高電壓技術(shù)第二版張一塵習(xí)題答案

第一章

1—1

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)是通過游離過程產(chǎn)生的。游離是中性原子獲得足夠的能量(稱游離能)后成為正、負(fù)帶電粒子的過程。根據(jù)游離能形式的不同，氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生有四種不同方式：

1.碰撞游離方式

在這種方式下，游離能為與中性原子(分子)碰撞瞬時(shí)帶電粒子所具有的動(dòng)能。雖然正、負(fù)帶電粒子都有可能與中性原子(分子)發(fā)生碰撞，但引起氣體發(fā)生碰撞游離而產(chǎn)生正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)的主要是自由電子而不是正、負(fù)離子。

2.光游離方式

在這種方式下，游離能為光能。由于游離能需達(dá)到一定的數(shù)值，因此引起光游離的光主要是各種高能射線而非可見光。

3.熱游離方式

在這種方式下，游離能為氣體分子的內(nèi)能。由于內(nèi)能與絕對溫度成正比，因此只有溫度足夠高時(shí)才能引起熱游離。

4.金屬表面游離方式

嚴(yán)格地講，應(yīng)稱為金屬電極表面逸出電子，因這種游離的結(jié)果在氣體中只得到帶負(fù)電的自由電子。使電子從金屬電極表面逸出的能量可以是各種形式的能。

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)消失的方式有三種：

1.擴(kuò)散

帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域運(yùn)動(dòng)而造成原區(qū)域中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失，擴(kuò)散是一種自然規(guī)律。

2.復(fù)合復(fù)合是正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)相互結(jié)合后成為中性原子(分子)的過程。復(fù)合是游離的逆過程，因此在復(fù)合過程中要釋放能量，一般為光能。

3.電子被吸附

這主要是某些氣體(如SF6、水蒸汽)分子易吸附氣體中的自由電子成為負(fù)離子，從而使氣體中自由電子(負(fù)的帶電質(zhì)點(diǎn))消失。

1—2

自持放電是指僅依靠自身電場的作用而不需要外界游離因素來維持的放電。外界游離因素是指在無電場作用下使氣體中產(chǎn)生少量帶電質(zhì)點(diǎn)的各種游離因素，如宇宙射線。討論氣體放電電壓、擊穿電壓時(shí)，都指放電已達(dá)到自持放電階段。

湯生放電理論的自持放電條件用公式表達(dá)時(shí)為

γ(eαs-1)=1

此公式表明：由于氣體中正離子在電場作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極，此時(shí)已起碼撞出一個(gè)自由電子(即從金屬電極表面逸出)。這樣，即便去掉外界游離因素，仍有引起碰撞游離所需的起始有效電子，從而能使放電達(dá)到自持階段。

1—3

湯生放電理論與流注放電理論都認(rèn)為放電始于起始有效電子通過碰撞游離形成電子崩,但對之后放電發(fā)展到自持放電階段過程的解釋是不同的。湯生放電理論認(rèn)為通過正離子撞擊陰極，不斷從陰極金屬表面逸出自由電子來彌補(bǔ)引起電子碰撞游離所需的有效電子。而流注放電理論則認(rèn)為形成電子崩后，由于正、負(fù)空間電荷對電場的畸變作用導(dǎo)致正、負(fù)空間電荷的復(fù)合，復(fù)合過程所釋放的光能又引起光游離，光游離結(jié)果所得到的自由電子又引起新的碰撞游離，形成新的電子崩且匯合到最初電子崩中構(gòu)成流注通道，而一旦形成流注，放電就可自己維持。因此湯生放電理論與流注放電理論最根本的區(qū)別在于對放電達(dá)到自持階段過程的解釋不同，或自持放電的條件不同。

湯生放電理論適合于解釋低氣壓、短間隙均勻電場中的氣體放電過程和現(xiàn)象，而流注理論適合于大氣壓下，非短間隙均勻電場中的氣體放電過程和現(xiàn)象。

1—4

極不均勻電場中的氣體放電過程有兩個(gè)不同于均勻電場、稍不均勻電場中氣體放電的特性：

1.持續(xù)的電暈放電

電暈放電是在不均勻電場中，電場強(qiáng)度大的局部區(qū)域中發(fā)生的放電，此時(shí)整個(gè)氣體間隙仍未擊穿，但在局部區(qū)域中氣體已擊穿。在稍不均勻電場中，電暈放電起始電壓很接近(略低于)間隙的擊穿電壓，也觀察不到明顯的電暈放電現(xiàn)象。而在極不均勻電場中則可觀察到明顯的電暈放電現(xiàn)象，且電暈放電起始電壓要低于(或大大低于----取決于電場均勻程度)間隙的擊穿電壓。

2.長間隙氣體放電過程中的先導(dǎo)放電

當(dāng)氣體間隙距離較長(＞1m)時(shí)，流注通道是通過具有熱游離本質(zhì)的先導(dǎo)放電不斷向前方(另一電極)推進(jìn)的。由于間隙距離較長，當(dāng)流注通道發(fā)展到一定距離，由于前方電場強(qiáng)度不夠強(qiáng)(由于電場不均勻)流注要停頓。此時(shí)通過先導(dǎo)放電而將流注通道前方電場加強(qiáng)，從而促使流注通道進(jìn)一步向前發(fā)展。就這樣，不斷停頓的流注通道通過先導(dǎo)放電而不斷推進(jìn)，從而最終導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿。

3.不對稱極不均勻電場中的極性效應(yīng)

不對稱極不均勻電場氣體間隙(典型電極為棒—板間隙)的電暈起始電壓及間隙擊穿電壓隨電極正、負(fù)極性的不同而不同。正棒—負(fù)板氣體間隙的擊穿電壓要低于相同間隙距離負(fù)棒—正板氣體間隙的擊穿電壓，而電暈起始電壓則相反。解釋這種結(jié)果的要點(diǎn)是間隙中正空間電荷產(chǎn)生的電場對原電場的增強(qiáng)或削弱。判斷間隙擊穿電壓高低看放電發(fā)展前方的電場是加強(qiáng)還是削弱，而判斷電暈起始電壓高低則看出現(xiàn)電暈放電電極附近的電場是增強(qiáng)還是削弱。出現(xiàn)正空間電荷的原因是由于氣體游離產(chǎn)生的正、負(fù)帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)速度差異很大，帶負(fù)電的自由電子很快向正極性電極移動(dòng)，而正空間電荷(正離子)由于移動(dòng)緩慢，此時(shí)幾乎仍停留在原地從而形成正空間電荷。對于正棒-負(fù)板氣體間隙，正空間電荷的電場加強(qiáng)了放電發(fā)展前方的電場，有利于流注向前方發(fā)展，有利于放電發(fā)展。但此空間電荷的電場對于棒電極附近的電場是起削弱作用，從而抑制了電暈放電。對于負(fù)棒-正板氣體間隙，情況則相反。這就導(dǎo)致上面所述擊穿電壓和電暈起始電壓的不同。

1—5

電暈放電與氣體間隙的擊穿都是自持放電，區(qū)別僅在于放電是在局部區(qū)域還是在整個(gè)區(qū)域。若出現(xiàn)電暈放電，將帶來許多危害。首先是電暈放電將引起功率損耗、能量損耗，這是因?yàn)殡姇灧烹姇r(shí)的光、聲、熱、化學(xué)等效應(yīng)都要消耗能量。其次，電暈放電還將造成對周圍無線電通訊和電氣測量的干擾，若用示波器觀察，電暈電流為一個(gè)個(gè)斷續(xù)的高頻脈沖。另外，電暈放電時(shí)所產(chǎn)生的一些氣體具有氧化和腐蝕作用。而在某些環(huán)境要求比較高的場合，電暈放電時(shí)所發(fā)出的噪聲有可能超過環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。為此，高壓、超高壓電氣設(shè)備和輸電線路應(yīng)采取措施力求避免或限制電暈放電的產(chǎn)生。反過來，在某些場合下，電暈放電則被利用，如利用沖擊電暈放電對波過程的影響作用可達(dá)到降低侵入變電站的雷電波波頭陡度和幅值。電暈放電也被工業(yè)上某些方面所利用而達(dá)到某種用途。

1—6

氣體間隙的擊穿電壓UF是氣體壓力P和間隙距離S乘積的函數(shù)，這一規(guī)律稱為巴申定律。這種函數(shù)關(guān)系常用曲線表示，氣體種類不同，電極材料不同，這種函數(shù)關(guān)系的曲線也不同。巴申定律是由實(shí)驗(yàn)而不是通過解析的方法得到的氣體放電規(guī)律。巴申定律的曲線是表示均勻電場氣體間隙擊穿電壓與PS乘積之間的關(guān)系，它不適用于不均勻電場。此外，巴申定律是在氣體溫度不變的情況下得出的。對于氣溫并非恒定的情況應(yīng)為UF=F(δd)，δ為氣體的相對密度。

1—7

在持續(xù)電壓(直流、工頻交流)作用下，氣體間隙在某一確定的電壓下發(fā)生擊穿。而在雷電沖擊電壓作用下，氣體間隙的擊穿就沒有這種某一個(gè)確定的擊穿電壓，間隙的擊穿不僅與電壓值有關(guān)，還與擊穿過程的時(shí)間(放電時(shí)間)有關(guān)。這就是說，氣體間隙的沖擊擊穿特性要用兩個(gè)參數(shù)(擊穿電壓值和放電時(shí)間)來表征，而氣體間隙在持續(xù)電壓作用下?lián)舸┨匦灾灰脫舸╇妷褐狄粋€(gè)參數(shù)來表征。用來表示氣體間隙沖擊特性的是伏秒特性。沖擊電壓作用下氣體間隙在電壓達(dá)到U0(持續(xù)電壓下間隙的擊穿電壓)值時(shí)，氣體間隙并不能立即擊穿而要經(jīng)過一定的時(shí)間后才擊穿，這段時(shí)間稱為放電時(shí)延。放電時(shí)延包括兩部分時(shí)延：

1.統(tǒng)計(jì)時(shí)延

從電壓達(dá)U0值起至出現(xiàn)第一個(gè)有效電子為止的這段時(shí)間。統(tǒng)計(jì)時(shí)延的分散性較大。

2.放電形成時(shí)延

從出現(xiàn)第一個(gè)有效電子至間隙擊穿為止的這段時(shí)延。

1—8

在同一波形、不同幅值的沖擊電壓作用下，氣體間隙(或固體絕緣)上出現(xiàn)的電壓最大值與放電時(shí)間(或擊穿時(shí)間)的關(guān)系，稱為氣體間隙(或固體絕緣)的伏秒特性。伏秒特性常用曲線(由實(shí)驗(yàn)得到)來表示，所以也稱伏秒特性曲線，它就表征了氣體間隙(或固體絕緣)在沖擊電壓下的擊穿特性。在過電壓保護(hù)中，如何能保證被保護(hù)電氣設(shè)備得到可靠的保護(hù)(即限制作用在電氣設(shè)備絕緣上的過電壓數(shù)值)，就要保證被保護(hù)電氣設(shè)備絕緣的伏秒特性與保護(hù)裝置(如避雷器)的伏秒特性之間配合正確。兩者正確的配合應(yīng)是：被保護(hù)電氣設(shè)備絕緣伏秒特性的下包線始終(即在任何電壓下)高于保護(hù)裝置伏秒特性的上包線。

