高电压作业
65090414 杨彪
绪论、第一章
1.为什么长间隙击穿的平均场强远小于短间隙的平均击穿场强？
答：短间隙击穿只存在电子崩和流注形式。而长间隙击穿则存在新的放电形式——先到放电。长间隙在击穿过程中形成了先导通道，其形成过程为正流注通道mk中的点子被阳极吸引，当电子浓度足够高时，即有足够的电流时，流注通道中就开始热电离。热电离引起了通道中带电质点浓度的进一步增大，即引起了电导的增加和电流的继续加大。于是，流注通道变成了有高电导的等离子通道——先导mk。这时在先导通道mk的头部又产生了新的流注nm，于是先到不断向前推进。先导具有高电导，相当于从电极伸出的导电棒，它保证在其端部有高的场强，因此就容易形成新的流注。因而由于先导的存在，长间隙击穿比短间隙击穿更易发生，因此长间隙击穿的平均场强远小于短间隙的平均击穿场强。
2. 简述汤逊理论和流注理论的异同点，并说明各自的适用范围。 答：汤逊理论和流注理论都是解释均匀电场的气体放电理论。
前者适用于均匀电场、低气压、短间隙的条件下；后者适用于均匀电场、高
气压、长间隙的条件下。 不同点：
（1）放电外形 流注放电是具有通道形式的。根据汤逊理论，气体放电应在
整个间隙中均匀连续地发展。
（2）放电时间 根据流注理论，二次电子崩的起始电子由光电离形成，而光子的速度远比电子的大，二次电子崩又是在加强了的电场中，所以流注发展更迅速，击穿时间比由汤逊理论推算的小得多。
（3）阴极材料的影响 根据流注理论，大气条件下气体放电的发展不是依靠正离子使阴极表面电离形成的二次电子维持的，而是靠空间光电离产生电子维持的，故阴极材料对气体击穿电压没有影响。根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响。
第二章
3.为什么高压力和高真空都能提高间隙的击穿电压？
答：高压力可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程，从而提高击穿电压。当间隙距离不变时，击穿电压随压力的提高而很快的增加；但当压力增加到一定程度后，击穿电压增加的幅度逐渐减小。在高气压下，电场的均匀程度对击穿电压的影响比大气压下要显著的多。
高真空使得电子的自由行程变得很大，但间隙已无气体分子可供碰撞，因此电离过程无从发展，从可可以显著提高间隙击穿电压。
4.一些卤族元素化合物（如SF6）具有高电气强度的原因是什么？ 答：（1）由于含有卤族元素，这些气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，从而削弱了电子的碰撞电离能力，同时又加强了复合过程。 （2）这些气体的分子量都比较大，分子直径较大使得电子在其中的自由行程缩短，不宜积聚能量，从而减少了碰撞电离的能力。
（3）电子在和这些气体的分子相遇时，还易引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱碰撞电离能力。
第三章
5.某距离6 m的棒-板间隙。在夏季某日干球温度t干 = 35 C°，湿球温度t湿 = 28 C°，气压b=98 kPa的大气压下，问其正极性50%操作冲击电压U50夏为多少kV?
解：从图2-24查曲线4可知，距离为6 m 的棒-板间隙，其标准参考大气条件下的正极性50%操作冲击电压U50标准=1500kV。
在根据条件，求得空气相对密度δ=b(273+t0)/(b0(273+t))=0.92,从图3-2可查得空气绝对湿度h=24g/m。从而h/δ=26,再由图3-1求得参数K=1.14。由式g=Ub/(500LδK)=1500/(5003630.9231.14)=0.48，则由图3-3得指数m=W=0.2.
