊穿

當(dāng)固體電介質(zhì)加上電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)中發(fā)生的損耗將引起發(fā)熱，使介質(zhì)溫度升高，最終導(dǎo)

致熱擊穿。

b）電擊穿

在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)

出現(xiàn)的一種擊穿現(xiàn)象。

c）不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿

從耐電強(qiáng)度低的氣體開(kāi)始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣

化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。

第四章絕緣的預(yù)防性試驗(yàn)

4-1測(cè)量絕緣電阻能發(fā)現(xiàn)哪些絕緣缺陷?試比較它與測(cè)量泄漏電流試驗(yàn)項(xiàng)目的異同。

答：測(cè)量絕緣電阻能有效地發(fā)現(xiàn)下列缺陷：總體絕緣質(zhì)量欠佳；絕緣受潮；兩極間有貫

穿性的導(dǎo)電通道；絕緣表面情況不良。測(cè)量絕緣電阻和測(cè)量泄露電流試驗(yàn)項(xiàng)目的相同點(diǎn)：兩

者的原理和適用范圍是一樣的，不同的是測(cè)量泄漏電流可使用較高的電壓（10kV及以上），

因此能比測(cè)量絕緣電阻更有效地發(fā)現(xiàn)一些尚未完全貫通的集中性缺陷。

4-2絕緣干燥時(shí)和受潮后的吸收特性有什么不同？為什么測(cè)量吸收比能較好的判斷絕

緣是否受潮？

答：絕緣干燥時(shí)的吸收特性區(qū)＞2,而受潮后的吸收特性叢=1。如果測(cè)試品受潮，

凡4

那么在測(cè)試時(shí)，吸收電流不僅在起始時(shí)就減少，同時(shí)衰減也非常快，吸收比的比值會(huì)有明顯

不同，所以通過(guò)測(cè)量吸收比可以判斷絕緣是否受潮。

4-3簡(jiǎn)述西林電橋的工作原理。為什么橋臂中的?個(gè)要采用標(biāo)準(zhǔn)電容器?這一試驗(yàn)項(xiàng)目

的測(cè)量準(zhǔn)確度受到哪些因素的影響？

答：

西林電橋是利用電橋平衡的原理，當(dāng)流過(guò)電橋的電流相等時(shí)，電流檢流計(jì)指向零點(diǎn)，即

沒(méi)有電流通過(guò)電流檢流計(jì)，此時(shí)電橋相對(duì)橋臂上的阻抗乘積值相等，通過(guò)改變后和4來(lái)確

定電橋的平衡以最終計(jì)算出G和tan以采用標(biāo)準(zhǔn)電容器是因?yàn)橛?jì)算被試品的電容需要多個(gè)

值來(lái)確定，如果定下橋臂的電容值，在計(jì)算出tan6的情況下僅僅調(diào)節(jié)電阻值就可以最終確

定被試品電容值的大小。

這一試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量準(zhǔn)確度受到下列因素的影響：處于電磁場(chǎng)作用范圍的電磁干擾、溫

度、試驗(yàn)電壓、試品電容量和試品表面泄露的影響。

4-4在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量tan6而電橋無(wú)法達(dá)到平衡時(shí)，應(yīng)考慮到什么情況并采取何種措施使電

橋調(diào)到平衡？

答：此時(shí)可能是處于外加電場(chǎng)的干擾下，應(yīng)采用下列措施使電橋調(diào)到平衡：

(1)加設(shè)屏蔽，用金屬屏蔽罩或網(wǎng)把試品與干擾源隔開(kāi)；

(2)采用移相電源；

(3)倒相法。

4-5什么是測(cè)量tan8的正接線和反接線?它們各適用于什么場(chǎng)合？

答：正接線是被試品G的兩端均對(duì)地絕緣，連接電源的高壓端，而反接線是被試品接

于電源的低壓端。反接線適用于被試品的一極固定接地時(shí)，而正接線適用于其它情況。

4-6綜合比較本章中介紹的各種預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目的效能和優(yōu)缺點(diǎn)(能夠發(fā)現(xiàn)和不易發(fā)現(xiàn)