1—9

影響氣體間隙擊穿電壓的因素主要有二個(gè)：

1.間隙中電場的均勻程度

間隙距離相同時(shí)，電場越均勻，擊穿電壓越高。

2.大氣條件

氣壓、溫度、濕度不同時(shí)，同一氣體間隙的擊穿電壓也不同。氣壓、溫度變化引起氣體相對密度變化，而氣體相對密度變化使得間隙擊穿電壓變化。氣壓增大或溫度降低使氣體相對密度變大，自由電子容易與中性原子(分子)發(fā)生碰撞，但不容易引起碰撞游離(因碰撞前自由行程短，動(dòng)能積聚不夠)，所以擊穿電壓提高。濕度改變，則改變了水蒸汽分子吸附氣體中自由電子的程度，自由電子數(shù)目的改變使電子碰撞游離程度改變，從而使間隙擊穿電壓改變。濕度增大，水蒸汽分子吸附能力增強(qiáng)，氣體中自由電子數(shù)減少，電子碰撞游離程度削弱，間隙擊穿電壓提高。由于這種吸附自由電子的過程需一定時(shí)間而均勻電場放電過程又很快，因此濕度對均勻電場氣體間隙的擊穿電壓影響很小。海拔高度對氣體間隙擊穿電壓的影響實(shí)際上也是通過氣體相對密度來影響的。

提高氣體間隙擊穿電壓主要從兩個(gè)方面考慮：

1.改善電場分布

具體措施有改變電極形狀和采用極間屏障。要注意的是：負(fù)棒-正板氣體間隙極間加屏障后不一定都能提高擊穿電壓，這要看屏障的位置。

2.削弱游離過程

氣體擊穿的根本原因是發(fā)生了游離，若采取措施削弱這種游離過程，當(dāng)然擊穿電壓就提高了。具體措施是采用三“高”：高氣壓，高真空，高絕緣強(qiáng)度的氣體(如SF6氣體)。

1—10

沿面閃絡(luò)是指沿面放電已貫通兩電極。電極間放入固體介質(zhì)后的沿面閃絡(luò)電壓要比相同電極空氣間隙的擊穿電壓低，這是因?yàn)檠毓腆w介質(zhì)表面的電場與空氣間隙間電場相比已經(jīng)發(fā)生了畸變，這種畸變使固體介質(zhì)表面的電場更為不均勻。而造成沿面電場畸變的原因主要有：

1.固體介質(zhì)與電極之間氣隙中放電產(chǎn)生的正、負(fù)電荷聚集在沿面靠電極的兩端。

2.固體介質(zhì)表面由于潮氣形成很薄的水膜，水膜中正、負(fù)離子積聚在沿面靠電極的兩端。

3.由于固體介質(zhì)表面電壓分布不均勻，在表面電場強(qiáng)度大的區(qū)域中出現(xiàn)電暈放電。

4.固體介質(zhì)表面的不平整造成沿面電場畸變。

1—11

套管表面的電場強(qiáng)度與表面斜交，表面的電場強(qiáng)度可分解成與表面垂直的分量和與表面平行的分量，垂直分量要比平行分量大許多。正由于表面電場的垂直分量較平行分量強(qiáng)，所以其放電過程具有與其它形式沿面放電不同的特點(diǎn)：

1.電壓升高后，首先在套管的法蘭邊緣處發(fā)生電暈放電，隨電壓再升高而變成線狀火花放電。

2.隨著電壓進(jìn)一步提高到某一數(shù)值，出現(xiàn)明亮的樹枝狀火花放電，這種火花放電的位置不固定，此起彼伏，這種放電稱為滑閃放電?；W放電是強(qiáng)垂直分量電場型沿面放電所特有的，它具有熱游離的性質(zhì)。出現(xiàn)滑閃放電時(shí)，放電仍未達(dá)到沿面閃絡(luò)。

3.電壓升高至沿面閃絡(luò)電壓，滑閃放電發(fā)展成沿面閃絡(luò)。

要提高套管沿面閃絡(luò)電壓，可以從以下兩個(gè)方面來考慮：

1.增大沿面閃絡(luò)距離。但要注意：閃絡(luò)電壓的提高與閃絡(luò)距離的增大不成正比，前者提高得慢。

2.提高套管的電暈起始電壓和滑閃電壓。這可以通過采用介電系數(shù)小的介質(zhì)和加大套管絕緣厚度從而減小體積電容來提高；也可以通過在靠近法蘭處的套管表面涂以半導(dǎo)體漆以減小絕緣表面電阻來提高。

1—12

絕緣子串由多片絕緣子相串聯(lián)(見書P30)，每片絕緣子具有等值電容C(當(dāng)然還有等值電導(dǎo)，但由于電導(dǎo)電流比電容電流小許多，故忽略)，每片絕緣子的金屬部分與鐵塔間有分布電容CE，與導(dǎo)線間也有分布電容CL(分布電容的極間絕緣就是空氣)。若CE和CL都不存在，每片絕緣子等值電容C上流過電流相等，則每片絕緣子上的電壓分布均勻(C上壓降相等)。實(shí)際情況是存在CE和CL，由于CE和CL上電流的分流作用使得各片絕緣子上的電壓分布不均勻(由于流過電流不相等而壓降不相等)，中間絕緣子上分到的電壓小而兩頭絕緣子上分到的電壓大。由于CE＞CL，CE的分流作用要大于CL的分流作用，所以靠導(dǎo)線絕緣子上分到的電壓最大。為了使絕緣子串電壓分布均勻，可以在靠近導(dǎo)線的絕緣子外面套上一金屬屏蔽環(huán)(稱均壓環(huán))，此均壓環(huán)與導(dǎo)線等電位，以此增大CL，從而使絕緣子串電壓分布的均勻性得以改善。

1—13

戶外絕緣子在污穢狀態(tài)下發(fā)生的沿面閃絡(luò)稱為絕緣子的污閃。污穢絕緣子的閃絡(luò)往往發(fā)生在大氣濕度很高等不利的氣候條件下，此時(shí)閃絡(luò)電壓(污閃電壓)大大降低，可能在工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)從而加劇了事故的嚴(yán)重性。防止絕緣子發(fā)生污閃的措施主要有：

1清除污穢層

這要通過監(jiān)測手段及時(shí)確定清掃的時(shí)間。

2.提高絕緣子的表面耐潮性和憎水性

這是因?yàn)槲鄯x絕緣子在受潮情況下閃絡(luò)電壓降低最多。具體可采用憎水性材料或在絕緣子表面涂各種憎水性材料。

3.采用半導(dǎo)體釉絕緣子。

第二章

2—1

極化形式

形成原因

過程快慢

損耗

受溫度影響

電子式

電子軌道的相對位移

快

無

極小

離子式

正、負(fù)離子的空間位移

快

無

小

偶極子

極性電介質(zhì)分子(偶極子)的轉(zhuǎn)向

慢

有

大

空間電荷

空間電荷的積聚

緩慢

有

大

2—2

泄漏電流是電介質(zhì)中少量帶電粒子在電場(電壓)作用下形成的電導(dǎo)電流。這種電導(dǎo)電流是很小的(為此冠以“泄漏”的名稱)，但在高電壓下可達(dá)到能被檢測出的數(shù)值。電介質(zhì)對電導(dǎo)電流的阻力稱為絕緣電阻。作用電壓(直流電壓)、泄漏電流、絕緣電阻三者的關(guān)系符合歐姆定律。電介質(zhì)的電導(dǎo)過程表明電介質(zhì)并非絕對不導(dǎo)電，即絕緣電阻不等于無窮大。當(dāng)固體電介質(zhì)受電壓作用時(shí)，除了有泄漏電流流過電介質(zhì)內(nèi)部(稱為體積泄漏電流)外，還有電流沿電介質(zhì)表面流過，這部分電流稱為表面泄漏電流。絕緣試驗(yàn)中的泄漏電流測量是要測量體積泄漏電流，并以此來判斷絕緣狀況的好壞，若不采取措施消除表面泄漏電流，實(shí)際上所測到的電流應(yīng)是體積泄漏電流和表面泄漏電流之和。

2—3

電導(dǎo)過程是帶電粒子在電場(電壓)作用下定向移動(dòng)形成電導(dǎo)電流的過程。電介質(zhì)的電導(dǎo)與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)有兩個(gè)本質(zhì)的區(qū)別。其一是形成電導(dǎo)電流的帶電粒子不同，電介質(zhì)中為離子，而金屬導(dǎo)體中為自由電子。所以電介質(zhì)電導(dǎo)為離子性電導(dǎo)，而金屬導(dǎo)體電導(dǎo)為電子性電導(dǎo)。其二是帶電粒子數(shù)量上的區(qū)別，在電介質(zhì)中有少量帶電質(zhì)點(diǎn)，而在金屬導(dǎo)體中則有大量帶電粒子。正由于兩者帶電粒子數(shù)差別懸殊，才使兩者電導(dǎo)受溫度影響的結(jié)果絕然不同。

2—4

電介質(zhì)上加上直流電壓后，流過電介質(zhì)的電流開始較大，而后隨時(shí)間衰減變小，最后穩(wěn)定于某一數(shù)值，這一現(xiàn)象稱為“吸收”現(xiàn)象。表面看起來似乎有一部分電流被電介質(zhì)“吸收”掉了，但出現(xiàn)“吸收”現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是電介質(zhì)在直流電壓(電場)作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化、電導(dǎo)過程綜合的結(jié)果。在直流電壓作用下電介質(zhì)要發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程。由于極化過程，就有有損極化對應(yīng)的電流ia。由于電導(dǎo)過程，就有泄漏電流ig。此外還有純電容性電流ic，它表示無電介質(zhì)時(shí)等值電容的充電電流以及無損極化電流。ic存在時(shí)間極短，很快衰減至零。ia經(jīng)過一定時(shí)間(時(shí)間長短與時(shí)間常數(shù)raca有關(guān))后也衰減至零，而ig不隨時(shí)間變化。流過介質(zhì)的總電流為i=ic+ia+ig，將三個(gè)電流分量按時(shí)間相加就得到了總電流隨時(shí)間變化的曲線(見書P40圖)，從而說明了出現(xiàn)“吸收”現(xiàn)象的必然性?！拔铡爆F(xiàn)象是電介質(zhì)在直流電壓作用下發(fā)生的。此外，若電介質(zhì)的等值電容很小，吸收現(xiàn)象不明顯。