空气湿度校正因数K1=δ=0.92湿度校正因数K2=K=1.14
W
0.2m
0.2
3
=0.9835
=1.027
所以在这种大气条件下，距离为6 m 的棒-板间隙的正极性50%操作冲击电压为 U50夏=U50标准2K12K2=150030.983531.027=1515kV
6.简述绝缘子的污闪过程。
答：这是一种需要一定时间和一定电能聚集下的一种热击穿过程。污闪的三要素有：污源、雾与雨、工频电压。污闪的机理过程有是个阶段：绝缘子表面积污、绝缘子表面污层受潮、局部放电使表面干层形成、电弧形成，导致沿面闪落。 绝缘子污闪的具体过程如下：绝缘子表面受潮后，污层湿润后变为干层。在运行电压作用下，表面产生泄漏电流，产生焦耳热。在电流密度大、污层电阻高的局部区域烘干污层，称为干带。干带中断了泄漏电流，是作用电压集中形成高场强，而引起干带上空气击穿和泄漏电流的脉冲。干带上出现的放电与未烘干的污层电阻串联，但串联电阻较低而泄漏电流脉冲较高时，放电将转为电弧，其燃烧和持续发展将导致绝缘子两极间的闪络。
第四章
7.讨论tanδ在生产生活中的影响及应用。 答：（1）选择绝缘材料。tanδ过大会引起绝缘介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为tanδ大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流电压下。
（2）在预防性试验中判断绝缘情况。如果绝缘材料受潮或劣化，tanδ急剧上升，在预防性试验中可通过tanδ与U的关系曲线来判断是否发生局部放电。
（3）当tanδ大的材料需加热时，可对材料加交流（工频或高频）电压，利用材料本身介质损耗的发热，这种方法使加热非常均匀，例如电磁生产中对泥坯加热即用这种方法。
8. 为什么油纸组合绝缘的耐电强度比纸和油单一介质时的耐电强度都高？ 答：油纸绝缘的优点主要是优良的电气性能，干纸的耐电强度仅为10kV/mm~13kV/mm，二者组合以后，由于油填充了纸中薄弱点的空气隙，纸在油中又起了屏障作用，从而使总体耐电强度提高很多，油纸绝缘工频短时耐电强度可达50kV/mm~120kV/mm。
第五章
9.请推导出电流比较式电桥测量tanδ的结果。 答：由图5-13可得
I1=1/[Rx+(1/jωCx)]= jωCx/(1+jωCxRx) I2=I0/(1+jωCR)=jωC0/[1+jω(C0+C)R]
由线圈1与线圈2产生的磁动势相平衡时，即N1I1= N2I2可写出 jωCx[1+jω(C0+C)R]N1=(1+ jωCxRx)jωC0N2 整理上式得
jωCxN1-ωCx(C0+C)RN1= jωC0N2-ωCxRx C0N2
则tanδ=ω(C0+C)R
2
2
10.有哪几种绝缘预防性实验方法，各具有什么特点？ 答：（1）测量绝缘电阻及泄漏电流。贯穿性的受潮、脏污和导电通道。 （2）测量吸收比。大面积受潮、贯穿性的集中缺陷。 （3）测量tanδ。绝缘普遍受潮和劣化。
（4）测量局部放电。有气体放电的局部缺陷。
（5）油的气相色谱分析。持续性的局部过热和局部放电。
（6）交流或直流耐压试验。使抗电强度下降到一定程度的主绝缘局部缺陷。 （7）操作波或倍频感应耐压试验（限于变压器类设备）。使抗电程度下降到一定程度的主绝缘或纵绝缘的局部缺陷。
第六章
11.需对一台66kV/10kV/10000kVA的电力变压器进行高压绕组对低压绕组和铁心、铁外壳进行工频耐压实验。已知高压绕组对低压绕组及地的电容量为6200pF，试验电压为140kV。请选择一台合适的高压试验变压器的额定电压及容量。
答：试验变压器高压绕组流过的电流为
Is=2πfCU310A=314362003140310A=0.273A 试验容量是 Ps=0.273A3140kV=38.22kVA
据表6-1试验变压器的额定电压选150kV，则额定容量应大于150kV30.273A=40.95kVA。所以应选择150kV/50kVA的试验变压器。
12. 串级倍压直流高压装置的串级数受到什么因素的制约？
答：电路的δU随级数n的平方倍关系上升，ΔU随n的立方倍关系上升。当级n超过一定值时，在增加n也无助于输出电压的增加而元件数量和整个结构高度会随n而正比上升。
第七章
13.高压充气标准电容器有什么功用？ 答：（1）作为电容分压器的高压臂，用来测量交流电压的峰值、有效值或测量其波形。近来也已发展它来测量冲击电压。 （2）用它作为高压西林电桥上的标准电容，高压西林电桥是用来测量电容器、电缆、套管……等的介质损失角正切值或电容量的。
（3）作为耦合电容器与无线电干扰测量仪器相配合，用于检测变压器、套管等的局部放电以及高频干扰电压。
（4）作为微分积分测压系统的元件，可用来测量雷电冲击电压。
14.球隙法测量高电压的优缺点。
答：优点：(1) 可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接测量超高电压的唯一设备
(2) 结构简单，容易自制或购买，不易损坏
(3) 有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可达±3%以内。 缺点：
(1) 测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。
(2) 气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据的平均值，为防止游离气体的影响，每次放电间隔不得小于一分钟，且在击穿电压后25%电压的升压过程中的升压速度每秒钟不得超过击穿电压的2%，测量较费时间。
(3) 实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击电压要用50%放电电压法，手续都较麻烦。 (4) 要校订大气条件。