的絕緣缺陷種類、檢測(cè)靈敏度、抗干擾能力、局限性等)。

答：測(cè)量絕緣電阻能有效地發(fā)現(xiàn)下列缺陷：總體絕緣質(zhì)量欠佳；絕緣受潮；兩極間有貫

穿性的導(dǎo)電通道；絕緣表面情況不良。測(cè)量絕緣電阻不能發(fā)現(xiàn)下列缺陷：絕緣中的局部缺陷：

如非貫穿性的局部損傷、含有氣泡、分層脫開(kāi)等；絕緣的老化：因?yàn)橐呀?jīng)老化的絕緣，其絕

緣電阻還可能是相當(dāng)高的。

4-7總結(jié)進(jìn)行各種預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

答：測(cè)量絕緣電阻時(shí)應(yīng)注意下列兒點(diǎn)：

(1)試驗(yàn)前應(yīng)將試品接地放電一定時(shí)間。對(duì)容量較大的試品，一般要求5-10min.這是

為了避免被試品上可能存留殘余電荷而造成測(cè)量誤差。試驗(yàn)后也應(yīng)這樣做，以求安全.

(2)高壓測(cè)試連接線應(yīng)盡量保持架空，確需使用支撐時(shí)，要確認(rèn)支撐物的絕緣對(duì)被試品

絕緣測(cè)量結(jié)果的影響極小。

(3)測(cè)量吸收比時(shí)，應(yīng)待電源電壓達(dá)穩(wěn)定后再接入試品，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

(4)對(duì)帶有繞組的被試品，加先將被測(cè)繞組首尾短接，再接到L端子：其他非被測(cè)繞組

也應(yīng)先首尾短接后再接到應(yīng)接端子。

(5)絕緣電阻與溫度有十分顯著的關(guān)系。絕緣溫度升高時(shí)，絕緣電阻大致按指數(shù)率降

低.吸收比的值也會(huì)有所改變。所以，測(cè)量絕緣電阻時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確記錄當(dāng)時(shí)絕緣的溫度，而在

比較時(shí)，也應(yīng)按相應(yīng)溫度時(shí)的值來(lái)比較。

(6)每次測(cè)試結(jié)束時(shí)，應(yīng)在保持兆歐表電源電壓的條件下，先斷開(kāi)L端子與被試品的連

線，以免試品對(duì)兆歐表反向放電，損壞儀表。

4-8對(duì)絕緣的檢查性試驗(yàn)方法，除本章所述者外，還有哪些可能的方向值得進(jìn)行探索研

究的?請(qǐng)開(kāi)拓性地、探索性地考慮一下，也請(qǐng)大致估計(jì)一下這些方法各適用于何種電氣設(shè)備,

對(duì)探測(cè)何種絕緣缺陷可能有效。

答：略

4-9綜合計(jì)論：現(xiàn)行對(duì)絕緣的離線檢查性試驗(yàn)存在哪些不足之處?探索一下：對(duì)某些電

氣設(shè)備絕緣進(jìn)行在線檢測(cè)的可能性和原理性方法。

答：不足之處：需要停電進(jìn)行，而不少重要的電力設(shè)備不能輕易地停止運(yùn)行；監(jiān)測(cè)間隔

周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣故障；停電后的設(shè)備狀態(tài)與運(yùn)行時(shí)的設(shè)備狀態(tài)不相符，影響診

斷的正確性。

第五章電氣絕緣高電壓試驗(yàn)

5-1簡(jiǎn)述直流耐壓試驗(yàn)與交流相比有哪些主要特點(diǎn)。

答：(1)直流下沒(méi)有電容電流，要求電源容量很小，加上可么用串級(jí)的方法產(chǎn)生高壓直

流，所以試驗(yàn)設(shè)備可以做得比較輕巧，適合于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性試驗(yàn)的要求。特別對(duì)容量較大的試

品，如果做交流耐壓試驗(yàn)，需要較大容量的試驗(yàn)設(shè)備，在一般情況下不容易辦到。而做直流

耐壓試驗(yàn)時(shí)，只需供給絕緣泄漏電流(最高只達(dá)毫安級(jí))，試驗(yàn)設(shè)備可以做得體積小而且比

較輕便，適合現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性試驗(yàn)的要求。

(2)在試驗(yàn)時(shí)可以同時(shí)測(cè)量泄漏電流，由所得的“電壓一電流”曲線能有效地顯示絕

緣內(nèi)部的集中性缺陷或受潮，提供有關(guān)絕緣狀態(tài)的補(bǔ)充信息。

(3)直流耐壓試驗(yàn)比之交流耐壓試驗(yàn)更能發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷。其原因是直流下