2—5

tgδ是表征電介質(zhì)在交流電壓作用下內(nèi)部損耗特性的參數(shù)(物理量)。tgδ反映了電介質(zhì)在交流電壓作用下電導(dǎo)損耗、極化損耗以及在電壓(電場強(qiáng)度)較高時(shí)游離損耗的綜合結(jié)果。tgδ與外加電壓、頻率無關(guān)(指在一定范圍內(nèi))，與電介質(zhì)尺寸結(jié)構(gòu)無關(guān)，僅取決于內(nèi)在的損耗特性。研究測量tgδ的目的不在于：介質(zhì)損耗掉了多少功率(比其它原因引起的功率損耗，其要小得多)，而在于：若介質(zhì)損耗大，將加速老化，最終導(dǎo)致絕緣性能失去而造成絕緣故障。電壓在一定范圍內(nèi)(不是過高)，tgδ不隨電壓變化。但當(dāng)電壓過高時(shí)，由于介質(zhì)內(nèi)部的游離損耗而使tgδ增大。在工頻電壓下，頻率的變動(dòng)(在50Hz左右變動(dòng))不會(huì)改變tgδ值。但當(dāng)頻率變動(dòng)很大(數(shù)倍、數(shù)十倍)，tgδ會(huì)受到頻率變化的影響。在頻率不很高時(shí)，tgδ隨頻率的升高而增大(由于單位時(shí)間內(nèi)極化次數(shù)增多造成極化損耗增大)。但當(dāng)頻率過高時(shí)，由于偶極子來不及轉(zhuǎn)向而造成極化作用減弱，使tgδ隨頻率升高而減小。溫度變化對tgδ的影響隨電介質(zhì)種類的不同而不同。中性或弱極性電介質(zhì)的tgδ隨溫度升高而增大。對于極性電介質(zhì)，tgδ隨溫度的變化則要考慮電導(dǎo)損耗、極化損耗隨溫度變化的綜合結(jié)果。見書P44，t＜t1時(shí)，兩種損耗都隨溫度升高而增大，所以tgδ隨溫度升高而增大。t1＜t＜t2時(shí)，極化損耗隨溫度升高而減小且超過電導(dǎo)損耗隨溫度升高而增大，所以tgδ隨溫度升高而減小。t＞t2時(shí)，電導(dǎo)損耗增大很快且超過極化損耗的減小，所以tgδ隨溫度升高而增大。

2—6

實(shí)際使用的變壓器油是非純的液體電介質(zhì)，其擊穿過程與純液體電介質(zhì)是根本不同的。在變壓器油中的電極間一旦形成“氣泡”通道，由于氣體擊穿場強(qiáng)要比變壓器油低得多，因此就發(fā)生電極之間的擊穿。“氣泡”通道可由兩種途徑形成。一種途徑是油中原先存在的氣泡中發(fā)生氣體游離，由于游離而得到的正、負(fù)電荷向兩電極方向運(yùn)動(dòng)而使氣泡拉長，當(dāng)這種氣泡增多并頭尾相接貫通兩電極時(shí)就形成氣泡通道。另一種途徑是油中的水分或纖維分子受電場極化而順電場方向排列，當(dāng)這些極化的水分或纖維分子排列成貫通電極的“小橋”，流過此“小橋”的泄漏電流要比流過油中泄漏電流大，發(fā)熱增加，從而使水分汽化或使用周圍的油汽化，就在“小橋”周圍形成氣泡通道。

影響變壓器油擊穿電壓的因素有：

1.油的品質(zhì)。油的品質(zhì)即油中所含水份、纖維、氣泡等雜質(zhì)的多少。含雜質(zhì)越多，油的品質(zhì)越差，擊穿電壓越低。

2.溫度。溫度對擊穿電壓的影響是通過油中懸浮狀態(tài)水分的多少（在10℃-80℃時(shí)`)和油中含氣量的多少(在80℃以上時(shí))間接影響的。在大約80℃以下時(shí)，溫度升高，油中溶解狀態(tài)的水分增加，則懸浮狀態(tài)水減少，從而不易形成導(dǎo)致?lián)舸┑摹靶颉?，擊穿電壓就升高。在大約80℃以上時(shí)，由于油中水分和油的汽化，溫度升高，形成氣泡增多，易形成氣泡通道，擊穿電壓降低。

3.壓力。壓力增大，油中溶解狀態(tài)的氣體增多，從而使能形成氣泡通道的自由態(tài)氣體減少而使擊穿電壓提高。

4.電壓作用時(shí)間。這主要是由于形成氣泡通道需要一定的時(shí)間，所以電壓作用時(shí)間越短(如雷電沖擊電壓)，擊穿電壓越高。

5.電場均勻程度。電場越均勻，擊穿電壓越高。

2—7

一般固體電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度(KV/cm)要比液體高，液體電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)要比氣體高。

2—8

固體電介質(zhì)的擊穿有三種形式，它們的擊穿過程與特點(diǎn)比較如下：

擊穿形式

擊穿過程(機(jī)理)

擊穿強(qiáng)度

擊穿前溫度

擊穿過程快慢

電擊穿

碰撞游離導(dǎo)致

很高

不高

極快

熱擊穿

溫度很高造成熱破壞

不高

高

慢

電化學(xué)擊穿

電介質(zhì)劣化導(dǎo)致

低

不高(電擊穿)

高(熱擊穿)

緩慢

2—9

提高固體電介質(zhì)擊穿電壓措施有：

1.改進(jìn)絕緣設(shè)計(jì)。這主要從絕緣材料(選用絕緣強(qiáng)度高的材料)、絕緣結(jié)構(gòu)(使絕緣盡量處于均勻電場中)以及組合絕緣這三個(gè)方面來考慮。

2.改進(jìn)制造工藝。使絕緣材料保持良好的先天絕緣性能，主要是減少雜質(zhì)、氣泡、水分等。其中尤其是所含氣泡，因不能采取措施補(bǔ)救(如所含水分可通過烘干減少)而埋下今后引起電老化的隱患。

3.改善運(yùn)行條件。這主要是防潮和加強(qiáng)散熱冷卻，這也是運(yùn)行部門應(yīng)注意的。

2—10

固體電介質(zhì)的老化主要有電老化和熱老化兩種形式。電老化的主要原因是介質(zhì)內(nèi)部氣泡中的局部放電。由于這種局部放電造成長期的機(jī)械作用(帶電粒子撞擊固體介質(zhì))、熱作用(放電引起溫度升高)、化學(xué)作用(放電產(chǎn)生某些腐蝕性氣體)而使介質(zhì)逐漸老化。熱老化的原因是介質(zhì)長期受熱作用發(fā)生裂解、氧化等變化而使機(jī)械和絕緣性能降低。熱老化的進(jìn)程與電介質(zhì)的工作溫度有關(guān)，不同介質(zhì)為保證一定熱老化進(jìn)程(運(yùn)行壽命10年)所允許的最高工作溫度是不同的，以這種允許最高工作溫度的不同，固體絕緣材料被劃分成七個(gè)耐熱等級(jí)。要注意的是：每種耐熱等級(jí)的最高允許溫度并不是絕對不可超過的(后果是壽命縮短)。運(yùn)行壽命10年是指此種耐熱等級(jí)固體絕緣材料持續(xù)保持此最高允許工作溫度時(shí)的運(yùn)行壽命為10年，而一般電氣設(shè)備不可能持續(xù)保持在此最高允許工作溫度下運(yùn)行，所以一般運(yùn)行壽命可達(dá)20～25年。

第三章

3—1

對已投入運(yùn)行電氣設(shè)備的絕緣按規(guī)定的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)周期進(jìn)行的定期檢查或試驗(yàn)，稱為預(yù)防性試驗(yàn)。通過試驗(yàn)及早和及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣的各種缺陷(制造過程中潛伏的、運(yùn)輸過程中形成的、或運(yùn)行過程中發(fā)展的)，并通過檢修將這些絕緣缺陷排除，從而起到預(yù)防發(fā)生事故或預(yù)防設(shè)備損壞的目的，所謂預(yù)防性的含義就在于此。電氣設(shè)備絕緣的預(yù)防性試驗(yàn)可分為兩大類：

1.絕緣特性試驗(yàn)。也稱非破壞性試驗(yàn)，它是指在較低電壓(低于或接近額定電壓)下通過測量絕緣的各種特性(如絕緣電阻、介質(zhì)損失角正切tgδ等)的各種試驗(yàn)。由于試驗(yàn)電壓低，所以在試驗(yàn)過程中不會(huì)損傷電氣設(shè)備的絕緣。

2.耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)時(shí)，在設(shè)備絕緣上施加各種耐壓試驗(yàn)電壓以考驗(yàn)絕緣對這些電壓的耐受能力。耐壓試驗(yàn)電壓則模擬電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行過程可能遇到的各種電壓(包括過電壓)的大小和波形。由于耐壓試驗(yàn)電壓大大高于額定工作電壓，所以在試驗(yàn)過程中有可能(但不一定)對絕緣造成一定的損傷(即破壞)，并有可能使原本有缺陷但可修復(fù)的絕緣發(fā)生擊穿。因此，盡管耐壓試驗(yàn)較絕緣特性試驗(yàn)更為直接和嚴(yán)格，但須在絕緣特性試驗(yàn)合格后才能進(jìn)行。

3—2

用兆歐表測絕緣電阻實(shí)質(zhì)上是測流過絕緣的電流并將此電流值轉(zhuǎn)化為電阻值從兆歐表上直接讀出。當(dāng)絕緣等值電容量較大時(shí)，由于吸收現(xiàn)象(電流由大變小并趨于一穩(wěn)定值)較為明顯，所以兆歐表讀數(shù)由小逐漸增大并趨于一穩(wěn)定值。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的根本原因是，絕緣介質(zhì)在直流電壓作用下發(fā)生極化、電導(dǎo)過程的綜合結(jié)果，具體解釋見2—4題解答。兆歐表屏蔽端子的作用主要是為了消除測量過程中表面泄漏電流引起的測量誤差(使測得絕緣電阻偏小)。采用屏蔽端子后，表面泄漏電流經(jīng)屏蔽端子直接流回直流發(fā)電機(jī)(見書P53圖)而不再經(jīng)過電流線圈，這樣就消除了表面泄漏電流。

3-3

吸收比規(guī)定為測絕緣電阻時(shí)60秒時(shí)讀數(shù)與15秒時(shí)讀數(shù)的比值，對于等值電容量較大電氣設(shè)備的絕緣，可以根據(jù)吸收比K的大小來判斷絕緣是干燥還是受潮，這是因?yàn)椋?/p>

絕緣干燥時(shí)

絕緣受潮時(shí)

絕緣干燥時(shí)，泄漏電流分量ig很小，在15秒時(shí)的電流i=ic+ia+ig要比在60

秒時(shí)的電流i=

ig要大許多，這樣就較大(一般大于

1.3)；而若絕緣受潮，泄漏電流分量ig要比干燥時(shí)大，在15秒時(shí)的電流比60

秒時(shí)的電流相對大得要少一些，這樣就較小(K＜1.3)。

3—4

被試品一端接地(如被試對象為電氣設(shè)備對地絕緣)時(shí)，測量直流泄漏電流的接線圖如書P75圖3—22所示。試驗(yàn)變壓器T為升壓變壓器以獲得交流高壓。調(diào)壓器T1調(diào)節(jié)加至試驗(yàn)變壓器低壓繞組上的電壓以從高壓繞組獲得試驗(yàn)規(guī)定所要求的電壓。試驗(yàn)所需的高壓直流電壓由高壓交流整流而得，一般用高壓硅堆經(jīng)半波整流而得到。當(dāng)所需試驗(yàn)電壓較高時(shí)可采用倍壓整流或串級(jí)直流整流線路獲得。圖3—22中的C為濾波電容器，當(dāng)被試品等值電容CX較大時(shí)，CX就兼作濾波電容而無需另加C。保護(hù)電阻R0的作用是限制試驗(yàn)中萬一被試品被擊穿時(shí)的短路電流以保護(hù)試驗(yàn)變壓器、整流硅堆，以及防止避免被試品絕緣損壞的擴(kuò)大。微安表是用來測量泄漏電流的，由于此時(shí)被試品一端已接地，所以微安表只能串接于被試品的高電位側(cè)，微安表及微安表至被試品的高壓引線須采用屏蔽接法以使微安表至被試品間高壓引線的對地漏電流以及被試品的表面泄漏電流不通過微安表。要注意屏蔽層對地處于高電位。另外還要注意：凡是直流試驗(yàn)(直流泄漏，直流耐壓)，試驗(yàn)電壓都是對地負(fù)極性的電壓，為此硅堆整流方向不能接錯(cuò)。

