高電壓技術第二版張一塵習題答案

第一章

1—1

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

1.碰撞游離方式

在這種方式下，游離能為與中性原子(分子)碰撞瞬時帶電粒子所具有的動能。雖然正、負帶電粒子都有可能與中性原子(分子)發生碰撞，但引起氣體發生碰撞游離而產生正、負帶電質點的主要是自由電子而不是正、負離子。

2.光游離方式

在這種方式下，游離能為光能。由于游離能需達到一定的數值，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能。由于內能與絕對溫度成正比，因此只有溫度足夠高時才能引起熱游離。

4.金屬表面游離方式

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

氣體中帶電質點消失的方式有三種：

1.擴散

帶電質點從濃度大的區域向濃度小的區域運動而造成原區域中帶電質點的消失，擴散是一種自然規律。

2.復合復合是正、負帶電質點相互結合后成為中性原子(分子)的過程。復合是游離的逆過程，因此在復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離子，從而使氣體中自由電子(負的帶電質點)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生少量帶電質點的各種游離因素，如宇宙射線。討論氣體放電電壓、擊穿電壓時，都指放電已達到自持放電階段。

湯生放電理論的自持放電條件用公式表達時為

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動，撞擊陰極，此時已起碼撞出一個自由電子(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，從而能使放電達到自持階段。

1—3

湯生放電理論與流注放電理論都認為放電始于起始有效電子通過碰撞游離形成電子崩,但對之后放電發展到自持放電階段過程的解釋是不同的。湯生放電理論認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引起電子碰撞游離所需的有效電子。而流注放電理論則認為形成電子崩后，由于正、負空間電荷對電場的畸變作用導致正、負空間電荷的復合，復合過程所釋放的光能又引起光游離，光游離結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別在于對放電達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象。

1—4

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

1.持續的電暈放電

電暈放電是在不均勻電場中，電場強度大的局部區域中發生的放電，此時整個氣體間隙仍未擊穿，但在局部區域中氣體已擊穿。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象。而在極不均勻電場中則可觀察到明顯的電暈放電現象，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放電

當氣體間隙距離較長(＞1m)時，流注通道是通過具有熱游離本質的先導放電不斷向前方(另一電極)推進的。由于間隙距離較長，當流注通道發展到一定距離，由于前方電場強度不夠強(由于電場不均勻)流注要停頓。此時通過先導放電而將流注通道前方電場加強，從而促使流注通道進一步向前發展。就這樣，不斷停頓的流注通道通過先導放電而不斷推進，從而最終導致整個間隙擊穿。

3.不對稱極不均勻電場中的極性效應

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、負極性的不同而不同。正棒—負板氣體間隙的擊穿電壓要低于相同間隙距離負棒—正板氣體間隙的擊穿電壓，而電暈起始電壓則相反。解釋這種結果的要點是間隙中正空間電荷產生的電場對原電場的增強或削弱。判斷間隙擊穿電壓高低看放電發展前方的電場是加強還是削弱，而判斷電暈起始電壓高低則看出現電暈放電電極附近的電場是增強還是削弱。出現正空間電荷的原因是由于氣體游離產生的正、負帶電粒子定向運動速度差異很大，帶負電的自由電子很快向正極性電極移動，而正空間電荷(正離子)由于移動緩慢，此時幾乎仍停留在原地從而形成正空間電荷。對于正棒-負板氣體間隙，正空間電荷的電場加強了放電發展前方的電場，有利于流注向前方發展，有利于放電發展。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。對于負棒-正板氣體間隙，情況則相反。這就導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，區別僅在于放電是在局部區域還是在整個區域。若出現電暈放電，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，這是因為電暈放電時的光、聲、熱、化學等效應都要消耗能量。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，電暈電流為一個個斷續的高頻脈沖。另外，電暈放電時所產生的一些氣體具有氧化和腐蝕作用。而在某些環境要求比較高的場合，電暈放電時所發出的噪聲有可能超過環保標準。為此，高壓、超高壓電氣設備和輸電線路應采取措施力求避免或限制電暈放電的產生。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。電暈放電也被工業上某些方面所利用而達到某種用途。

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，這一規律稱為巴申定律。這種函數關系常用曲線表示，氣體種類不同，電極材料不同，這種函數關系的曲線也不同。巴申定律是由實驗而不是通過解析的方法得到的氣體放電規律。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為UF=F(δd)，δ為氣體的相對密度。

1—7

在持續電壓(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確定的擊穿電壓，間隙的擊穿不僅與電壓值有關，還與擊穿過程的時間(放電時間)有關。這就是說，氣體間隙的沖擊擊穿特性要用兩個參數(擊穿電壓值和放電時間)來表征，而氣體間隙在持續電壓作用下擊穿特性只要用擊穿電壓值一個參數來表征。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到U0(持續電壓下間隙的擊穿電壓)值時，氣體間隙并不能立即擊穿而要經過一定的時間后才擊穿，這段時間稱為放電時延。放電時延包括兩部分時延：

1.統計時延

從電壓達U0值起至出現第一個有效電子為止的這段時間。統計時延的分散性較大。

2.放電形成時延

從出現第一個有效電子至間隙擊穿為止的這段時延。

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)上出現的電壓最大值與放電時間(或擊穿時間)的關系，稱為氣體間隙(或固體絕緣)的伏秒特性。伏秒特性常用曲線(由實驗得到)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。在過電壓保護中，如何能保證被保護電氣設備得到可靠的保護(即限制作用在電氣設備絕緣上的過電壓數值)，就要保證被保護電氣設備絕緣的伏秒特性與保護裝置(如避雷器)的伏秒特性之間配合正確。兩者正確的配合應是：被保護電氣設備絕緣伏秒特性的下包線始終(即在任何電壓下)高于保護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：