沒(méi)有電容電流流經(jīng)線棒絕緣，因而沒(méi)有電容電流在半導(dǎo)體防暈層上造成的電壓降，故端部絕

緣上分到的電壓較高，有利于發(fā)現(xiàn)該處絕緣缺陷。

(4)在直流高壓下，局部放電較弱，不會(huì)加快有機(jī)絕緣材料的分解或老化變質(zhì)，在某

種程度匕帶有非破壞性試驗(yàn)的性質(zhì)。

5-2直流耐壓試驗(yàn)電壓值的選擇方法是什么？

答：山于直流下絕緣的介質(zhì)損耗很小，局部放電的發(fā)展也遠(yuǎn)比交流下微弱，所以直流下

絕緣的電氣強(qiáng)度般要比交流下的高。在選擇試驗(yàn)電壓值時(shí)必須考慮到這?點(diǎn)，直流耐壓試

驗(yàn)所用的電壓往往更高些，并主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，一般為額定電壓的2倍以上，且是

逐級(jí)升壓，一旦發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，可及時(shí)停止試驗(yàn)，進(jìn)行處理。直流耐壓試驗(yàn)的時(shí)間可以比交

流耐壓試驗(yàn)長(zhǎng)一些，所以發(fā)電機(jī)試驗(yàn)時(shí)是以每級(jí)0.5倍額定電壓分階段升高，每階段停留

Imin,讀取泄漏電流值。電纜試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)電壓下持續(xù)5min,以觀察并讀取泄漏電流值。

5-3高壓實(shí)驗(yàn)室中被用來(lái)測(cè)量交流高電壓的方法常用的有幾種？

答：用測(cè)量球隙或峰值電壓表測(cè)量交流電壓的峰值，用靜電電壓表測(cè)量交流電壓的有效

值(峰值電壓表和靜電電壓表還常與分壓器配合使用以擴(kuò)大儀表的量程)，為了觀察被測(cè)電

壓的波形，也可從分壓器低壓側(cè)將輸出的被測(cè)信號(hào)送至示波器顯示波形。

5-4簡(jiǎn)述高壓試驗(yàn)變壓器調(diào)壓時(shí)的基本要求。

答：試驗(yàn)變壓器的電壓必須從零調(diào)節(jié)到指定值，同時(shí)還應(yīng)注意：

(1)電壓應(yīng)該平滑地調(diào)節(jié)，在有滑動(dòng)觸頭的調(diào)壓器中，不應(yīng)該發(fā)生火花；

(2)調(diào)壓器應(yīng)在試驗(yàn)變壓器的輸入端提供從零到額定值的電壓，電壓具有正弦波形且沒(méi)

有畸變；

(3)調(diào)壓器的容量應(yīng)不小于試驗(yàn)變壓器的容量。

5-535kV電力變壓器，在大氣條件為P=1.05xIO'Pa,t=27℃時(shí)做工頻耐壓試驗(yàn),

應(yīng)選用球隙的球極直徑為多大？球隙距離為多少？

解：根據(jù)《規(guī)程》，35kV電力變壓器的試驗(yàn)電壓為

5=85x85%=72（kV）

因?yàn)殡娏ψ儔浩鞯慕^緣性能基本上不受周圍大氣條件的影響，所以保護(hù)球隙的實(shí)際放電

電壓應(yīng)為

=（1.05?1.15"，

若取=L05U$=1.05x72x及=106.9（kV,最大值），也就是說(shuō)，球隙的實(shí)際放

電電壓等于106.9kV（最大值）。因?yàn)榍蛳兜姆烹婋妷号c球極直徑和球隙距離之間關(guān)系是在標(biāo)

準(zhǔn)大氣狀態(tài)下得到的，所以應(yīng)當(dāng)把實(shí)際放電電壓換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的放電電壓U0,即

+77

U?=xl06.9=105.7（kV,最大值）,

°0.289x1050

查球隙的工頻放電電壓表，若選取球極直徑為10cm,則球隙距離為4cm時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)大

氣狀態(tài)下的放電電壓為105kV（最大值）。而在試驗(yàn)大氣狀態(tài)下的放電電壓

0.289x1050

（7=------------------xl05=106.2（kV,最大值）

°0300

5-6工頻高壓試驗(yàn)需要注意的問(wèn)題？

答：在電氣設(shè)備的工頻高壓試驗(yàn)中，除了按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定認(rèn)真制定試驗(yàn)方案外，還須