3—5

采用正接線測tgδ時(shí)，電橋本體對地處于低電位，如書P57圖3—4所示。采用反接線測tgδ時(shí)，電橋本體對地處于高電位，如書P58圖3—5所示。正接線適用于被試品CX一端不接地或雖一端為外殼但被試品可采用絕緣支撐起來(如在試驗(yàn)室中)的場合，而反接線則適用于被試品一端接地的場合。由于現(xiàn)場電氣設(shè)備絕緣一端(鐵芯和外殼)都是接地的，因此現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)都采用反接線。在現(xiàn)場測量tgδ時(shí)可能會(huì)受到交變電場和磁場的干擾，一般電場干擾影響較大。為消除外電場的干擾，可采取兩種具體措施，一是移相法，二是倒相法。兩種方法都可以消除外電場對測量結(jié)果的影響(倒相法時(shí)，根據(jù)正相、反相兩次測量結(jié)果由

計(jì)算求得)，但采用倒相法比較簡便(無需移相設(shè)備)，實(shí)

際上往往采用算術(shù)平均法計(jì)算

交變磁場對tgδ測量的影

響主要通過檢流計(jì)來影響。消除這種磁場影響的措施是通過檢流計(jì)極性轉(zhuǎn)換開關(guān)(將檢流計(jì)正接及反接)測量兩次，然后取兩次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

3—6

工頻交流耐壓試驗(yàn)原理接線圖如書P65圖3—12所示。試驗(yàn)變壓器T2為升壓變壓器以獲得工頻高壓。調(diào)壓器T1調(diào)節(jié)試驗(yàn)變壓器初級(jí)電壓以使試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)電壓達(dá)到規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)電壓值。保護(hù)電阻r起到保護(hù)試驗(yàn)變壓器在被試品萬一被擊穿或閃絡(luò)時(shí)不受損壞，這種作用不僅由于r的接入而限制了被試品擊穿或閃絡(luò)后的短路電流，而且還限制了在此過程中試驗(yàn)變壓器內(nèi)部的電磁振蕩從而保護(hù)了試驗(yàn)變壓器繞組的縱絕緣(匝間或?qū)娱g絕緣)。保護(hù)球隙F用來限制試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的過電壓，其放電電壓可整定為試驗(yàn)電壓的1.1～1.15倍。R為球隙的保護(hù)電阻，用來限制球隙放電時(shí)的電流從而避免球隙表面燒毛。

工頻交流耐壓試驗(yàn)時(shí)所加的試驗(yàn)電壓應(yīng)根據(jù)不同電壓等級(jí)按規(guī)程的要求。規(guī)程中所規(guī)定的試驗(yàn)電壓值不僅考慮到電氣設(shè)備絕緣在實(shí)際運(yùn)行中可能受到的工頻過電壓，而且考慮到可能受到的雷電過電壓和內(nèi)部過電壓，尤其是220KV及以下電壓等級(jí)電氣設(shè)備，通過工頻交流耐壓試驗(yàn)間接地考驗(yàn)了絕緣耐受內(nèi)外過電壓的能力。

當(dāng)被試品等值電容量較大時(shí)，工頻交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓不能在低壓側(cè)測量后按試驗(yàn)變壓器的變比換算至高壓側(cè)，而應(yīng)該在高壓側(cè)的被試品上直接測量。見書P70圖3—15，若在低壓側(cè)加上按試驗(yàn)電壓折算到低壓側(cè)的應(yīng)加電壓，即加

上電壓K為試驗(yàn)變壓器的變比。當(dāng)被試品等值電容量很小，則高壓側(cè)電

流(I1≈IC=UωCX)很小可忽略，高壓側(cè)接近開路，高壓側(cè)被試品上電壓接近U試。但當(dāng)被試品等值電容量較大時(shí)，高壓側(cè)電流I1≈IC不能忽略。此時(shí)，在高壓側(cè)回路中為試驗(yàn)變壓器高壓繞組中的感應(yīng)電勢，其數(shù)值等于高壓側(cè)的開路電

壓。按變比的定義，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)加上的電壓時(shí)，U1就等于U試。根據(jù)高壓側(cè)

回路的等值電路及相量圖(見書P70圖3—16)，可見此時(shí)實(shí)際作用在被試品上的電壓已大大超過試驗(yàn)電壓U試，這就是“容升效應(yīng)”。由于工頻耐壓試驗(yàn)電壓已大大高于額定工作電壓，所以這種實(shí)際試驗(yàn)作用電壓的“過量”(超過規(guī)定的試驗(yàn)電壓)將導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣的不必要的損壞。為避免此種情況，就需在被試品兩端間直接進(jìn)行高壓測量。

3—7

進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)主要是出于以下幾個(gè)方面的需要：

1.直流電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)。為考驗(yàn)設(shè)備絕緣耐受各種電壓(包括過電壓)的能力，這與交流電氣設(shè)備的工頻交流耐壓試驗(yàn)相對應(yīng)。

2.替代工頻交流耐壓試驗(yàn)。有些交流電氣設(shè)備的等值電容量較大(如電容器、電纜)，若進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)則需要很大容量的試驗(yàn)設(shè)備而不容易做到，為此用直流耐壓試驗(yàn)替代，當(dāng)然試驗(yàn)電壓值須考慮到絕緣在直流電壓作用下的擊穿強(qiáng)度要比在交流電壓下高這一特點(diǎn)。

3.旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組端部的絕緣試驗(yàn)。對于繞組端部絕緣的缺陷，采用工頻交流耐壓試驗(yàn)不易發(fā)現(xiàn)而采用直流耐壓試驗(yàn)易發(fā)現(xiàn)。

4.結(jié)合直流泄漏試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。直流耐壓試驗(yàn)和直流泄漏試驗(yàn)都采用直流電壓，只不過電壓的高低不同，所以在進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，并可根據(jù)泄漏電流隨所加電壓變化的不同特點(diǎn)來判斷絕緣的狀況。

直流高壓可用以下幾種方法測量：

1.用球隙測量。直流有脈動(dòng)時(shí)測到的是最大值。

2.用靜電電壓表測量。直流有脈動(dòng)時(shí)測到的是有效值。

3.用高阻值電阻串微安表測量。直流有脈動(dòng)時(shí)測到的是平均值。

4.用高阻值電阻分壓器測量。直流有脈動(dòng)時(shí)測到的是平均值。

工頻交流高壓可用以下幾種方法測量：

1.用球隙測量。測量工頻交流電壓的幅值。

2.用靜電電壓表測量。測量工頻交流電壓的有效值。

3.用電容分壓器配低壓儀表測量。測量何種值取決于低壓儀表。

4.用電壓互感器測量。

3—8

局部放電可采用電氣或非電氣的方法進(jìn)行測量。在各種電氣檢測法中用得最多的方法是脈沖電流法。脈沖電流法通過檢測視在放電量q，并以其大小來反映局部放電的強(qiáng)弱。局部放電的等值電路如書P62圖3—9所示。氣隙F放電(表示絕緣中的局部放電)時(shí)，使氣隙上電壓(即C0上電壓)從UF降至US，氣隙放電的電荷量(真實(shí)局部放電量)qs≈(C0+C1)(UF-US)。但qs無法測得，這是因?yàn)镃0、C1無法測得。由于氣隙F的放電會(huì)引起氣隙兩端的電壓的變動(dòng)(從UF降至US)，而氣隙上電壓(即C0上電壓)的變動(dòng)又會(huì)引起被試品上(即C2上)電壓變動(dòng)了ΔU，ΔU可以通過測量回路測得，這樣被試品上等值放電量(稱為視在放電量)q就可以

由q=(C1+C2)ΔU計(jì)算得到。根據(jù)qs、ΔU、q三者的表達(dá)式可得到

說明實(shí)際測得的視在放電量不等于真實(shí)放電量qs。由于C0>>C1，所以視在放電量要比真實(shí)放電量小許多。盡管如此，視在放電量的大小還是間接地反映了真實(shí)放電量的大小。

局部放電的脈沖電流測量法有三種基本測量回路，見書P63圖3—11所示。通過測量回路將被試品CX上由于局部放電而產(chǎn)生的電壓變動(dòng)信號(hào)(表現(xiàn)為電壓脈沖)從測量阻抗上Zm上取出，然后再經(jīng)過放大電路放大后進(jìn)行測量，而工頻電壓被隔離(實(shí)際上脈沖電流流過Zm而工頻電流被阻塞。脈沖電流法由此而得名)。圖3—11中(a)適用于被試品一端接地的情況，(b)適用于被試品不接地的情況。這兩種方法稱為直接法，其缺點(diǎn)是抗干擾性能較差。(c)采用電橋平衡回路，稱為平衡法，其抗外部干擾性能較好。

3—9

沖擊電壓發(fā)生器是產(chǎn)生雷電沖擊試驗(yàn)電壓和操作沖擊試驗(yàn)電壓的裝置。沖擊電壓發(fā)生器的利用系數(shù)(也稱效率)定義為發(fā)生器輸出電壓Um(即被試品上電壓)與發(fā)生器充電主電容(多級(jí)電壓發(fā)生器時(shí)為各級(jí)主電容串聯(lián)后的等值電容)在形

成沖擊電壓前所充電壓U0的比值，即對于低效率(低利用系數(shù))

回路的沖擊電壓發(fā)生器，對于高效率回路的沖擊電壓發(fā)生器，沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生沖擊電壓的過程(參見書P79圖3—27)

為：

1.沖擊主電容上充至U0電壓。對于多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器，這一過程需經(jīng)點(diǎn)火球隙觸發(fā)放電后將各級(jí)電容串聯(lián)起來而實(shí)現(xiàn)。

2.放電球隙點(diǎn)火擊穿后，經(jīng)R1向被試品等值電容充電，使被試品上電壓升高，由于R1阻值較小，C2比C1小得多，時(shí)間常數(shù)R1C2較小，這樣C2上電壓升高很快，從而形成沖擊電壓的波前部分。故R1稱為波頭電阻。

3.當(dāng)C2上電壓達(dá)到最大值后，反過來經(jīng)R1并與C1一起經(jīng)R2放電，被試品C2上電壓下降。由于R2比R1大得多，這樣C2上電壓下降較慢而形成沖擊電壓的波尾部分，R2也就稱為波尾電阻。

第四章

4—1

波阻抗與集中參數(shù)阻抗雖都用Z表示，但有以下幾點(diǎn)不同：

1.波阻抗是表示分布參數(shù)線路(或繞組)的參數(shù)，阻抗是表示集中參數(shù)電路(或元件)的參數(shù)。

2.波阻抗為分布參數(shù)線路(或繞組)上同一方向(即前行或反行)電壓波與電流

波的比值，且但不一定等于Z，因

而阻抗則等于此阻抗上電壓與電流之比，3.波阻抗不消耗能量，而當(dāng)R≠0時(shí)阻抗消耗能量。

4.波阻抗與線路(或繞組)長度無關(guān)L0、C0為單位長度電感和

電容)，而阻抗與長度(如線路長度)有關(guān)。

另外需指出的是，同樣的一條線路在討論雷電或操作過電壓作用下時(shí)要用分布參數(shù)的波阻抗來表征，而討論工頻穩(wěn)態(tài)電壓作用下時(shí)則用集中參數(shù)電路(如π型)的阻抗來表征。