(5) 被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3米的铜球，不仅本身越来越笨重，而且影响建筑尺寸。从发展的角度来看，测量球隙的前途将成问题。
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(6) 一般来说测量球隙不宜使用于室外，实践证明，由于强气流以及灰尘、砂土、纤维和高湿度的影响，球隙在室外使用时常会产生异常放电。
第八章
15.串级变压器的优缺点。
答：优点: (1)单个变压器的电压不必太高,因此绝缘结构制作方便,绝缘的价格较便宜,每台变压器的重量不会过重,运输及安装方便。
(2)可以改接线，供三相试验。
(3)如果需要低的试验电压时，可以只使用其中的一二台变压器，使电源发电机的激磁不致过小工作较易。
(4)每台变压器可以分单独使用，这样工作地点可以有所增加。
(5)坏了一台变压器时，其余的几台仍可以继续使用，损失相对可减小。 缺点：（1）整个装置的利用率低。
（2）当级数增多时，总的电抗增加甚剧。一般认为不应超过四级。
（3）发生过电压时，各级瞬态电压分布不均匀，可能发生套管闪络及激磁绕组中的绝缘故障。
16.一台冲击电压发生器的主放电回路总电感L为100μH，设发生器串联放电时的冲击电容值C1甚大于试品和其他负荷电容的总值C2。请应用放电回路处于临界阻尼条件下的波前时间的简化计算式，计算出产生标准雷电冲击波的最大允许C2值。
解：由Tf=2.33RC1C2/(C1+C2)，得R=Tf(C1+C2)/ 2.33C1C2
又R≥2√{L/[ C1C2/(C1+C2)]}
可得Tf(C1+C2)/ 2.33C1C2≥2√{L/[ C1C2/(C1+C2)]} 整理得C2≤Tf/21.72L= Tf/2172
第九章
17. 请总结在交流、直流、雷电冲击和操作冲击高电压下各采用什么类型的分压器。
答：交流高电压：电阻分压器、电容分压器（分布式、集中式）
直流高电压：电阻分压器
雷电、操作冲击高电压：电阻分压器、电容分压器、阻尼式电容分压器、微分积分测量系统
18. 用微分积分（D/I）系统测量冲击高电压具有哪些优点？
答：D/I系统的分压方式，分压比K较大，在采用通用数字存储示波器或记录仪作波形记录时，常有可能省去二次分压的环节。D/I系统所用的电缆通过低阻直接接地构成匹配，有利于降低电缆外屏蔽层因流过杂散电流所致的干扰影响。由
2
2
于D/I系统大多采用低电容的Cd，比如在测量GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）中的快速操作过电压波（即VFT）时，有人只用一块圆形环接受极板套在母线上形成Cd，低电容值Cd有利于提高高频段的频率响应，且对被测源几乎无负载影响。
第十章
19.设计一个电路，用来减小侵入的直角波
u1f=E=1200kV的陡度，使其陡度限
定在6kV/μs。其中波阻抗为500Ω，频率为200Hz。
解：最大电压陡度(duA(t)/ dt)=2E/Z1C=6kV/μs=6000 kV/s
则C=E/3000Z1=1200/(30003500)=0.0008F=800μF
2E/p=231200/(j3200)=12/j kV Z1=500Ω Z2选择300Ω
则电路图为
20.有一波阻抗为400Ω的10kV发电机直接与架空线相连，今有一幅值为80kV的直角波沿波阻抗为280Ω的线路进入发电机。为保证电机入口处的冲击电压上升陡度不超过5 kV/μs，求需要并联的电容器的电容值。 解：线路总的波阻抗Z=Z1+Z2=400Ω+280Ω=680Ω 线路最大电压E=E1+E2=10kV+80kV=90kV
最大电压陡度(duA(t)/ dt)=2E/ZC=5kV/μs=5000 kV/s 则并联的电容器的电容值为
C=E/2500Z=90/(25003680)=0.0000539F=52.9μF
第十一章
21.某油罐直径为10m ，高10米，现采用单根避雷针进行保护，避雷针距离油罐壁为5m，请问避雷针的高度应是多少？
解：根据题意可知：hx=10m, rx=10+5=15 m , 求h=?
当hx≥
1h 时，有 2rx=（h- hx）p 15=(h-10)31
解得： h=25m
11因为h=25m时不满足hx≥h，所以应按hx＜h算
22rx=(1.5h-2hx)p 15=(1.5h-2hx) 31
解得：h=23.3m
所以避雷针的高度至少应是23.3m.。
22.简述避雷针的保护原理和单根保护范围的计算。
答：避雷针的保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间，以影响雷闪先导放电的发展方向，使雷闪对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。避雷针的保护范围使指被保护物体再此空间范围内不致遭受直接雷击。对于单根避雷针的保护范围，有计算公式：
rx?(h?hx)p?hap,hx?h/2??r?(1.5h?2h)p,h?h/2x?式中，h,hx,ha,rx,p的单位均为m。 xp是避雷
30m?h?120m时，p?5.5/h；h?120m针的高度影响系数，h?30m时，p＝1；
时按照120m计算。
第十二章
23. 操作过电压有哪几类？
答：（1）线路合闸和重合闸
（2）空载变压器和并联电抗器分闸 （3）线路非对称故障分闸和振荡解列 （4）空载线路分闸
24. 限制操作过电压的措施有什么？ 答：选用灭弧能力强的高压开关；
提高开关动作的同期性； 开关断口加装并联电阻；
采用性能良好的避雷器，如氧化锌避雷器； 使电网的中性点直接接地运行。