注意下列問(wèn)題：

（1）防止工頻高壓試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的過(guò)電壓；

（2）試驗(yàn)電壓的波形畸變與改善措施。

5-7簡(jiǎn)述沖擊電流發(fā)生器的基本原理。

答：由一組高壓大電容量的電容器，先通過(guò)直流高壓并聯(lián)充電，充電時(shí)間為幾十秒到幾

分；然后通過(guò)觸發(fā)球隙的擊穿，并聯(lián)地對(duì)試品放電，從而在試品上流過(guò)沖擊大電流。

圖5-22沖擊電壓發(fā)生器原理圖

5-8沖擊電壓發(fā)生器的起動(dòng)方式有哪幾種？

答：沖擊電壓發(fā)生器的起動(dòng)方式有以下兩種：

①是自起動(dòng)方式。這時(shí)只要將點(diǎn)火球隙F,的極間距離調(diào)節(jié)到使其擊穿電壓等于所需的

充電電壓■，當(dāng)艮上的電壓上升到等于上時(shí)，F(xiàn)l即自行擊穿，起動(dòng)整套裝置。可見(jiàn)這時(shí)輸

出的沖擊電壓高低主要取決于F,的極間距離，提高充電電源的電壓，只能加快充電速度和

增大沖擊波的輸出頻度，而不能提高輸出電壓。

②是使各級(jí)電容器充電到個(gè)略低于R擊穿電壓的電壓水平上，處于準(zhǔn)備動(dòng)作的狀態(tài)，

然后利用點(diǎn)火裝置產(chǎn)生一點(diǎn)火脈沖，達(dá)到點(diǎn)火球隙B中的一個(gè)輔助間隙上使之擊穿并引起

F|主間隙的擊穿，以起動(dòng)整套裝置。

5-9最常用的測(cè)量沖擊電壓的方法有哪幾種？

答：

目前最常用的測(cè)量沖擊電壓的方法有：①分壓器-示波器；②測(cè)量球隙；③分壓器-峰值

電壓表。

球隙和峰值電壓表只能測(cè)量電壓峰值，示波器則能記錄波序，即不僅指示峰值而且能顯

示電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程。

第七章輸電線路和繞組中的波過(guò)程

7-1為什么需要用波動(dòng)過(guò)程研究電力系統(tǒng)中過(guò)電壓？

答：實(shí)際電力系統(tǒng)采用三相交流或雙極直流輸電，屬于多導(dǎo)線線路，而且沿線路的電場(chǎng)、

磁場(chǎng)和損耗情況也不盡相同，因此所謂均勻無(wú)損單導(dǎo)線線路實(shí)際上是不存在的。但為了揭示

線路波過(guò)程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，可暫時(shí)忽略線路的電阻和電導(dǎo)損耗，假定沿線線路參數(shù)

處處相同，故首先研究均勻無(wú)損單導(dǎo)線中的波過(guò)程。

7-2試分析波阻抗的物理意義及其與電阻之不同點(diǎn)？

答：分布參數(shù)線路的波阻抗與集中參數(shù)電路的電阻雖然有相同的量綱，但物理意義上有

著本質(zhì)的不同:

(1)波阻抗表示向同一方向傳播的電壓波和電流波之間比值的大小；電磁被通過(guò)波阻

抗為Z的無(wú)損線路時(shí)，其能量以電磁能的形式儲(chǔ)存于周圍介質(zhì)中.而不像通過(guò)電阻那樣被

消耗掉。

(2)為了區(qū)別不同方向的行波，Z的前面應(yīng)有正負(fù)號(hào)。

(3)如果導(dǎo)線上有前行波，又有反行波，兩波相遇時(shí)，總電壓和總電流的比值不再等

于波阻抗，即

?=%+即=2町+4.z

iif+ibu(—%

(4)波阻抗的數(shù)值Z只與導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電感L0和電容Co有關(guān)，與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