4—2

(1)此題求解與書P92例4—2相同，此時(shí)n=3，所以

(2)由于相同電壓同時(shí)沿兩條線路侵入，兩條線路上離變電站母線等距離對應(yīng)點(diǎn)是等電位的，這樣就等價(jià)于一條波阻抗為的線路進(jìn)波，即

對應(yīng)的彼德遜等值電路

為

母線上電壓為

此小題也可采用迭加原理求解，每次一條線路進(jìn)波，其余兩條線路不進(jìn)波，即第一小題的情況，然后將兩種結(jié)果迭加，同樣得到

此結(jié)果從能量角度也不難理解。

4—3

根據(jù)題意，波阻抗為280Ω的線路Z1與波阻抗為400Ω的電機(jī)繞組Z2相聯(lián)接，為保護(hù)電機(jī)繞組匝間絕緣而在聯(lián)接點(diǎn)需接多大對地并聯(lián)電容C。

已知

4—4

設(shè)開關(guān)S在t=0時(shí)合閘。開關(guān)合閘后線路上就有一幅值為U0=100

KV的無窮長直角電壓波自A向B傳播，在t=1μs時(shí)，此電壓波傳至C點(diǎn)，對應(yīng)的電流

波也傳至C點(diǎn)，電流波的幅值為U0的電壓波在t=2μs時(shí)

傳至B點(diǎn)并發(fā)生負(fù)的全反射，而此負(fù)的反射波電壓(-U0)在t=3μs時(shí)傳至C點(diǎn)從而使C點(diǎn)的電壓變?yōu)榱?U0+(-U0))。負(fù)的反射波電壓-U0在t=4μs時(shí)到達(dá)A點(diǎn)應(yīng)使A點(diǎn)電壓變?yōu)榱?，但?shí)際上由于電源的恒壓作用，A點(diǎn)仍保持U0的電壓，這就相當(dāng)于空載線路又一次合閘電源，從而重復(fù)前述過程。對于C點(diǎn)的電流

t＜1μs

i=0

1μs＜t＜3μs

3μs＜t＜5μs

t＞5μs之后重復(fù)上述過程。所以C點(diǎn)電壓、電流波形如圖所示。

4—5

此題的集中參數(shù)等值電路如書P96圖4—12(b)所示。根據(jù)此等值電路可列出微分方程

解此微分方程可得折射波電流電壓為

根據(jù)

u1q+u1f=u2q可求出反射波電壓電流

(1)穩(wěn)定時(shí)(即t→∞)，入射波電壓電流為

折射波電壓電流為

(2)各電壓電流波形如圖所示

(3)并聯(lián)電容C的作用主要是降低作用在Z2上電壓的波頭陡度。見上述波形，侵入波波頭陡度為無窮大(u1q為階躍波電壓)，而經(jīng)過并聯(lián)電容C后，作用到Z2上電壓的波頭陡度已按指數(shù)規(guī)律上升，C的電容量越大，波頭陡度越小，有利于Z2為繞組時(shí)的縱絕緣(作用電壓陡度越大，匝間、層間電壓越高)。雖然串聯(lián)電感也可降低侵入波的波頭陡度，但由于反射電壓的不同，使Z1上出現(xiàn)的最大電壓值是不同的。采用串聯(lián)電感時(shí)，Z1上出現(xiàn)的最大電壓為

而采用并聯(lián)電容時(shí)，Z1上出現(xiàn)的最大電壓為

對本題具體數(shù)據(jù)，采用并聯(lián)電容時(shí)Z1上電壓最大值為400KV，若采用串聯(lián)電感時(shí)，Z1上出現(xiàn)的最大電壓可達(dá)600

KV。

4—6

地線1對地的平均高度為

導(dǎo)線2對地的平均高度為

(1)地線1的自波阻抗

導(dǎo)線2的自波阻抗

地線1與導(dǎo)線2間的互波阻抗

(2)地線1、導(dǎo)線2雙導(dǎo)線系統(tǒng)的電壓方程為

由于導(dǎo)線2對地絕緣，所以i2=0，則電壓方程變?yōu)楠?/p>

根據(jù)耦合系數(shù)的定義，地線1對導(dǎo)線2的耦合系數(shù)為

4—7

在沖擊電壓作用下，變壓器繞組要用具有電感、電容和電阻的分布參數(shù)電路來等值，如書P108圖4—23所示(圖中電阻未表示)。對于這種分布參數(shù)的電路，初始(t=0+時(shí))電壓分布(繞組各點(diǎn)對地電位)與穩(wěn)態(tài)(t→∞時(shí))的電壓分布是不同的，所以在沖擊電壓作用下此等值電路必有一個(gè)從起始電壓分布變?yōu)榉€(wěn)態(tài)電壓分布的暫態(tài)過程，而由于此等值電路中既存在電感又存在電容，電阻又很小，因此這種暫態(tài)過程表現(xiàn)為振蕩型的。

沖擊電壓波前部分，電壓對時(shí)間的變化率很大，即這種電壓的等值頻率很

高，使繞組分布電容的阻抗很小，而分布電感的阻抗(ωL)

很大，這

樣起始電壓基本上按電容分布，使電壓分布很不均勻，繞組靠近沖擊電壓作用端分到的電壓大，而繞組另一端分到的電壓很小。當(dāng)暫態(tài)過程結(jié)束而達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感近于短路，電容近于開路，電壓按繞組的電阻均勻分布，這就是引起繞組起始電壓分布與穩(wěn)態(tài)電壓分布不均勻的原因。

第五章

5—1

排氣式避雷器由內(nèi)外兩個(gè)放電間隙串聯(lián)組成，外間隙暴露在大氣中，而內(nèi)間隙置于產(chǎn)氣管內(nèi)，所以排氣式避雷器又稱管式避雷器。產(chǎn)氣管由產(chǎn)氣材料制成，這些材料遇高溫會(huì)分解產(chǎn)生氣體。排氣式避雷器一端接地，另一端與被保護(hù)設(shè)備聯(lián)接。當(dāng)雷電過電壓作用到被保護(hù)設(shè)備上，也就同時(shí)作用在排氣式避雷器上，內(nèi)外間隙同時(shí)擊穿使雷電流經(jīng)間隙流入大地從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。雷電過電壓的作用時(shí)間是非常短暫的，當(dāng)過電壓作用結(jié)束后，排氣式避雷器上的作用電壓就是工頻工作電壓，間隙中的電弧從沖擊電弧變?yōu)楣ゎl電弧，工頻電弧電流(稱為工頻續(xù)流)就是系統(tǒng)在該點(diǎn)的短路電流。在工頻電弧的高溫作用下，產(chǎn)氣管產(chǎn)氣材料分解產(chǎn)生大量氣體使管內(nèi)壓力驟增而從噴口猛烈噴出，這對工頻電弧形成強(qiáng)烈的縱吹作用，使工頻電弧經(jīng)1～3個(gè)周波后，在工頻續(xù)流過零時(shí)熄滅。與放電間隙相比，不同點(diǎn)在于排氣式避雷器熄弧能力強(qiáng)，經(jīng)1～3工頻周期后在電弧電流過零時(shí)熄弧從而防止了工頻短路引起跳閘，避免了供電的中斷。排氣式避雷器與放電間隙相同之處在于過電壓引起動(dòng)作后都形成截波，這對被保護(hù)設(shè)備是有繞組的設(shè)備非常不利(威脅縱絕緣)。此外由于存在外間隙，放電分散性較大，這也與放電間隙相同，所以排氣式避雷器一般只作線路保護(hù)和發(fā)變電站的進(jìn)線段保護(hù)。

5—2

閥式避雷器與氧化鋅避雷器的工作原理相同，且都能避免在被保護(hù)設(shè)備上產(chǎn)生截波，但由于兩者采用的非線性閥片電阻材料不同，使得兩種避雷器的性能有以下的不同：

1.保護(hù)性能。由于氧化鋅避雷器的閥片電阻非線性更好以及一般無放電間隙，氧化鋅避雷器抑制過電壓的能力要比閥式避雷器好。

2.適用范圍。閥式避雷器閥片的通流容量較小，所以一般只適用于限制雷電過電壓以及過電壓能量較小的內(nèi)部過電壓(如切空載變壓器過電壓)，而氧化鋅避雷器不僅可限制雷電過電壓，由于閥片通流容量大，所以也可以用以限制內(nèi)部過電壓(如切合空載線路過電壓)；閥式避雷器動(dòng)作后工頻電弧的熄滅要依賴于工頻續(xù)流的過零，但在直流系統(tǒng)中無這種過零，所以閥式避雷器就不能用于直流系統(tǒng)，氧化鋅避雷器工頻續(xù)流的切斷是依靠閥片電阻優(yōu)良的非線性(在工頻電壓下電阻異常的大)，所以可用于直流系統(tǒng)。

3.運(yùn)行環(huán)境的影響作用。閥式避雷器有放電間隙，間隙放電電壓的分散性使閥式避雷器性能易受溫度、濕度、氣壓、污穢等環(huán)境條件的影響，而氧化鋅避雷器由于無放電間隙，所以不會(huì)受到這些運(yùn)行環(huán)境的影響。

此外，氧化鋅避雷器維護(hù)簡單，省去了放電間隙定期清理。氧化鋅避雷器具有上述各種優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行過程中由于沒有放電間隙隔離工頻工作電壓，故應(yīng)注意閥片電阻的老化問題，所以應(yīng)定期檢測氧化鋅避雷器的工頻泄漏電流，尤其是工頻泄漏電流中的阻性電流分量(其大小直接反映出閥片電阻的老化程度)。

5—3

避雷器是限制過電壓從而使與之相并聯(lián)電氣設(shè)備絕緣免受過電壓作用的器件。對避雷器的第一個(gè)要求是能將過電壓限制到電氣設(shè)備絕緣能耐受的數(shù)值，這就要求避雷器的最大殘壓(殘壓為沖擊電壓作用下，流過避雷器的沖擊電流在避雷器上的壓降)應(yīng)低于設(shè)備絕緣的沖擊耐壓值。對于閥式避雷器還需要保證避雷器的伏秒特性(取決于放電間隙)與被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性有正確的配合，以免發(fā)生電氣設(shè)備絕緣先于避雷器間隙放電前發(fā)生擊穿。避雷器僅滿足上述要求還是不夠的，對避雷器的第二個(gè)要求是應(yīng)在過電壓作用結(jié)束之后，能迅速截?cái)嚯S后發(fā)生的工頻續(xù)流以不致于發(fā)生工頻短路引起跳閘而影響正常供電。閥式避雷器與氧化鋅避雷器利用閥片電阻在工頻電壓下電阻很大的非線性特性使工頻續(xù)流能在第一次過零時(shí)就截?cái)唷５谌齻€(gè)要求是避雷器(閥式和氧化鋅)還應(yīng)具有一定的通流容量以免發(fā)生熱過度而造成瓷套爆裂。