1.間隙中電場的均勻程度

間隙距離相同時，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，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)發生碰撞，但不容易引起碰撞游離(因碰撞前自由行程短，動能積聚不夠)，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，氣體中自由電子數減少，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生了游離，若采取措施削弱這種游離過程，當然擊穿電壓就提高了。具體措施是采用三“高”：高氣壓，高真空，高絕緣強度的氣體(如SF6氣體)。

1—10

沿面閃絡是指沿面放電已貫通兩電極。電極間放入固體介質后的沿面閃絡電壓要比相同電極空氣間隙的擊穿電壓低，這是因為沿固體介質表面的電場與空氣間隙間電場相比已經發生了畸變，這種畸變使固體介質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.固體介質與電極之間氣隙中放電產生的正、負電荷聚集在沿面靠電極的兩端。

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

3.由于固體介質表面電壓分布不均勻，在表面電場強度大的區域中出現電暈放電。

4.固體介質表面的不平整造成沿面電場畸變。

1—11

套管表面的電場強度與表面斜交，表面的電場強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，所以其放電過程具有與其它形式沿面放電不同的特點：

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

2.隨著電壓進一步提高到某一數值，出現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放電是強垂直分量電場型沿面放電所特有的，它具有熱游離的性質。出現滑閃放電時，放電仍未達到沿面閃絡。

3.電壓升高至沿面閃絡電壓，滑閃放電發展成沿面閃絡。

要提高套管沿面閃絡電壓，可以從以下兩個方面來考慮：

1.增大沿面閃絡距離。但要注意：閃絡電壓的提高與閃絡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小的介質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(見書P30)，每片絕緣子具有等值電容C(當然還有等值電導，但由于電導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，可以在靠近導線的絕緣子外面套上一金屬屏蔽環(稱均壓環)，此均壓環與導線等電位，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下發生的沿面閃絡稱為絕緣子的污閃。污穢絕緣子的閃絡往往發生在大氣濕度很高等不利的氣候條件下，此時閃絡電壓(污閃電壓)大大降低，可能在工作電壓下發生閃絡從而加劇了事故的嚴重性。防止絕緣子發生污閃的措施主要有：

1清除污穢層

這要通過監測手段及時確定清掃的時間。

2.提高絕緣子的表面耐潮性和憎水性

這是因為污穢絕緣子在受潮情況下閃絡電壓降低最多。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、負離子的空間位移

快

無

小

偶極子

極性電介質分子(偶極子)的轉向

慢

有

大

空間電荷

空間電荷的積聚

緩慢

有

大

2—2

泄漏電流是電介質中少量帶電粒子在電場(電壓)作用下形成的電導電流。這種電導電流是很小的(為此冠以“泄漏”的名稱)，但在高電壓下可達到能被檢測出的數值。電介質對電導電流的阻力稱為絕緣電阻。作用電壓(直流電壓)、泄漏電流、絕緣電阻三者的關系符合歐姆定律。電介質的電導過程表明電介質并非絕對不導電，即絕緣電阻不等于無窮大。當固體電介質受電壓作用時，除了有泄漏電流流過電介質內部(稱為體積泄漏電流)外，還有電流沿電介質表面流過，這部分電流稱為表面泄漏電流。絕緣試驗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，實際上所測到的電流應是體積泄漏電流和表面泄漏電流之和。

2—3

電導過程是帶電粒子在電場(電壓)作用下定向移動形成電導電流的過程。電介質的電導與金屬導體的電導有兩個本質的區別。其一是形成電導電流的帶電粒子不同，電介質中為離子，而金屬導體中為自由電子。所以電介質電導為離子性電導，而金屬導體電導為電子性電導。其二是帶電粒子數量上的區別，在電介質中有少量帶電質點，而在金屬導體中則有大量帶電粒子。正由于兩者帶電粒子數差別懸殊，才使兩者電導受溫度影響的結果絕然不同。

2—4

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

2—5

tgδ是表征電介質在交流電壓作用下內部損耗特性的參數(物理量)。tgδ反映了電介質在交流電壓作用下電導損耗、極化損耗以及在電壓(電場強度)較高時游離損耗的綜合結果。tgδ與外加電壓、頻率無關(指在一定范圍內)，與電介質尺寸結構無關，僅取決于內在的損耗特性。研究測量tgδ的目的不在于：介質損耗掉了多少功率(比其它原因引起的功率損耗，其要小得多)，而在于：若介質損耗大，將加速老化，最終導致絕緣性能失去而造成絕緣故障。電壓在一定范圍內(不是過高)，tgδ不隨電壓變化。但當電壓過高時，由于介質內部的游離損耗而使tgδ增大。在工頻電壓下，頻率的變動(在50Hz左右變動)不會改變tgδ值。但當頻率變動很大(數倍、數十倍)，tgδ會受到頻率變化的影響。在頻率不很高時，tgδ隨頻率的升高而增大(由于單位時間內極化次數增多造成極化損耗增大)。但當頻率過高時，由于偶極子來不及轉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的影響隨電介質種類的不同而不同。中性或弱極性電介質的tgδ隨溫度升高而增大。對于極性電介質，tgδ隨溫度的變化則要考慮電導損耗、極化損耗隨溫度變化的綜合結果。見書P44，t＜t1時，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，極化損耗隨溫度升高而減小且超過電導損耗隨溫度升高而增大，所以tgδ隨溫度升高而減小。t＞t2時，電導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