7-3試分析直流電勢(shì)E合閘于有限長(zhǎng)導(dǎo)線(長(zhǎng)度為1,波阻為Z)的情況，末端對(duì)地接有

電阻R(如圖7-24所示)。假設(shè)直流電源內(nèi)阻為零。

(1)當(dāng)R=Z時(shí)，分析末端與線路中間’的電壓波形；

2

(2)R=8時(shí)，分析末端與線路中間」的電壓波形；

2

(3)當(dāng)R=0時(shí)，分析末端的電流波形和線路中間L的電壓波形。

2

解：(1)當(dāng)R=Z時(shí)，沒(méi)有反射電壓波和反射電流波，即=0。則末端與線路中間」的

2

電壓相同，u2-ul-ulh+uif-E,波形如下。

圖(1)末端接集中負(fù)載R=Z時(shí)的電壓波形

(2)當(dāng)R=8時(shí)，根據(jù)折射和反射系數(shù)計(jì)算公式(7-17),a=2,4=1,即末端電壓

U2=U2t=2E,反射電壓uib=E,線路中間;的電壓場(chǎng)=""+%/=2E,波形如下。

￡

圖(2)末端開(kāi)路時(shí)的電壓波形

(3)當(dāng)R=0時(shí)，根據(jù)折射和反射系數(shù)計(jì)算公式(7-17),。=0,夕=-1,即線路末端電

壓U2=U2f=0,反射電壓uib=-E,線路中間5的電壓為=ulb+〃"=0。反射電流

m=一至=一二￡=心。在反射波到達(dá)范圍內(nèi)，導(dǎo)線上各點(diǎn)電流為=i“+S=2iy,末端

zz"?ijv

-2E

的電流i2=j=-------o

圖(3—2)末端接地時(shí)線路中間g?的電壓波形

7-4母線上接有波阻抗分別為Zl、Z2、Z3的三條出線，從Z1線路上傳來(lái)幅值為E的無(wú)

窮長(zhǎng)直角電壓波。求出在線路Z3出現(xiàn)的折射波和在線路Z1上的反射波。

解：當(dāng)無(wú)窮長(zhǎng)直角波4=E沿線路Z1達(dá)到母線后，在線路ZI上除對(duì)「力外又會(huì)產(chǎn)

生新的行波，，仍、ilb,因此線路上總的電壓和電流為

%=%f+?i/J

J

設(shè)線路Z2為無(wú)限長(zhǎng)，或在線路Z2上未產(chǎn)生反射波前\線路Z2上只有前行波沒(méi)有反行

波，則線路Z2上的電壓和電流為

u2=u2f

Z2-Z2/,

同理，線路Z3卜.的電壓和電流為

?3="3f

i3f,

然而母線上只能有一個(gè)電壓電流，因此其左右兩邊的電壓電流相等，即%=〃2=〃3,

i}=i2+i3,因此有

U2f~U3f=U\f+ll\b

hf+i3f=i\f+i\h

將"=Z],^-=z2,^-=Z3,①=一Z],〃獷=￡代入上式得,

l\fl2fl3fl\b

線路Z3出現(xiàn)的折射波

,3=，2=；(E-Z兒)2Z2

,3/3Z/、+Z]Z?+Z2Z3

2Z9Z3

Z[Z§+Z]Z2+z?、

線路zi出現(xiàn)的反射波

_Z?3+ZjZ2—Z2Z3

nZ^Z^Z.Z^Z.Z.)

_/ZZ+Z,Z-ZZ

=_Z7?=-EI?(---I--3---------2-----9---3-)

ZZ3+ZZ2+Z2Z3

i=g+石Z]Z?+ZZ2-Z2Z3__E2(Z]Z3+Z￡)

Z]Z1(Z|Z3+ZjZ2Z9Z3)Z](ZZ3+Z]Z?+Z2Z3)

u^E-E(Z￡+ZZ-Z2Z3)=E---------^3---------

Z[Z§+Z]Z?+Z2Z3Z[Z?+Z]Z?+Z2Z3

7-5有一直角電壓波E沿波阻抗為Z=500Q的線路傳播，線路末端接有對(duì)地電容C=

0.01|1Fo

⑴畫(huà)出計(jì)算末端電壓的彼德遜等值電路，并計(jì)算線路末端電壓波形;

(2)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，把電容C等值為線段，用網(wǎng)格圖計(jì)算線路末端的電壓波形;

(3)畫(huà)出以上求得的電壓波形，并進(jìn)行比較。

解：(1)計(jì)算末端電壓的彼德遜等值電路如圖(4),線路末端電壓為

u

2/Z+Z2

圖(4)彼德遜等值電路

(2)略

(3)略

7-6波在傳播中的衰減與畸變的主要原因？說(shuō)明沖擊電暈對(duì)雷電波波形影響的原因？

答：波的衰減和變形受到以下因素的影響：

(1)線路電阻和絕緣電導(dǎo)的影晌

實(shí)際輸電線路并不滿足無(wú)變形條件(式7-28),因此波在傳播過(guò)程中不僅會(huì)衰減，同時(shí)