表征閥式避雷器與氧化鋅避雷器的電氣參數(shù)有所不同：

1.閥式避雷器

沖擊放電電壓和殘壓(一般兩者數(shù)值相同)是衡量限制過電壓能力的參數(shù)，其數(shù)值越低對被保護(hù)設(shè)備絕緣越有利。滅弧電壓是保證避雷器可靠滅弧(即截?cái)喙ゎl續(xù)流)的參數(shù)，避雷器安裝點(diǎn)可能出現(xiàn)的最高工頻電壓應(yīng)小于滅弧電壓。工頻放電電壓是保證閥式避雷不在內(nèi)過電壓下動(dòng)作的參數(shù)。體現(xiàn)閥式避雷器保護(hù)性能與滅弧性能的綜合參數(shù)是保護(hù)比(殘壓與滅弧電壓之比)和切斷比(工頻放電電壓與滅弧電壓之比)。

2.氧化鋅避雷器

殘壓(分雷電沖擊殘壓、操作沖擊殘壓、陡波沖擊殘壓)是衡量氧化鋅避雷器對不同沖擊過電壓限壓能力的參數(shù)。持續(xù)運(yùn)行電壓和額定電壓是保證氧化鋅避雷器可靠運(yùn)行所允許的最大工頻持續(xù)電壓和最高工頻電壓(非持續(xù)性)。1mA直流和工頻參考電壓是反映氧化鋅避雷器熱穩(wěn)定性及壽命的參數(shù)。荷電率(持續(xù)運(yùn)行電壓峰值與參考電壓之比)是表征氧化鋅閥片電阻在運(yùn)行中承受電壓負(fù)荷的指標(biāo)。

5—4

設(shè)針高h(yuǎn)小于30m，則高度影響系數(shù)P=1，已知被保護(hù)物高度hx=10m，以及在hx下的保護(hù)范圍

rx=15m

若h≤2hx(即h≤20m)

h-hx=rx

h=rx+hx=15+10=25m

(與h≤20m的假設(shè)不符，舍去)

若h≥2hx(即h≥20m)

1.5h-2hx=rx

(注意，不能四舍五入法)

所以避雷針針高至少應(yīng)為23.34

m。

5—5

此題為等高4針聯(lián)合保護(hù)。第一步將4針分成二個(gè)等高3針，第二步在每個(gè)等高3針中，計(jì)算出在被保護(hù)高度hx下在每二等高雙針間的最小保護(hù)距離bx，若三個(gè)bx都大于等于0，則在此三針?biāo)鶚?gòu)成三角形內(nèi)的所有范圍都能得到保護(hù)；若有一個(gè)bx＜0，則由此等高三針聯(lián)合保護(hù)范圍僅為bx≥0雙針保護(hù)范圍的組合。

對于1和2的等高雙針

rx=h-hx=17-10=7

m

bx=1.5(h0-hx)=1.5(11.286-10)=1.93

m

對于1和3的等高雙針

rx=h-hx=17-10=7

m

bx=1.5(h0-hx)=1.5(8.92-10)＜0

所以對于1、2、3等高三針，其保護(hù)范圍僅為1

和2、2與3兩等高雙針保護(hù)范圍的組合。同理，對于1、3、4等高三針，保護(hù)范圍也是3和4、1和4兩等高雙針保護(hù)范圍的組合。4針對10m

高度被保護(hù)物體的保護(hù)范圍如圖所示(實(shí)線所圍

區(qū)域，不包括中間的一塊)。

5—6

單個(gè)垂直接地體的工頻接地電阻Rg為

單個(gè)垂直接地體的沖擊接地電阻Rch′為

Rch′=αchRg=0.65×69=45

Ω

由3根垂直接地體連接后的整個(gè)接地裝置的沖擊接地電阻Rch為

第六章

6—1

雷電放電是一種自然現(xiàn)象，至今還沒有有效措施能阻止雷電發(fā)生。在輸電線路的各種防雷措施中，最基本或首要措施就是架設(shè)避雷線防止雷直接擊于線路的輸電導(dǎo)線上，更嚴(yán)格地講，架設(shè)避雷線后使雷直接擊于導(dǎo)線上的概率(即繞擊率)比無避雷線時(shí)大大降低。此外，架設(shè)避雷線后，由于分流作用與耦合作用，也有利于防止雷擊塔頂后通過“反擊”使導(dǎo)線上形成過電壓，也有利于降低導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓。

架設(shè)避雷線后雖然大大降低了雷電直接擊于導(dǎo)線在導(dǎo)線上形成過電壓的概率，但仍有很大可能出現(xiàn)雷電擊于線路桿塔塔頂，塔頂電位升高后通過絕緣子串閃絡(luò)(稱為反擊)在導(dǎo)線上形成過電壓，對此可采取降低桿塔接地電阻，架設(shè)耦合地線，加強(qiáng)線路絕緣(通過增加絕緣子片數(shù))以及對雙回路線路采用不平衡絕緣等措施來防止雷擊塔頂后絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)。

然而，采取以上各種措施后仍不能完全避免絕緣子串不發(fā)生閃絡(luò)。萬一出現(xiàn)這種情況時(shí)，線路防雷的進(jìn)一步措施是防止絕緣子串由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電壓下的閃絡(luò)(這種閃絡(luò)可建立穩(wěn)定的工頻電弧而引起線路跳閘)，這可采用消弧線圈接地(在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中)的措施。

最后，盡管采取了上述一道道“防線”，但仍不能絕對保證不會(huì)引起工頻閃絡(luò)導(dǎo)致線路跳閘，對此可裝設(shè)線路自動(dòng)重合閘裝置來提高供電可靠性，而且實(shí)踐證明，對由雷電引起線路跳閘的重合成功率是很高的。

6—2

35KV及以下電壓等級(jí)輸電系統(tǒng)一般都為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生由雷電引起的沖擊閃絡(luò)后，隨后出現(xiàn)的工頻閃絡(luò)電流很小，不能形成穩(wěn)定的工頻電弧，因此不會(huì)引起線路跳閘，所以當(dāng)一相由于雷擊而引起閃絡(luò)后仍能正常工作。這樣雖不裝設(shè)避雷線，雷擊引起的閃絡(luò)概率增大，但這種閃絡(luò)并不會(huì)導(dǎo)致線路跳閘而影響正常供電，故35KV及以下輸電線路一般不架設(shè)避雷線。對于無避雷線的線路，一相閃絡(luò)后再出現(xiàn)第二相閃絡(luò)，形成相間短路，出現(xiàn)大的短路電流，才可能引起線路跳閘，只有當(dāng)雷電流很大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種情況。

6—3

(1)避雷線對地平均高度hb與導(dǎo)線對地平均高度hd為

(2)避雷線對外側(cè)導(dǎo)線的幾何耦合系數(shù)K0

考慮電暈影響，查表4—1得電暈修正系數(shù)K1=1.25

K=K1K0=1.25×0.229=0.286

(3)查表6—1得電感0.5μH/m

Lgt=0.5×29.1=14.55μH

查表6—2得分流系數(shù)β=0.88

(4)雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平I1

(5)雷繞擊于導(dǎo)線時(shí)的耐雷水平I2

(6)雷電流幅值超過I1、I2的概率P1、P2

P1=14.23%

P2=73.1%

(7)查表6—4得擊桿率

計(jì)算

建弧率

繞擊率

(8)線路雷擊跳閘率

6—4

此題為中性點(diǎn)不接地35KV系統(tǒng)，無避雷線。雷擊線路只有兩種情況，即直擊導(dǎo)線或雷擊桿塔，但兩者都造成一相(最高的一相)的絕緣子串閃絡(luò)(設(shè)計(jì)已保證導(dǎo)線間不會(huì)發(fā)生空間閃絡(luò))，而一相閃絡(luò)(閃絡(luò)后一相接地)后線路不會(huì)跳閘，而要等到一相閃絡(luò)后第二相再閃絡(luò)（即前閃絡(luò)相向后閃絡(luò)相反擊)，出現(xiàn)相間短路形成穩(wěn)定的工頻電弧后才會(huì)發(fā)生跳閘，所以耐雷水平和雷擊跳閘率都根據(jù)這種情況來計(jì)算，并且可以借用有避雷線線路的計(jì)算公式進(jìn)行適當(dāng)修正后直接計(jì)算，因?yàn)橐幌嘞乳W絡(luò)后，該相已接地，這與有避雷線線路的情況相類似。

耐雷水平的計(jì)算公式為

與書P141上(6—11)式相比，相當(dāng)于β=1(無避雷線所以無分流)，式中hb取先閃絡(luò)相導(dǎo)線的平均高度，hd為后閃絡(luò)相導(dǎo)線的平均高度，K0為先后閃絡(luò)兩相導(dǎo)線間的幾何耦合系數(shù)，K為考慮電暈影響后的耦合系數(shù)。對于本題先閃絡(luò)相為最高相，后閃絡(luò)相為右側(cè)相，因與最高相之間的距離較大，耦合系數(shù)較小，該相絕緣子上電壓較高而易閃絡(luò)。對于本題hb=h1≈hg，hd=h2

最高相導(dǎo)線的平均高度

右側(cè)相導(dǎo)線的平均高度

耐雷水平

雷電流幅值超過I的概率

P=63%

建弧率

η=(4.5×29.170.75-14)%=42.5%

線路雷擊跳閘率

第七章

7—1

變電所防止直擊雷的措施是裝設(shè)避雷針或避雷線，并配合以良好的接地。為了使避雷針或避雷線能對被保護(hù)對象進(jìn)行有效的保護(hù)，首先應(yīng)使被保護(hù)對象處于避雷針或避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，其次還應(yīng)防止避雷針或避雷線受到雷擊后發(fā)生對被保護(hù)對象的閃絡(luò)(即反擊)。因?yàn)榧词贡槐Ｗo(hù)對象處于保護(hù)范圍之內(nèi)，但若出現(xiàn)反擊，高電位就會(huì)加到被保護(hù)對象(如電氣設(shè)備)上，所以防止反擊與保護(hù)范圍同樣重要。為防止反擊，應(yīng)使避雷針(線)與被保護(hù)對象之間的空間距離以及兩者地下接地體之間的距離具有足夠的數(shù)值。當(dāng)獨(dú)立式避雷針的工頻接地電阻不大于10Ω時(shí)，上述兩種距離不應(yīng)小于5米和3米。為防止反擊，35KV及以下變電所不能采用構(gòu)架式避雷針；易燃、易爆設(shè)備(如儲(chǔ)油罐)也不能采用構(gòu)架式避雷針。對于110KV及以上電壓等級(jí)中的構(gòu)架式避雷針應(yīng)使避雷針構(gòu)架的地下接地體與系統(tǒng)接地體之間的距離保持在15米以上。另外，主變壓器的構(gòu)架也一般不裝避雷針。

7—2

變電站中有許多電氣設(shè)備，所以不可能也沒有必要在每個(gè)電氣設(shè)備旁都安裝一組(三相)避雷器加以保護(hù)。這樣，避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間就有一段長度不等的距離，此距離不是空間的距離，而是沿連接線的距離，故稱為電氣距離。在這種情況下，當(dāng)閥式避雷器動(dòng)作時(shí)，由于波在避雷器至被保護(hù)電氣設(shè)備之間電氣距離內(nèi)的折射與反射，會(huì)使得作用于被保護(hù)電氣設(shè)備上的電壓高于避雷器端點(diǎn)上的電壓，也就是說，使電氣設(shè)備絕緣上的最大電壓高于閥式避雷器的最大殘壓(220KV及以下電壓等級(jí)為流過5KA沖擊電流時(shí)的殘壓，500KV電壓等級(jí)為流過10KA沖擊電流時(shí)的殘壓)。電氣距離越長、侵入波波頭陡度越陡，電壓高出越多。