實際使用的變壓器油是非純的液體電介質，其擊穿過程與純液體電介質是根本不同的。在變壓器油中的電極間一旦形成“氣泡”通道，由于氣體擊穿場強要比變壓器油低得多，因此就發生電極之間的擊穿?！皻馀荨蓖ǖ揽捎蓛煞N途徑形成。一種途徑是油中原先存在的氣泡中發生氣體游離，由于游離而得到的正、負電荷向兩電極方向運動而使氣泡拉長，當這種氣泡增多并頭尾相接貫通兩電極時就形成氣泡通道。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。油的品質即油中所含水份、纖維、氣泡等雜質的多少。含雜質越多，油的品質越差，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水分的多少（在10℃-80℃時`)和油中含氣量的多少(在80℃以上時)間接影響的。在大約80℃以下時，溫度升高，油中溶解狀態的水分增加，則懸浮狀態水減少，從而不易形成導致擊穿的“小橋”，擊穿電壓就升高。在大約80℃以上時，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，油中溶解狀態的氣體增多，從而使能形成氣泡通道的自由態氣體減少而使擊穿電壓提高。

4.電壓作用時間。這主要是由于形成氣泡通道需要一定的時間，所以電壓作用時間越短(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

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

2—8

固體電介質的擊穿有三種形式，它們的擊穿過程與特點比較如下：

擊穿形式

擊穿過程(機理)

擊穿強度

擊穿前溫度

擊穿過程快慢

電擊穿

碰撞游離導致

很高

不高

極快

熱擊穿

溫度很高造成熱破壞

不高

高

慢

電化學擊穿

電介質劣化導致

低

不高(電擊穿)

高(熱擊穿)

緩慢

2—9

提高固體電介質擊穿電壓措施有：

1.改進絕緣設計。這主要從絕緣材料(選用絕緣強度高的材料)、絕緣結構(使絕緣盡量處于均勻電場中)以及組合絕緣這三個方面來考慮。

2.改進制造工藝。使絕緣材料保持良好的先天絕緣性能，主要是減少雜質、氣泡、水分等。其中尤其是所含氣泡，因不能采取措施補救(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.改善運行條件。這主要是防潮和加強散熱冷卻，這也是運行部門應注意的。

2—10

固體電介質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內部氣泡中的局部放電。由于這種局部放電造成長期的機械作用(帶電粒子撞擊固體介質)、熱作用(放電引起溫度升高)、化學作用(放電產生某些腐蝕性氣體)而使介質逐漸老化。熱老化的原因是介質長期受熱作用發生裂解、氧化等變化而使機械和絕緣性能降低。熱老化的進程與電介質的工作溫度有關，不同介質為保證一定熱老化進程(運行壽命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耐熱等級。要注意的是：每種耐熱等級的最高允許溫度并不是絕對不可超過的(后果是壽命縮短)。運行壽命10年是指此種耐熱等級固體絕緣材料持續保持此最高允許工作溫度時的運行壽命為10年，而一般電氣設備不可能持續保持在此最高允許工作溫度下運行，所以一般運行壽命可達20～25年。

第三章

3—1

對已投入運行電氣設備的絕緣按規定的試驗條件、試驗項目、試驗周期進行的定期檢查或試驗，稱為預防性試驗。通過試驗及早和及時發現設備絕緣的各種缺陷(制造過程中潛伏的、運輸過程中形成的、或運行過程中發展的)，并通過檢修將這些絕緣缺陷排除，從而起到預防發生事故或預防設備損壞的目的，所謂預防性的含義就在于此。電氣設備絕緣的預防性試驗可分為兩大類：

1.絕緣特性試驗。也稱非破壞性試驗，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、介質損失角正切tgδ等)的各種試驗。由于試驗電壓低，所以在試驗過程中不會損傷電氣設備的絕緣。

2.耐壓試驗。耐壓試驗時，在設備絕緣上施加各種耐壓試驗電壓以考驗絕緣對這些電壓的耐受能力。耐壓試驗電壓則模擬電氣設備絕緣在運行過程可能遇到的各種電壓(包括過電壓)的大小和波形。由于耐壓試驗電壓大大高于額定工作電壓，所以在試驗過程中有可能(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的絕緣發生擊穿。因此，盡管耐壓試驗較絕緣特性試驗更為直接和嚴格，但須在絕緣特性試驗合格后才能進行。

3—2

用兆歐表測絕緣電阻實質上是測流過絕緣的電流并將此電流值轉化為電阻值從兆歐表上直接讀出。當絕緣等值電容量較大時，由于吸收現象(電流由大變小并趨于一穩定值)較為明顯，所以兆歐表讀數由小逐漸增大并趨于一穩定值。出現此種現象的根本原因是，絕緣介質在直流電壓作用下發生極化、電導過程的綜合結果，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，表面泄漏電流經屏蔽端子直接流回直流發電機(見書P53圖)而不再經過電流線圈，這樣就消除了表面泄漏電流。

3-3

吸收比規定為測絕緣電阻時60秒時讀數與15秒時讀數的比值，對于等值電容量較大電氣設備的絕緣，可以根據吸收比K的大小來判斷絕緣是干燥還是受潮，這是因為：

絕緣干燥時

絕緣受潮時

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

秒時的電流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要比干燥時大，在15秒時的電流比60

秒時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備對地絕緣)時，測量直流泄漏電流的接線圖如書P75圖3—22所示。試驗變壓器T為升壓變壓器以獲得交流高壓。調壓器T1調節加至試驗變壓器低壓繞組上的電壓以從高壓繞組獲得試驗規定所要求的電壓。試驗所需的高壓直流電壓由高壓交流整流而得，一般用高壓硅堆經半波整流而得到。當所需試驗電壓較高時可采用倍壓整流或串級直流整流線路獲得。圖3—22中的C為濾波電容器，當被試品等值電容CX較大時，CX就兼作濾波電容而無需另加C。保護電阻R0的作用是限制試驗中萬一被試品被擊穿時的短路電流以保護試驗變壓器、整流硅堆，以及防止避免被試品絕緣損壞的擴大。微安表是用來測量泄漏電流的，由于此時被試品一端已接地，所以微安表只能串接于被試品的高電位側，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(直流泄漏，直流耐壓)，試驗電壓都是對地負極性的電壓，為此硅堆整流方向不能接錯。