還會(huì)變形。此外由于集膚效應(yīng)，導(dǎo)線電阻隨著頻率的增加而增加。任意波形的電磁波可以分

解成為不同頻率的分量，因?yàn)楦鞣N頻率下的電阻不同，波的衰減程度不同，所以也會(huì)引起波

傳播過(guò)程中的變形。

(2)沖擊電暈的影響

由于電暈要消耗能量，消耗能量的大小又與電壓的瞬時(shí)值有關(guān)，故將使行波發(fā)生衰減的

同時(shí)伴隨有波形的畸變。

沖擊電暈對(duì)雷電波波形影響的原因：

雷電沖擊波的幅值很高，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊電暈。研究表明，形成沖擊電暈所

需的時(shí)間非常短，大約在正沖擊時(shí)只需0.05(is,在負(fù)沖擊時(shí)只需0.01(is；而且與電壓陡度

的關(guān)系非常小。由此可以認(rèn)為，在不是非常陡峭的波頭范圍內(nèi)，沖擊電暈的發(fā)展主要只與電

壓的瞬時(shí)值有關(guān)。但是不同的極性對(duì)沖擊電暈的發(fā)展有顯著的影響。當(dāng)產(chǎn)生正極性沖擊電暈

時(shí)，電子在電場(chǎng)作用下迅速移向?qū)Ь€，正空間電荷加強(qiáng)距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，有利于

電暈的進(jìn)一步發(fā)展；電暈外觀是從導(dǎo)線向外引出數(shù)量較多較長(zhǎng)的細(xì)絲。當(dāng)產(chǎn)生負(fù)極性電暈時(shí),

正空間電荷的移動(dòng)不大，它的存在減弱了距導(dǎo)線較遠(yuǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度.使電暈不易發(fā)展；電暈

外觀上是較為完整的光圈。由于負(fù)極性電暈發(fā)展較弱，而雷電大部分是負(fù)極性的，所以在過(guò)

電壓計(jì)算中常以負(fù)極性電暈作為計(jì)算的依據(jù)。

7-7當(dāng)沖擊電壓作用于變壓器繞組時(shí)，在變壓器繞組內(nèi)將出現(xiàn)振蕩過(guò)程，試分析出現(xiàn)振

蕩的根本原因，并山此分析沖擊電壓波形對(duì)振蕩的影響。

答：出現(xiàn)振蕩的根本原因：由于變壓器的穩(wěn)態(tài)電位分布與起始電位分布不同，因此從起

始分布到穩(wěn)態(tài)分布，其間必有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。而且由于繞組電感和電容之間的能量轉(zhuǎn)換，使

過(guò)渡過(guò)程具有振蕩性質(zhì)。

沖擊電壓波形對(duì)振蕩的影響:變壓器繞組的振蕩過(guò)程，與作用在繞組上的沖擊電壓波形

有關(guān)。波頭陡度愈大，振蕩愈劇烈；陡度愈小，由于電感分流的影響，起始分布與穩(wěn)態(tài)分布

愈接近，振蕩就會(huì)愈緩和，因而繞組各點(diǎn)的對(duì)地電位和電位梯度的最大值也將降低。此外波

尾也有影響，在短波作用下，振蕩過(guò)程尚未充分激發(fā)起來(lái)時(shí)，外加電壓已經(jīng)大大衰減，故使

繞組各點(diǎn)的對(duì)地電位和電位梯度也較低。

7-8說(shuō)明為什么需要限制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的侵入波陡度。

答：在直接與電網(wǎng)架空線連接方式下，雷電產(chǎn)生的沖擊電壓直接從線路傳到電機(jī)，對(duì)電

機(jī)的危害性很大，需采取限制侵入波陡度的保護(hù)措施，使得侵入電機(jī)的沖擊電壓的波頭較平

緩，匝間電容的作用也就相應(yīng)減弱。

第八章雷電過(guò)電壓及防護(hù)

8-1試述雷電放電的基本過(guò)程及各階段的特點(diǎn)。

答：雷電放電的基本過(guò)程包括先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電三個(gè)階段。

(1)先導(dǎo)放電階段——開(kāi)始產(chǎn)生的先導(dǎo)放電是跳躍式向前發(fā)展。先導(dǎo)放電常常表現(xiàn)為

分枝狀，這些分枝狀的先導(dǎo)放電通常只有?條放電分支達(dá)到大地。整個(gè)先導(dǎo)放電時(shí)間約

0.005?0.01s,相應(yīng)于先導(dǎo)放電階段的雷電流很小。

（2）主放電階段——主放電過(guò)程是逆著負(fù)先導(dǎo)的通道由下向上發(fā)展的。在主放電中，

雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過(guò)先導(dǎo)放電所開(kāi)辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中