7—3

避雷器與被保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣配合中，都以閥式避雷器(或氧化鋅避雷器)的最大殘壓來配合，避雷器的最大殘壓為允許流過避雷器最大沖擊電流下的殘壓。在220KV及以下系統(tǒng)中，流過避雷器的最大沖擊電流為5KA(保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的閥式避雷器為3KA)。若在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)流過避雷器的沖擊電流超過此規(guī)定值，則由于避雷器最大殘壓的升高而危及被保護(hù)電氣設(shè)備絕緣。要使流過避雷器的沖擊電流不超過規(guī)定的5KA(500KV為10KA)，具體措施就是采用進(jìn)線段保護(hù)。由于進(jìn)線段(靠近變電站的1-2Km的一段線路)的耐雷水平要較其余部分線路的耐雷水平高，所以可以認(rèn)為雷電侵入波主要來自于1-2Km進(jìn)線段之外的線路上落雷所造成。這樣，雷電侵入波通過進(jìn)線段再作用到避雷器上，在此過程中由于進(jìn)線段波阻抗的串入，減小了流過避雷器的沖擊電流并將其限制到不超過5KA(10KA)。此外，雷電侵入波在進(jìn)線段傳播時(shí)由于出現(xiàn)沖擊電暈，從而同時(shí)又降低了進(jìn)入變電站雷電侵入波的波頭陡度，有利于對電氣設(shè)備的保護(hù)。

7—4

變電站進(jìn)線保護(hù)段的作用有二個(gè)，其一是限制雷電侵入波電壓作用下流過避雷器的電流，其二是降低最終進(jìn)入變電站雷電侵入波的波頭陡度。對進(jìn)線保護(hù)段的要求是其應(yīng)具有比線路更高的耐雷水平，為此這段線路的避雷線應(yīng)具有更小的對導(dǎo)線的保護(hù)角，而全線無避雷線線路則當(dāng)然應(yīng)在這段線路上架設(shè)避雷線。

7—5

變電站進(jìn)線段保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)接線中，對1～2公里這段線路采取加強(qiáng)防雷措施(如減小保護(hù)角)，使其具有較高的耐雷水平。保護(hù)進(jìn)線段的作用是限制避雷器動(dòng)作時(shí)流過的沖擊電流不超過允許值以及降低進(jìn)入變電站的雷電侵入波電壓的波頭陡度。對于線路在雷雨季節(jié)可能處于開路狀態(tài)而線路另一側(cè)又帶電(如雙端電源線路)時(shí)，應(yīng)在進(jìn)線段末端對地裝設(shè)排氣式避雷器(或閥式避雷器)，目的在于防止線路上有雷電波侵入時(shí)，由于斷路器打開而在線路末端發(fā)生全反射引起沖擊閃絡(luò)，再導(dǎo)致工頻對地短路，造成斷路器或隔離開關(guān)絕緣部件燒毀。要注意的是，斷路器和隔離開關(guān)合閘時(shí)，該排氣式避雷器不應(yīng)在雷電侵入波作用下動(dòng)作，以免產(chǎn)生截波危及有繞組電氣設(shè)備的縱絕緣。

7—6

直配電機(jī)是指不經(jīng)變壓器而直接與架空線相連接的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(發(fā)電機(jī)或高壓電動(dòng)機(jī))。直配電機(jī)防雷保護(hù)的主要措施(參見書P164圖7—18)為：

1.在電機(jī)母線上裝設(shè)FCD型閥式避雷器或氧化鋅避雷器以限制雷電侵入波的幅值。

2.在電機(jī)母線上對地并電容器，每相約0.25-0.5μF(若接有電纜段，電纜對地電容包括在內(nèi))。電容器的作用是降低雷電侵入波的陡度以保護(hù)電機(jī)縱絕緣，同時(shí)還起到降低架空線上的感應(yīng)雷過電壓(此過電壓也作用到電機(jī)上)。

3.在直配電機(jī)進(jìn)線處加裝電纜段和排氣式避雷器(或閥式避雷器線)、電抗器，聯(lián)合保護(hù)以限制避雷器動(dòng)作電流小于規(guī)定值(3KA)。

4.發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)有引出線且未直接接地(發(fā)電機(jī)常這樣)時(shí)，應(yīng)在中性點(diǎn)上加裝避雷器保護(hù)中性點(diǎn)的絕緣，或者加大母線并聯(lián)電容以進(jìn)一步限制雷電侵入波陡度。

電纜段的作用不在于電纜具有較小波阻抗和較大的對地電容，而在于在等值頻率很高的雷電流作用下電纜外皮的分流(由于FE1動(dòng)作)及耦合作用。當(dāng)雷電侵入波使電纜首端排氣式避雷器(為使此避雷器由于發(fā)生負(fù)反射不能可靠動(dòng)作而前移70m，即FE1)動(dòng)作時(shí)，電纜芯線與外皮短接，相當(dāng)于把電纜芯和外皮連在一起并具有同樣的對地電壓iR1。在此電壓作用下電流沿電纜芯和電纜外皮分兩路流向電機(jī)。由于流過電纜外皮絕緣所產(chǎn)生的磁通全部與電纜芯交鏈(由于電纜芯被電纜外皮所包圍)，在芯線上感應(yīng)出接近等量的反電勢從而阻止芯線中電流流向電機(jī)，使絕大部分電流如同高頻集膚效應(yīng)那樣從電纜外皮流，這樣減小了流過避雷器(與芯線相連)的電流，也即限制了避雷器的動(dòng)作電流。電纜芯中的反電勢是建立在電纜外皮與電纜芯導(dǎo)線的耦合作用基礎(chǔ)之上，為了加強(qiáng)這種耦合作用(以加強(qiáng)反電勢)，常采取將70m段的接地引線平行架設(shè)在導(dǎo)線下方，并與電纜首端的金屬外皮在裝設(shè)FE2桿塔處連接在一起后接地，工頻接地電阻不應(yīng)大于5Ω。在電纜首端保留FE2以便在強(qiáng)雷時(shí)動(dòng)作(即一般情況下不動(dòng)作)以進(jìn)一步限制避雷器動(dòng)作電流(在強(qiáng)雷時(shí)也不超過3KA)。

7—7

變電站的防雷保護(hù)可分為直擊雷的保護(hù)和雷電侵入波的保護(hù)兩個(gè)方面。本題涉及對雷電侵入波的保護(hù)，具體措施就是裝設(shè)避雷器，要確定避雷器裝設(shè)在什么位置以及選擇何種參數(shù)的避雷器。防雷保護(hù)方案如下：

1.母線上裝設(shè)避雷器。220KV、110KV雙母線的每條母線以及10KV母線對地分別裝設(shè)一組(三相)避雷器。如選用閥式避雷器則為FZ—220，F(xiàn)Z—110，F(xiàn)Z—10。根據(jù)避雷器至變壓器及其它電氣設(shè)備最大允許電氣距離校驗(yàn)避雷器安裝位置是否妥當(dāng)。由于避雷器電氣參數(shù)不同時(shí)，最大允許電氣距離也不同，以下以選用閥式避雷器為例計(jì)算最大允許電氣距離。

220KV

保護(hù)進(jìn)線段長度為2Km，根據(jù)表7—5得

α′=1.2KV/m。查表7—3得Uc.5=664KV，Uj=949KV。根據(jù)Uc.5+2α＇L≤Uj可算出避雷器至變壓器最大允許電氣距離L=118m。

110KV

保護(hù)進(jìn)線段長度為1Km或2Km，根據(jù)表7—5得α′=1.5KV/m或α′=0.75KV/m。查表7—3得Uc.5=332KV，Uj=478KV。根據(jù)Uc.5+2α＇L≤Uj，可算出避雷器至變壓器最大允許電氣距離分別為48m和97m。但此距離為一路出線的情況，對于此題為至少為二路出線，故最大允許電氣距離還要增大，查圖7—11可得最大允許電氣距離為70m和135m。

2.主變T1中性點(diǎn)裝設(shè)避雷器。T2為Y0/Δ聯(lián)接，而T1為Y/Δ聯(lián)接，故T1中性點(diǎn)對地應(yīng)裝設(shè)一只避雷器。如選用閥式避雷器則選FZ—35。

3.自耦式主變T2裝設(shè)避雷器。由于運(yùn)行方式可能出現(xiàn)中壓側(cè)開路和高壓側(cè)開路的運(yùn)行方式，因此相應(yīng)母線上的避雷器由于繞組出口處斷路器的分閘而對開路的中壓、高壓繞組起不到保護(hù)作用，為此應(yīng)在中壓繞組(110KV)和高壓繞組(220KV)出口處(繞組出口斷路器的繞組側(cè))分別裝設(shè)一組避雷器。若選用閥式避雷器則分別為FZ—110和FZ—220。

4.110、220線路的進(jìn)線段保護(hù)

進(jìn)線段的長度：220KV為2Km，110KV根據(jù)最大允許電氣距離校核結(jié)果而定。

進(jìn)線段的耐雷水平：110KV為75KA，220KV為120KA

進(jìn)線段避雷線的保護(hù)角：＜20°

進(jìn)線段末端是否裝排氣式(或閥式代替)避雷器，要視線路另一端是否有電源而定，因運(yùn)行方式(四路/兩路，三路/一路)已表明雷季可能出現(xiàn)線路末端可能處于開路狀態(tài)。

第八章

8—1

暫時(shí)過電壓與操作過電壓產(chǎn)生的根本性原因是完全不同的，前者由于參數(shù)特定的配合引起，因此只要這種參數(shù)配合不發(fā)生改變，過電壓就可能持續(xù)。后者為電網(wǎng)中發(fā)生振蕩型的暫態(tài)過程引起，一旦暫態(tài)過程結(jié)束，過電壓也就消失。

8—2

工頻過電壓也稱工頻電壓升高，因?yàn)榇祟愡^電壓表現(xiàn)為工頻電壓下的幅值升高。引起工頻電壓升高的原因有：空載線路的電容效應(yīng)、不對稱短路和突然甩負(fù)荷。

空載線路可看作由分布的L、C回路構(gòu)成，在工頻電壓作用下，線路的總?cè)菘挂话氵h(yuǎn)大于導(dǎo)線的感抗，因此由于電容效應(yīng)使線路各點(diǎn)電壓均高于線路首端電壓，而且愈往線路末端，電壓愈高。系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路時(shí)，短路電流的零序分量會(huì)使健全相電壓升高，而在不對稱短路中以單相接地最為常見且引起健全相上電壓升高也最為嚴(yán)重。由于某種原因線路突然甩負(fù)荷，作為電源的發(fā)電機(jī)，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，通過激磁繞組的磁通來不及變化，與其相應(yīng)的電源電勢Ed′維持原來數(shù)值從而使線路上工頻電壓升高。