3—5

采用正接線測tgδ時，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，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。由于現場電氣設備絕緣一端(鐵芯和外殼)都是接地的，因此現場試驗時都采用反接線。在現場測量tgδ時可能會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果的影響(倒相法時，根據正相、反相兩次測量結果由

計算求得)，但采用倒相法比較簡便(無需移相設備)，實

際上往往采用算術平均法計算

交變磁場對tgδ測量的影

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

3—6

工頻交流耐壓試驗原理接線圖如書P65圖3—12所示。試驗變壓器T2為升壓變壓器以獲得工頻高壓。調壓器T1調節試驗變壓器初級電壓以使試驗變壓器高壓側電壓達到規程規定的試驗電壓值。保護電阻r起到保護試驗變壓器在被試品萬一被擊穿或閃絡時不受損壞，這種作用不僅由于r的接入而限制了被試品擊穿或閃絡后的短路電流，而且還限制了在此過程中試驗變壓器內部的電磁振蕩從而保護了試驗變壓器繞組的縱絕緣(匝間或層間絕緣)。保護球隙F用來限制試驗過程中可能出現的過電壓，其放電電壓可整定為試驗電壓的1.1～1.15倍。R為球隙的保護電阻，用來限制球隙放電時的電流從而避免球隙表面燒毛。

工頻交流耐壓試驗時所加的試驗電壓應根據不同電壓等級按規程的要求。規程中所規定的試驗電壓值不僅考慮到電氣設備絕緣在實際運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部過電壓，尤其是220KV及以下電壓等級電氣設備，通過工頻交流耐壓試驗間接地考驗了絕緣耐受內外過電壓的能力。

當被試品等值電容量較大時，工頻交流耐壓試驗的試驗電壓不能在低壓側測量后按試驗變壓器的變比換算至高壓側，而應該在高壓側的被試品上直接測量。見書P70圖3—15，若在低壓側加上按試驗電壓折算到低壓側的應加電壓，即加

上電壓K為試驗變壓器的變比。當被試品等值電容量很小，則高壓側電

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

壓。按變比的定義，當低壓側加上的電壓時，U1就等于U試。根據高壓側

回路的等值電路及相量圖(見書P70圖3—16)，可見此時實際作用在被試品上的電壓已大大超過試驗電壓U試，這就是“容升效應”。由于工頻耐壓試驗電壓已大大高于額定工作電壓，所以這種實際試驗作用電壓的“過量”(超過規定的試驗電壓)將導致電氣設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行高壓測量。

3—7

進行直流耐壓試驗主要是出于以下幾個方面的需要：

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

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

3.旋轉電機繞組端部的絕緣試驗。對于繞組端部絕緣的缺陷，采用工頻交流耐壓試驗不易發現而采用直流耐壓試驗易發現。

4.結合直流泄漏試驗同時進行。直流耐壓試驗和直流泄漏試驗都采用直流電壓，只不過電壓的高低不同，所以在進行直流泄漏試驗時，可同時進行直流耐壓試驗，并可根據泄漏電流隨所加電壓變化的不同特點來判斷絕緣的狀況。

直流高壓可用以下幾種方法測量：

1.用球隙測量。直流有脈動時測到的是最大值。

2.用靜電電壓表測量。直流有脈動時測到的是有效值。

3.用高阻值電阻串微安表測量。直流有脈動時測到的是平均值。

4.用高阻值電阻分壓器測量。直流有脈動時測到的是平均值。

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，使氣隙上電壓(即C0上電壓)從UF降至US，氣隙放電的電荷量(真實局部放電量)qs≈(C0+C1)(UF-US)。但qs無法測得，這是因為C0、C1無法測得。由于氣隙F的放電會引起氣隙兩端的電壓的變動(從UF降至US)，而氣隙上電壓(即C0上電壓)的變動又會引起被試品上(即C2上)電壓變動了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計算得到。根據qs、ΔU、q三者的表達式可得到

說明實際測得的視在放電量不等于真實放電量qs。由于C0>>C1，所以視在放電量要比真實放電量小許多。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生的電壓變動信號(表現為電壓脈沖)從測量阻抗上Zm上取出，然后再經過放大電路放大后進行測量，而工頻電壓被隔離(實際上脈沖電流流過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

沖擊電壓發生器是產生雷電沖擊試驗電壓和操作沖擊試驗電壓的裝置。沖擊電壓發生器的利用系數(也稱效率)定義為發生器輸出電壓Um(即被試品上電壓)與發生器充電主電容(多級電壓發生器時為各級主電容串聯后的等值電容)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)

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

為：

1.沖擊主電容上充至U0電壓。對于多級沖擊電壓發生器，這一過程需經點火球隙觸發放電后將各級電容串聯起來而實現。

2.放電球隙點火擊穿后，經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，時間常數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C2上電壓達到最大值后，反過來經R1并與C1一起經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

波阻抗與集中參數阻抗雖都用Z表示，但有以下幾點不同：

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

2.波阻抗為分布參數線路(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R≠0時阻抗消耗能量。

4.波阻抗與線路(或繞組)長度無關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。

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要用分布參數的波阻抗來表征，而討論工頻穩態電壓作用下時則用集中參數電路(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n=3，所以

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

對應的彼德遜等值電路

為

母線上電壓為

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

此結果從能量角度也不難理解。

4—3

根據題意，波阻抗為280Ω的線路Z1與波阻抗為400Ω的電機繞組Z2相聯接，為保護電機繞組匝間絕緣而在聯接點需接多大對地并聯電容C。

已知

4—4

設開關S在t=0時合閘。開關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，此電壓波傳至C點，對應的電流