和，放出巨大的光和熱。在主放電階段，雷擊點(diǎn)有巨大的電流流過(guò)，主放電的時(shí)間極短。

（3）余輝放電階段——當(dāng)主放電階段結(jié)束后，雷云中的剩余電荷將繼續(xù)沿主放電通道

下移，使通道連續(xù)維持著一定余輝。余輝放電電流僅數(shù)百安，但持續(xù)的時(shí)間可達(dá)0.03?0.05s。

8-2試述雷電流幅值的定義，分別計(jì)算下列雷電流幅值出現(xiàn)的概率：30kA、50kA、88kA、

100kA、150kA、200kAo

答：根據(jù)式（8-4）,P=10-盛。其中，P為雷電流幅值超過(guò)I的概率，I為雷電流幅值。

則雷電流幅值為30kA、50kA、88kA.lOOkA,150kA.200kA時(shí),對(duì)應(yīng)的概率分別為45.61%、

27.03%、10.00%、7.31%、1.97%、0.53%。

8-3雷電過(guò)電壓是如何形成的？

答：雷電過(guò)電壓的形成包括以下幾種情況。

（1）直擊雷過(guò)電壓

a.雷直擊于地面上接地良好的物體（圖8-3）時(shí)，流過(guò)雷擊點(diǎn)A的電流即為雷電流i。

采用電流源彼德遜等值電路，則雷電流

沿雷道波阻抗Z。下來(lái)的雷電入射波的幅值I0=I/2,A點(diǎn)的電壓幅值t/八=/R,。

b.雷直擊于輸電線路的導(dǎo)線（圖84）時(shí)，電流波向線路的兩側(cè)流動(dòng)，如果電流電壓均

以幅值表示，則

―217。/Zo

‘z一Z-Z

乙+萬(wàn)Zo+-

導(dǎo)線被擊點(diǎn)A的過(guò)電壓幅值為

Uz=/=/Z?Z

Az

22Z0+Z

（2）感應(yīng)雷過(guò)電壓

雷云對(duì)地放電過(guò)程中，放電通道周圍空間電磁場(chǎng)急劇變化，會(huì)在附近線路的導(dǎo)線上產(chǎn)生

過(guò)電壓（圖8-5）0在雷云放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中充滿了電荷，如圖8-5（a）所示，

這些電荷對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生靜電感應(yīng)，在負(fù)先導(dǎo)附近的導(dǎo)線上積累了異號(hào)的正束縛電荷，而導(dǎo)線上

的負(fù)電荷則被排斥到導(dǎo)線的遠(yuǎn)端。因?yàn)橄葘?dǎo)放電的速度很慢，所以導(dǎo)線上電荷的運(yùn)動(dòng)也很慢,

由此引起的導(dǎo)線中的電流很小，同時(shí)由于導(dǎo)線對(duì)地泄漏電導(dǎo)的存在，導(dǎo)線電位將與遠(yuǎn)離雷云

處的導(dǎo)線電位相同。當(dāng)先導(dǎo)到達(dá)附近地面時(shí)，主放電開(kāi)始，先導(dǎo)通道中的電荷被中和，與之

相應(yīng)的導(dǎo)線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向?qū)Ь€兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，如圖8-5(b)所示。電

荷流動(dòng)形成的電流i乘以導(dǎo)線的波阻抗Z即為兩側(cè)流動(dòng)的靜電感應(yīng)過(guò)電壓波U=iZo

8-4某變電所配電構(gòu)架高11m,寬10.5m,擬在構(gòu)架側(cè)旁裝設(shè)獨(dú)立避雷針進(jìn)行保護(hù)，避

雷針距構(gòu)架至少5m。試計(jì)算避雷針最低高度。

解：由題意可知，々=10.5+5=15.5m,hx=11m

分別令P=l，p=5.5/4h,列出以下式子

(rx=(h-hx)

[rx=(1.5h-2hx)5.5/yfh

代入數(shù)值解得

h}=26.5m

h2=48.8m

所以避雷針的最低高度為26.5米。

8-5設(shè)某變電所的四支等高避雷針，高度為25m,布置在邊長(zhǎng)為42m的正方形的四個(gè)頂

點(diǎn)上，試?yán)L出高度為11m的被保護(hù)設(shè)備，試求被保護(hù)物高度的最小保護(hù)寬度。

解：略

8-6什么是避雷線的保護(hù)角？保護(hù)角對(duì)線路繞擊有何影響？

答：避雷線的保護(hù)角指避雷線和外側(cè)導(dǎo)線的連線與避雷線的垂線之間的夾角，用來(lái)表示

避雷線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)程度。保護(hù)角愈小，避雷線就愈可靠地保護(hù)導(dǎo)線免遭雷擊。