8—3

影響空載線路電容效應(yīng)引起工頻電壓升高的因素主要有3個(gè)。其一是線路的長度。線路越長，空載線路末端比首端電壓升高越大，可采用

進(jìn)行計(jì)算。其二是電源容量。電源容量越大，電源電抗XS越小，電壓升高越小。另外，也與線路是否接有并聯(lián)電抗器有關(guān)。線路接入并聯(lián)電抗器后，通過補(bǔ)償空載線路的電容性電流削弱電容效應(yīng)從而達(dá)到降低工頻電壓升高的目的。

第九章

9—1

操作過電壓

產(chǎn)

生

原

因

影

響

因

素

電弧接地過電壓

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中由于出現(xiàn)間歇性電弧接地引起振蕩型暫態(tài)過程

1.接地電容電流大小(如中性點(diǎn)接消弧線圈后可減小)

2.系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(相間電容和損耗)

3.電弧熄滅和重燃時(shí)的相位(此因素具有隨機(jī)性而不可控)

空載線路分閘過電壓

分閘后斷路器觸頭間由于出現(xiàn)電弧重燃引起振蕩型暫態(tài)過程

1.斷路器滅弧性能。其直接影響到分閘后的重燃程度

2.接線方式(出線數(shù)以及是否接有電磁式電壓互感器)。影響到在相同重燃情況下的過電壓大小

3.中性點(diǎn)接地方式。中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中由于中性點(diǎn)電位的位移而使在相同情況下的過電壓數(shù)值增大。

空載線路合閘過電壓

合閘前后電路狀態(tài)改變引起振蕩型暫態(tài)過程

1.合閘前后電路狀態(tài)的差異。這與合閘時(shí)的相位以及是計(jì)劃性合閘還是重合閘有關(guān)。

2.線路殘余電壓大小。這主要影響重合閘過電壓大小。

3.系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)、斷路器合閘的三相同期性。

切除空載變壓器過電壓

切除過程中由于空載電流的突然“截?cái)唷币鸫艌瞿芰肯螂妶瞿芰康霓D(zhuǎn)變

1.斷路器的滅弧性能

2.變壓器的參數(shù)

9—2

消弧線圈是一有鐵芯的電感線圈，接在系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間，消弧線圈的基本作用是補(bǔ)償流過故障點(diǎn)的容性接地電流，使接地電弧容易熄滅，同時(shí)消弧線圈能降低故障相上恢復(fù)電壓的上升速度，減小電弧重燃的可能性，這樣接地電弧出現(xiàn)后會(huì)很快熄滅且不重燃，從而限制了間歇電弧接地過電壓。消弧線圈電感電流能補(bǔ)償系統(tǒng)對地電容電流的百分?jǐn)?shù)稱為消弧線圈的補(bǔ)償度。根據(jù)補(bǔ)償度的不同，可選擇消弧線圈參數(shù)使系統(tǒng)處于欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償、過補(bǔ)償狀態(tài)下運(yùn)行。為了充分發(fā)揮消弧線圈的消弧作用(若欠補(bǔ)償，則隨電網(wǎng)發(fā)展使補(bǔ)償度更低)以及避免出現(xiàn)或接近全補(bǔ)償(若欠補(bǔ)償，運(yùn)行時(shí)由于部分線路退出而成為全補(bǔ)償)后因三相對地電容不對稱導(dǎo)致中性點(diǎn)上出現(xiàn)較大的位移電壓危及絕緣，所以常采用過補(bǔ)償運(yùn)行方式來選擇消弧線圈參數(shù)。

9—3

空載線路分閘過電壓是由于斷路器分閘后觸頭間發(fā)生電弧重燃而引起的，所以斷路器滅弧性能好，重燃次數(shù)少或基本不重燃，分閘過電壓就較低。而切除空載變壓器過電壓是由于斷路器分閘時(shí)發(fā)生空載電流的突然“截?cái)唷?從某一數(shù)值突然降至零)，所以斷路器滅弧性能好，空載電流“截?cái)唷敝荡?，截?cái)嚯娏鲗?yīng)的磁場能量大，截流后轉(zhuǎn)變成電場能量也大，切除空載變壓器過電壓就高。

9—4

帶并聯(lián)電阻斷路器具有主輔兩對觸頭，在主觸頭上并有電阻，所以稱為并聯(lián)電阻(如書P185上圖9—7所示)。空載線路分閘時(shí)，主觸頭S1先分，此時(shí)線路仍未從電源切除，S1分閘也會(huì)引起振蕩的暫態(tài)過程，由于S1斷口間恢復(fù)電壓僅為并聯(lián)電阻的電壓降，這要小于電源電壓，所以S1分閘后不易發(fā)生電弧重燃。S1分閘后經(jīng)1.5～2個(gè)工頻周期，輔助觸頭S2分閘，線路真正從電源切除，S2分閘后觸頭間恢復(fù)電壓也要小于電源電壓所以也不容易發(fā)生電弧的重燃，這樣空載線路分閘過程中都不易發(fā)生電弧重燃，當(dāng)然分閘過電壓也降低?？蛰d線路合閘時(shí)，輔助觸頭S2先合閘，線路變成串以并聯(lián)電阻后的合閘，由于電阻的阻尼作用，S2合閘過程中的過電壓降低。經(jīng)1.5～2個(gè)工頻周期，主觸頭S1閉合，線路真正合閘電源，S1閉合僅將R短接掉，此過程中狀態(tài)的改變要小于直接合閘電源時(shí)的狀態(tài)改變，所以S1閉合過程中過電壓也降低。

9—5

切除空載變壓器過電壓的限制措施主要是采用避雷器，由于切空變過電壓雖幅值較高但其持續(xù)時(shí)間短，能量小，故可采用閥式避雷器(當(dāng)然也可用氧化鋅避雷器)加以限制，此種過電壓也是閥式避雷器所能限制的唯一操作過電壓。對于切合空載線路過電壓，避雷器不是主要限制措施(主要措施是斷路器并電阻)，因?yàn)檫@種操作非常頻繁，若采用避雷器限制過電壓，會(huì)使避雷器動(dòng)作過于頻繁。另外即使作為輔助限制措施，也應(yīng)選用通流能力較大的氧化鋅避雷器。對于電弧接地過電壓一般不采用避雷器限制而主要采用接消弧線圈的措施。當(dāng)然，為保護(hù)中性點(diǎn)絕緣和消弧線圈，中性點(diǎn)對地可接避雷器。

第十章

10—1

鐵磁諧振過電壓是在鐵磁諧振過程中出現(xiàn)的。要發(fā)生鐵磁諧振須滿足兩個(gè)條件：一是諧振回路中須存在非線性的電感(具有鐵芯的電感)和線性電容，且正常運(yùn)行時(shí)感抗應(yīng)大于容抗。二是須由外界因素(如電源電勢的擾動(dòng))強(qiáng)烈的激發(fā)，使諧振回路穩(wěn)定于諧振工作點(diǎn)。鐵磁諧振與線性諧振相比較，具有不同的諧振條件與特點(diǎn)：

1.線性諧振條件是無需激發(fā)；而鐵磁諧振條件

(L0為正常非飽和時(shí)的電感)以及外界一定程度的激發(fā)，二個(gè)條件缺一不可。

2.線性諧振時(shí)，諧振回路的電流呈阻性，uL=uC；而鐵磁諧振時(shí)，諧振回路的電流呈容性，uL＜uC，即發(fā)生鐵磁諧振時(shí)非穩(wěn)定工作點(diǎn))。

3.線性諧振時(shí)，回路有固定的自振頻率而鐵磁諧振時(shí)回路無固

定的自振頻率，可發(fā)生基波與各種頻率諧波的諧振。

10—2

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中常出現(xiàn)由于電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過電壓。電磁式電壓互感器常接成Y0，如書P198上圖10—7所示。正常運(yùn)行時(shí)，電磁式電壓互感器各相感抗大于線路容抗，導(dǎo)致并聯(lián)后呈容性。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某些擾動(dòng)，使電壓互感器各相飽和程度不同，飽和程度小的相仍呈容性，飽和程度大的相可能呈現(xiàn)感性，若參數(shù)配合不當(dāng)恰好使總導(dǎo)納接近于零，就發(fā)生串聯(lián)諧振。由于諧振使中性點(diǎn)位移電壓(正常時(shí)為零)急劇上升。而中性點(diǎn)電位升高后，三相導(dǎo)線的對地電位等于各相電源電勢與中性點(diǎn)位移電壓的相量和。若發(fā)生基波諧振，則往往一相對地電壓降低，二相對地電壓升高。為限制這種鐵磁諧振過電壓可選用勵(lì)磁特性較好的電磁式電壓互感器；可加并對地電容以增大三相對地電容來避免出現(xiàn)某些相從容性變?yōu)楦行?，以消除與呈容性相構(gòu)成諧振的可能性；也可在電壓互感器開口三角形繞組中短時(shí)接入阻尼電阻或在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)對地接入電阻以阻尼振蕩降低過電壓。

10—3

斷線過電壓是由于斷線而引起的鐵磁諧振過電壓。這里所說的斷線包括導(dǎo)線因故障的折斷，也包括斷路器非全相操作以及熔斷器的一相或二相熔斷等。斷線過電壓一般發(fā)生于線路末端接有中性點(diǎn)不接地的空載或輕載變壓器。斷線后，系統(tǒng)處于非全相運(yùn)行，在上述情況下會(huì)形成如書P196上圖10—6所示的簡化等值串聯(lián)諧振電路。無論是一相斷線還是二相斷線，電路中的L都為空載或輕載變壓器單相勵(lì)磁電感的1.5倍，而電路中的E和C則根據(jù)斷線的位置，一相斷線還是二相斷線以及電源中性點(diǎn)接地與否而不同，詳見書P197上表10—1。要

產(chǎn)生斷線過電壓需滿足這一條件，且須在外界因素激發(fā)下才有可

能發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生斷線過電壓。為限制和消除這種過電壓，措施之一是避免出現(xiàn)非全相運(yùn)行，如加強(qiáng)巡視和檢修預(yù)防線路發(fā)生斷線或保證斷路器三相同期動(dòng)作以避免發(fā)生一相或二相拒動(dòng)，以及不采用熔斷器等。措施之二是在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中操作中性點(diǎn)不接地的變壓器時(shí)，將變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地。

第十一章

11—1

絕緣配合就是要協(xié)調(diào)配合好電力系統(tǒng)中的過電壓、限壓措施與電氣設(shè)備絕緣水平三者之間的關(guān)系，使之在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上、運(yùn)行上都能接受。電氣設(shè)備的絕緣水平是設(shè)備絕緣應(yīng)能耐受(不發(fā)生閃絡(luò)、擊穿或其它損壞)的電壓，也即耐壓試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓。電氣設(shè)備對于工頻交流、雷電沖擊和操作沖擊電壓的絕緣水平或耐壓試驗(yàn)電壓是不同的。

11—2

線路絕緣子串中絕緣子的片數(shù)首先按工作電壓下滿足所要求的泄漏距離(按泄漏比距計(jì)算)來確定，然后再按內(nèi)、外過電壓下的要求進(jìn)行校驗(yàn)(若不滿足需增加片數(shù))。

11—3

電氣設(shè)備絕緣的BIL稱為電氣設(shè)備的基本沖擊絕緣水平，它表征電氣設(shè)備絕緣耐受雷電過電壓的能力。電氣設(shè)備絕緣的SIL稱為電氣設(shè)備的操作沖擊絕緣水平，它表征電氣設(shè)備絕緣耐受操作沖擊過電壓的能力。