波也傳至C點，電流波的幅值為U0的電壓波在t=2μs時

傳至B點并發生負的全反射，而此負的反射波電壓(-U0)在t=3μs時傳至C點從而使C點的電壓變為零(U0+(-U0))。負的反射波電壓-U0在t=4μs時到達A點應使A點電壓變為零，但實際上由于電源的恒壓作用，A點仍保持U0的電壓，這就相當于空載線路又一次合閘電源，從而重復前述過程。對于C點的電流

t＜1μs

i=0

1μs＜t＜3μs

3μs＜t＜5μs

t＞5μs之后重復上述過程。所以C點電壓、電流波形如圖所示。

4—5

此題的集中參數等值電路如書P96圖4—12(b)所示。根據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

u1q+u1f=u2q可求出反射波電壓電流

(1)穩定時(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)，而經過并聯電容C后，作用到Z2上電壓的波頭陡度已按指數規律上升，C的電容量越大，波頭陡度越小，有利于Z2為繞組時的縱絕緣(作用電壓陡度越大，匝間、層間電壓越高)。雖然串聯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上出現的最大電壓值是不同的。采用串聯電感時，Z1上出現的最大電壓為

而采用并聯電容時，Z1上出現的最大電壓為

對本題具體數據，采用并聯電容時Z1上電壓最大值為400KV，若采用串聯電感時，Z1上出現的最大電壓可達600

KV。

4—6

地線1對地的平均高度為

導線2對地的平均高度為

(1)地線1的自波阻抗

導線2的自波阻抗

地線1與導線2間的互波阻抗

(2)地線1、導線2雙導線系統的電壓方程為

由于導線2對地絕緣，所以i2=0，則電壓方程變為

根據耦合系數的定義，地線1對導線2的耦合系數為

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)。對于這種分布參數的電路，初始(t=0+時)電壓分布(繞組各點對地電位)與穩態(t→∞時)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從起始電壓分布變為穩態電壓分布的暫態過程，而由于此等值電路中既存在電感又存在電容，電阻又很小，因此這種暫態過程表現為振蕩型的。

沖擊電壓波前部分，電壓對時間的變化率很大，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。當暫態過程結束而達到穩態時，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態電壓分布不均勻的原因。

第五章

5—1

排氣式避雷器由內外兩個放電間隙串聯組成，外間隙暴露在大氣中，而內間隙置于產氣管內，所以排氣式避雷器又稱管式避雷器。產氣管由產氣材料制成，這些材料遇高溫會分解產生氣體。排氣式避雷器一端接地，另一端與被保護設備聯接。當雷電過電壓作用到被保護設備上，也就同時作用在排氣式避雷器上，內外間隙同時擊穿使雷電流經間隙流入大地從而保護了被保護設備。雷電過電壓的作用時間是非常短暫的，當過電壓作用結束后，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為工頻電弧，工頻電弧電流(稱為工頻續流)就是系統在該點的短路電流。在工頻電弧的高溫作用下，產氣管產氣材料分解產生大量氣體使管內壓力驟增而從噴口猛烈噴出，這對工頻電弧形成強烈的縱吹作用，使工頻電弧經1～3個周波后，在工頻續流過零時熄滅。與放電間隙相比，不同點在于排氣式避雷器熄弧能力強，經1～3工頻周期后在電弧電流過零時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作后都形成截波，這對被保護設備是有繞組的設備非常不利(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和發變電站的進線段保護。

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設備上產生截波，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部過電壓(如切合空載線路過電壓)；閥式避雷器動作后工頻電弧的熄滅要依賴于工頻續流的過零，但在直流系統中無這種過零，所以閥式避雷器就不能用于直流系統，氧化鋅避雷器工頻續流的切斷是依靠閥片電阻優良的非線性(在工頻電壓下電阻異常的大)，所以可用于直流系統。

3.運行環境的影響作用。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、污穢等環境條件的影響，而氧化鋅避雷器由于無放電間隙，所以不會受到這些運行環境的影響。

此外，氧化鋅避雷器維護簡單，省去了放電間隙定期清理。氧化鋅避雷器具有上述各種優點，但運行過程中由于沒有放電間隙隔離工頻工作電壓，故應注意閥片電阻的老化問題，所以應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電氣設備絕緣免受過電壓作用的器件。對避雷器的第一個要求是能將過電壓限制到電氣設備絕緣能耐受的數值，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)應低于設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)與被保護設備絕緣的伏秒特性有正確的配合，以免發生電氣設備絕緣先于避雷器間隙放電前發生擊穿。避雷器僅滿足上述要求還是不夠的，對避雷器的第二個要求是應在過電壓作用結束之后，能迅速截斷隨后發生的工頻續流以不致于發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流能在第一次過零時就截斷。第三個要求是避雷器(閥式和氧化鋅)還應具有一定的通流容量以免發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有所不同：

1.閥式避雷器

沖擊放電電壓和殘壓(一般兩者數值相同)是衡量限制過電壓能力的參數，其數值越低對被保護設備絕緣越有利。滅弧電壓是保證避雷器可靠滅弧(即截斷工頻續流)的參數，避雷器安裝點可能出現的最高工頻電壓應小于滅弧電壓。工頻放電電壓是保證閥式避雷不在內過電壓下動作的參數。體現閥式避雷器保護性能與滅弧性能的綜合參數是保護比(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。持續運行電壓和額定電壓是保證氧化鋅避雷器可靠運行所允許的最大工頻持續電壓和最高工頻電壓(非持續性)。1mA直流和工頻參考電壓是反映氧化鋅避雷器熱穩定性及壽命的參數。荷電率(持續運行電壓峰值與參考電壓之比)是表征氧化鋅閥片電阻在運行中承受電壓負荷的指標。