8-7試分析排氣式避雷器與保護(hù)間隙的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。

答：

排氣式避雷器

a）當(dāng)雷電波侵入時(shí)，間隙先擊穿，雷電流經(jīng)間隙泄入

大地，從而保護(hù)了電氣設(shè)備；

b）過(guò)電壓消失后，保護(hù)間隙中仍有工頻續(xù)流流過(guò)，且

相同點(diǎn)切斷電流有限；

C）伏秒特性曲線較陡，放電分散性大，與被保護(hù)設(shè)備

的絕緣配合不理想，并且動(dòng)作后會(huì)形成截波，對(duì)變壓器縱絕

緣不利。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜

熄弧能力低高

當(dāng)間隙不能自行熄弧時(shí)，

排氣式避雷器動(dòng)作多次

將引起斷路器跳閘。為減少線

后，管壁將變薄，故應(yīng)裝設(shè)

輔助設(shè)備路停電事故，應(yīng)加裝自動(dòng)重合

簡(jiǎn)單可靠的動(dòng)作指示器。

不同點(diǎn)閘裝置。

除有效接地系統(tǒng)和低電

阻接地系統(tǒng)外的低壓配電系

線路保護(hù)和發(fā)、變電所

應(yīng)用范圍統(tǒng)；

的進(jìn)線段保護(hù)

排氣式避雷器的火弧能

力不能符合要求的場(chǎng)合

8-8試比較普通閥式避雷器與金屬氧化鋅避雷器的性能，說(shuō)說(shuō)金屬氧化鋅避雷器有哪些

優(yōu)點(diǎn)？

答：由于氧化鋅閥片優(yōu)異的非線性伏安特性，使金屬氧化鋅避雷器（MOA）與普通閥

式避雷器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）保護(hù)性能好；（2）無(wú)續(xù)流；（3）通流容量大；（4）運(yùn)行

安全可靠。

8-9試述金屬氧化鋅避雷器的特性和各項(xiàng)參數(shù)的意義。

答：金屬氧化物避雷器電氣特性的基本技術(shù)指標(biāo)：

（1）額定電壓——避雷器兩端允許施加的最大工頻電壓有效值，與熱負(fù)載有關(guān)，是決

定避雷器各種特性的基準(zhǔn)參數(shù)。

(2)最大持續(xù)運(yùn)行電壓——允許持續(xù)加在避雷器兩端的最大工頻電壓有效值，決定了

避雷器長(zhǎng)期工作的老化性能。

(3)參考電壓——避雷器通過(guò)1mA工頻電流阻性分量峰值或者1mA直流電流時(shí)，其兩

端之間的工頻電壓峰值或直流電壓，通常用UlmA表示。從該電壓開(kāi)始，電流將隨電壓的

升高而迅速增大，并起限制過(guò)電壓作用。因此又稱起始動(dòng)作電壓，也稱轉(zhuǎn)折電壓或拐點(diǎn)電壓

(4)殘壓——放電電流通過(guò)避雷器時(shí)兩端出現(xiàn)的電壓峰值。包括三種放電電流波形下

的殘壓，避雷器的保護(hù)水平是三者殘壓的組合。

(5)通流容量——表示閥片耐受通過(guò)電流的能力。

(6)壓比——MOA通過(guò)波形為8/20的標(biāo)稱沖擊放電電流時(shí)的殘壓與其參考電壓

之比。壓比越小，表示非線性越好，通過(guò)沖擊放電電流時(shí)的殘壓越低，避雷器的保護(hù)性能越

好。

(7)荷電率——MOA的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值與直流參考電壓的比值。荷電率愈高,

說(shuō)明避雷器穩(wěn)定性能愈好，耐老化，能在靠近“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”長(zhǎng)期工作。

(8)保護(hù)比——標(biāo)稱放電電流下的殘壓與最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值的比值或壓比與荷電

率之比。保護(hù)比越小，MOA的保護(hù)性能越好。

8-10限制雷電過(guò)電壓破壞作用的基本措施是什么？這些防雷設(shè)備各起什么保護(hù)作用？

答：限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地、電抗

線圈、電容器組、消弧線圈、自動(dòng)重合閘等防雷保護(hù)裝置。

避雷針、避雷線用于防止直擊雷過(guò)電壓，避雷器用于防止沿輸電線路侵入變電所的感應(yīng)

雷過(guò)電壓。下面主要介紹避雷針、避雷線和避雷器的保護(hù)原理及其保護(hù)范圍。

8-11平原地區(qū)110kV單避雷線線路水泥桿塔如圖所示，絕