5—4

設針高h小于30m，則高度影響系數P=1，已知被保護物高度hx=10m，以及在hx下的保護范圍

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為23.34

m。

5—5

此題為等高4針聯合保護。第一步將4針分成二個等高3針，第二步在每個等高3針中，計算出在被保護高度hx下在每二等高雙針間的最小保護距離bx，若三個bx都大于等于0，則在此三針所構成三角形內的所有范圍都能得到保護；若有一個bx＜0，則由此等高三針聯合保護范圍僅為bx≥0雙針保護范圍的組合。

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，其保護范圍僅為1

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

高度被保護物體的保護范圍如圖所示(實線所圍

區域，不包括中間的一塊)。

5—6

單個垂直接地體的工頻接地電阻Rg為

單個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象，至今還沒有有效措施能阻止雷電發生。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避雷線防止雷直接擊于線路的輸電導線上，更嚴格地講，架設避雷線后使雷直接擊于導線上的概率(即繞擊率)比無避雷線時大大降低。此外，架設避雷線后，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”使導線上形成過電壓，也有利于降低導線上的感應雷過電壓。

架設避雷線后雖然大大降低了雷電直接擊于導線在導線上形成過電壓的概率，但仍有很大可能出現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(稱為反擊)在導線上形成過電壓，對此可采取降低桿塔接地電阻，架設耦合地線，加強線路絕緣(通過增加絕緣子片數)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生閃絡。

然而，采取以上各種措施后仍不能完全避免絕緣子串不發生閃絡。萬一出現這種情況時，線路防雷的進一步措施是防止絕緣子串由沖擊閃絡轉變為工頻電壓下的閃絡(這種閃絡可建立穩定的工頻電弧而引起線路跳閘)，這可采用消弧線圈接地(在中性點不接地系統中)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引起工頻閃絡導致線路跳閘，對此可裝設線路自動重合閘裝置來提高供電可靠性，而且實踐證明，對由雷電引起線路跳閘的重合成功率是很高的。

6—2

35KV及以下電壓等級輸電系統一般都為中性點不接地系統，當發生由雷電引起的沖擊閃絡后，隨后出現的工頻閃絡電流很小，不能形成穩定的工頻電弧，因此不會引起線路跳閘，所以當一相由于雷擊而引起閃絡后仍能正常工作。這樣雖不裝設避雷線，雷擊引起的閃絡概率增大，但這種閃絡并不會導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避雷線。對于無避雷線的線路，一相閃絡后再出現第二相閃絡，形成相間短路，出現大的短路電流，才可能引起線路跳閘，只有當雷電流很大時才會出現這種情況。

6—3

(1)避雷線對地平均高度hb與導線對地平均高度hd為

(2)避雷線對外側導線的幾何耦合系數K0

考慮電暈影響，查表4—1得電暈修正系數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β=0.88

(4)雷擊桿塔時的耐雷水平I1

(5)雷繞擊于導線時的耐雷水平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

計算

建弧率

繞擊率

(8)線路雷擊跳閘率

6—4

此題為中性點不接地35KV系統，無避雷線。雷擊線路只有兩種情況，即直擊導線或雷擊桿塔，但兩者都造成一相(最高的一相)的絕緣子串閃絡(設計已保證導線間不會發生空間閃絡)，而一相閃絡(閃絡后一相接地)后線路不會跳閘，而要等到一相閃絡后第二相再閃絡（即前閃絡相向后閃絡相反擊)，出現相間短路形成穩定的工頻電弧后才會發生跳閘，所以耐雷水平和雷擊跳閘率都根據這種情況來計算，并且可以借用有避雷線線路的計算公式進行適當修正后直接計算，因為一相先閃絡后，該相已接地，這與有避雷線線路的情況相類似。

耐雷水平的計算公式為

與書P141上(6—11)式相比，相當于β=1(無避雷線所以無分流)，式中hb取先閃絡相導線的平均高度，hd為后閃絡相導線的平均高度，K0為先后閃絡兩相導線間的幾何耦合系數，K為考慮電暈影響后的耦合系數。對于本題先閃絡相為最高相，后閃絡相為右側相，因與最高相之間的距離較大，耦合系數較小，該相絕緣子上電壓較高而易閃絡。對于本題hb=h1≈hg，hd=h2

最高相導線的平均高度

右側相導線的平均高度

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對象進行有效的保護，首先應使被保護對象處于避雷針或避雷線的保護范圍之內，其次還應防止避雷針或避雷線受到雷擊后發生對被保護對象的閃絡(即反擊)。因為即使被保護對象處于保護范圍之內，但若出現反擊，高電位就會加到被保護對象(如電氣設備)上，所以防止反擊與保護范圍同樣重要。為防止反擊，應使避雷針(線)與被保護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值。當獨立式避雷針的工頻接地電阻不大于10Ω時，上述兩種距離不應小于5米和3米。為防止反擊，35KV及以下變電所不能采用構架式避雷針；易燃、易爆設備(如儲油罐)也不能采用構架式避雷針。對于110KV及以上電壓等級中的構架式避雷針應使避雷針構架的地下接地體與系統接地體之間的距離保持在15米以上。另外，主變壓器的構架也一般不裝避雷針。

7—2

變電站中有許多電氣設備，所以不可能也沒有必要在每個電氣設備旁都安裝一組(三相)避雷器加以保護。這樣，避雷器與被保護設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，當閥式避雷器動作時，由于波在避雷器至被保護電氣設備之間電氣距離內的折射與反射，會使得作用于被保護電氣設備上的電壓高于避雷器端點上的電壓，也就是說，使電氣設備絕緣上的最大電壓高于閥式避雷器的最大殘壓(220KV及以下電壓等級為流過5KA沖擊電流時的殘壓，500KV電壓等級為流過10KA沖擊電流時的殘壓)。電氣距離越長、侵入波波頭陡度越陡，電壓高出越多。

7—3

避雷器與被保護電氣設備的絕緣配合中，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及以下系統中，流過避雷器的最大沖擊電流為5KA(保護旋轉電機的閥式避雷器為3KA)。若在實際運行過程中出現流過避雷器的沖擊電流超過此規定值，則由于避雷器最大殘壓的升高而危及被保護電氣設備絕緣。要使流過避雷器的沖擊電流不超過規定的5KA(500KV為10KA)，具體措施就是采用進線段保護。由于進線段(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，所以可以認為雷電侵入波主要來自于1-2Km進線段之外的線路上落雷所造成。這樣，雷電侵入波通過進線段再作用到避雷器上，在此過程中由于進線段波阻抗的串入，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，雷電侵入波在進線段傳播時由于出現沖擊電暈，從而同時又降低了進入變電站雷電侵入波的波頭陡度，有利于對電氣設備的保護。

7—4

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

7—5

變電站進線段保護標準接線中，對1～2公里這段線路采取加強防雷措施(如減小保護角)，使其具有較高的耐雷水平。保護進線段的作用是限制避雷器動作時流過的沖擊電流不超過允許值以及降低進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可能處于開路狀態而線路另一側又帶電(如雙端電源線路)時，應在進線段末端對地裝設排氣式避雷器(或閥式避雷器)，目的在于防止線路上有雷電波侵入時，由于斷路器打開而在線路末端發生全反射引起沖擊閃絡，再導致工頻對地短路，造成斷路器或隔離開關絕緣部件燒毀。要注意的是，斷路器和隔離開關合閘時，該排氣式避雷器不應在雷電侵入波作用下動作，以免產生截波危及有繞組電氣設備的縱絕緣。

7—6

直配電機是指不經變壓器而直接與架空線相連接的旋轉電機(發電機或高壓電動機)。直配電機防雷保護的主要措施(參見書P164圖7—18)為：

1.在電機母線上裝設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)。電容器的作用是降低雷電侵入波的陡度以保護電機縱絕緣，同時還起到降低架空線上的感應雷過電壓(此過電壓也作用到電機上)。

3.在直配電機進線處加裝電纜段和排氣式避雷器(或閥式避雷器線)、電抗器，聯合保護以限制避雷器動作電流小于規定值(3KA)。

4.發電機中性點有引出線且未直接接地(發電機常這樣)時，應在中性點上加裝避雷器保護中性點的絕緣，或者加大母線并聯電容以進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動作)及耦合作用。當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生負反射不能可靠動作而前移70m，即FE1)動作時，電纜芯線與外皮短接，相當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。由于流過電纜外皮絕緣所產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)，在芯線上感應出接近等量的反電勢從而阻止芯線中電流流向電機，使絕大部分電流如同高頻集膚效應那樣從電纜外皮流，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作電流。電纜芯中的反電勢是建立在電纜外皮與電纜芯導線的耦合作用基礎之上，為了加強這種耦合作用(以加強反電勢)，常采取將70m段的接地引線平行架設在導線下方，并與電纜首端的金屬外皮在裝設FE2桿塔處連接在一起后接地，工頻接地電阻不應大于5Ω。在電纜首端保留FE2以便在強雷時動作(即一般情況下不動作)以進一步限制避雷器動作電流(在強雷時也不超過3KA)。

7—7

變電站的防雷保護可分為直擊雷的保護和雷電侵入波的保護兩個方面。本題涉及對雷電侵入波的保護，具體措施就是裝設避雷器，要確定避雷器裝設在什么位置以及選擇何種參數的避雷器。防雷保護方案如下：

1.母線上裝設避雷器。220KV、110KV雙母線的每條母線以及10KV母線對地分別裝設一組(三相)避雷器。如選用閥式避雷器則為FZ—220，FZ—110，FZ—10。根據避雷器至變壓器及其它電氣設備最大允許電氣距離校驗避雷器安裝位置是否妥當。由于避雷器電氣參數不同時，最大允許電氣距離也不同，以下以選用閥式避雷器為例計算最大允許電氣距離。

220KV

保護進線段長度為2Km，根據表7—5得

α′=1.2KV/m。查表7—3得Uc.5=664KV，Uj=949KV。根據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

保護進線段長度為1Km或2Km，根據表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中性點裝設避雷器。T2為Y0/Δ聯接，而T1為Y/Δ聯接，故T1中性點對地應裝設一只避雷器。如選用閥式避雷器則選FZ—35。

3.自耦式主變T2裝設避雷器。由于運行方式可能出現中壓側開路和高壓側開路的運行方式，因此相應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作用，為此應在中壓繞組(110KV)和高壓繞組(220KV)出口處(繞組出口斷路器的繞組側)分別裝設一組避雷器。若選用閥式避雷器則分別為FZ—110和FZ—220。

4.110、220線路的進線段保護

進線段的長度：220KV為2Km，110KV根據最大允許電氣距離校核結果而定。

進線段的耐雷水平：110KV為75KA，220KV為120KA

進線段避雷線的保護角：＜20°

進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，因運行方式(四路/兩路，三路/一路)已表明雷季可能出現線路末端可能處于開路狀態。

第八章

8—1

暫時過電壓與操作過電壓產生的根本性原因是完全不同的，前者由于參數特定的配合引起，因此只要這種參數配合不發生改變，過電壓就可能持續。后者為電網中發生振蕩型的暫態過程引起，一旦暫態過程結束，過電壓也就消失。

8—2

工頻過電壓也稱工頻電壓升高，因為此類過電壓表現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、不對稱短路和突然甩負荷。

空載線路可看作由分布的L、C回路構成，在工頻電壓作用下，線路的總容抗一般遠大于導線的感抗，因此由于電容效應使線路各點電壓均高于線路首端電壓，而且愈往線路末端，電壓愈高。系統發生不對稱短路時，短路電流的零序分量會使健全相電壓升高，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重。由于某種原因線路突然甩負荷，作為電源的發電機，根據磁鏈守恒原理，通過激磁繞組的磁通來不及變化，與其相應的電源電勢Ed′維持原來數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引起工頻電壓升高的因素主要有3個。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

進行計算。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電抗器有關。線路接入并聯電抗器后，通過補償空載線路的電容性電流削弱電容效應從而達到降低工頻電壓升高的目的。

第九章

9—1

操作過電壓

產

生

原

因

影

響

因

素

電弧接地過電壓

中性點不接地系統中由于出現間歇性電弧接地引起振蕩型暫態過程

1.接地電容電流大小(如中性點接消弧線圈后可減小)

2.系統相關參數(相間電容和損耗)

3.電弧熄滅和重燃時的相位(此因素具有隨機性而不可控)

空載線路分閘過電壓

分閘后斷路器觸頭間由于出現電弧重燃引起振蕩型暫態過程

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.中性點接地方式。中性點非有效接地系統中由于中性點電位的位移而使在相同情況下的過電壓數值增大。

空載線路合閘過電壓

合閘前后電路狀態改變引起振蕩型暫態過程

1.合閘前后電路狀態的差異。這與合閘時的相位以及是計劃性合閘還是重合閘有關。

2.線路殘余電壓大小。這主要影響重合閘過電壓大小。

3.系統參數、結構、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“截斷”引起磁場能量向電場能量的轉變

1.斷路器的滅弧性能

2.變壓器的參數

9—2

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

9—3

空載線路分閘過電壓是由于斷路器分閘后觸頭間發生電弧重燃而引起的，所以斷路器滅弧性能好，重燃次數少或基本不重燃，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發生空載電流的突然“截斷”(從某一數值突然降至零)，所以斷路器滅弧性能好，空載電流“截斷”值大，截斷電流對應的磁場能量大，截流后轉變成電場能量也大，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，所以稱為并聯電阻(如書P185上圖9—7所示)?？蛰d線路分閘時，主觸頭S1先分，此時線路仍未從電源切除，S1分閘也會引起振蕩的暫態過程，由于S1斷口間恢復電壓僅為并聯電阻的電壓降，這要小于電源電壓，所以S1分閘后不易發生電弧重燃。S1分閘后經1.5～2個工頻周期，輔助觸頭S2分閘，線路真正從電源切除，S2分閘后觸頭間恢復電壓也要小于電源電壓所以也不容易發生電弧的重燃，這樣空載線路分閘過程中都不易發生電弧重燃，當然分閘過電壓也降低?？蛰d線路合閘時，輔助觸頭S2先合閘，線路變成串以并聯電阻后的合閘，由于電阻的阻尼作用，S2合閘過程中的過電壓降低。經1.5～2個工頻周期，主觸頭S1閉合，線路真正合閘電源，S1閉合僅將R短接掉，此過程中狀態的改變要小于直接合閘電源時的狀態改變，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時間短，能量小，故可采用閥式避雷器(當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)，因為這種操作非常頻繁，若采用避雷器限制過電壓，會使避雷器動作過于頻繁。另外即使作為輔助限制措施，也應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。當然，為保護中性點絕緣和消弧線圈，中性點對地可接避雷器。

第十章

10—1

鐵磁諧振過電壓是在鐵磁諧振過程中出現的。要發生鐵磁諧振須滿足兩個條件：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，且正常運行時感抗應大于容抗。二是須由外界因素(如電源電勢的擾動)強烈的激發，使諧振回路穩定于諧振工作點。鐵磁諧振與線性諧振相比較，具有不同的諧振條件與特點：

1.線性諧振條件是無需激發；而鐵磁諧振條件

(L0為正常非飽和時的電感)以及外界一定程度的激發，二個條件缺一不可。

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

3.線性諧振時，回路有固定的自振頻率而鐵磁諧振時回路無固

定的自振頻率，可發生基波與各種頻率諧波的諧振。

10—2

在中性點不接地系統中常出現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。正常運行時，電磁式電壓互感器各相感抗大于線路容抗，導致并聯后呈容性。當系統中出現某些擾動，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感性，若參數配合不當恰好使總導納接近于零，就發生串聯諧振。由于諧振使中性點位移電壓(正常時為零)急劇上升。而中性點電位升高后，三相導線的對地電位等于各相電源電勢與中性點位移電壓的相量和。若發生基波諧振，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某些相從容性變為感性，以消除與呈容性相構成諧振的可能性；也可在電壓互感器開口三角形繞組中短時接入阻尼電阻或在電壓互感器一次繞組中性點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。斷線過電壓一般發生于線路末端接有中性點不接地的空載或輕載變壓器。斷線后，系統處于非全相運行，在上述情況下會形成如書P196上圖10—6所示的簡化等值串聯諧振電路。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磁電感的1.5倍，而電路中的E和C則根據斷線的位置，一相斷線還是二相斷線以及電源中性點接地與否而不同，詳見書P197上表10—1。要

產生斷線過電壓需滿足這一條件，且須在外界因素激發下才有可

能發生鐵磁諧振，產生斷線過電壓。為限制和消除這種過電壓，措施之一是避免出現非全相運行，如加強巡視和檢修預防線路發生斷線或保證斷路器三相同期動作以避免發生一相或二相拒動，以及不采用熔斷器等。措施之二是在中性點接地系統中操作中性點不接地的變壓器時，將變壓器中性點臨時接地。

第十一章

11—1

絕緣配合就是要協調配合好電力系統中的過電壓、限壓措施與電氣設備絕緣水平三者之間的關系，使之在經濟上、技術上、運行上都能接受。電氣設備的絕緣水平是設備絕緣應能耐受(不發生閃絡、擊穿或其它損壞)的電壓，也即耐壓試驗時的試驗電壓。電氣設備對于工頻交流、雷電沖擊和操作沖擊電壓的絕緣水平或耐壓試驗電壓是不同的。

11—2

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

11—3

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