高电压技术习题答案

第一章 气体放电的基本物理过程

（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？

答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。

（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？

答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原

子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。 （3）为什么SF6气体的电气强度高？

答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。

1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？

答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。它只适用于低气压、短气隙的情况。 气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。

在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。

1-3 在一极间距离为1cm的均匀电场气隙中，电子碰撞电离系数α=11cm-1。今有一初始电子从阴极表面出发，求到达阳极的电子崩中的电子数。 答：eαd=e11=59874。

1-5 试近似估算标准大气条件下半径分别为1cm和1mm的光滑导线的电晕起始场强。P15

0.30.3皮克公式

Ecm?1?30m?(1?)?30*1*(1?)?39kV/cm r?1 0.30.3Ecm?0.1?30m?(1?)?30*1*(1?)?58.5kV/cm r?0.1 m?导线表面粗糙系数,光滑导线m?1 ??空气相对密度

r?导线半径,cm1-6 气体介质在冲击电压下的击穿有何特点？其冲击电气强度通常用哪些方式表示？ 答：在持续电压（直流、工频交流）作用下，气体间隙在某一确定的电压下发生击穿。而在冲击电压作用下，气体间隙的击穿就没有这种某一个确定的击穿电压，间隙的击穿不仅与电压值有关，还与击穿过程的时间（放电时间）有关。这就是说，气体间隙的冲击击穿特性要

用两个参数（击穿电压值和放电时间）来表征，而气体间隙在持续电压作用下击穿特性只要用击穿电压值一个参数来表征。其冲击电气强度通常用50%冲击击穿电压和伏秒特性两种方式表征。

1-10 简述绝缘污闪的发展机理和防止对策。 答：户外绝缘子在污秽状态下发生的沿面闪络称为绝缘子的污闪。绝缘子的污闪是一个受到电、热、化学、气候等多方面因素影响的复杂过程，通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。防止绝缘子发生污闪的措施主要有： （1）调整爬距（增大泄露距离）；（2）定期或不定期的清扫；（3）涂料；（4）半导体釉绝缘子；（5）新型合成绝缘子

1-11 试运用所学的气体放电理论，解释下列物理现象：

（1）大气湿度增大时，空气间隙的击穿电压增高，而绝缘子表面闪络电压下降； 答：大气湿度增大时，大气中含有的水汽分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高。而大气湿度增大时，绝缘子表面容易形成水膜，如果绝缘子表面有积污的话，积污层容易受潮，增大泄露电流，容易造成湿闪或者污闪，绝缘子表面闪络电压下降。 （2）压缩气体的电气强度远较常压下的气体高。

答：气压很大时，电子自由行程变小，得到动能减小，所以击穿电压升高。 （3）沿面闪络电压显著地低于纯气隙的击穿电压。

答:沿面闪络是指沿面放电已贯通两电极。电极放入固体介质后的沿面闪络电压要比相同电极空气间隙的击穿电压低，这是因为沿固体介质表面的电场与空气间隙间电场相比已经发生了畸变，这种畸变使固体介质表面的电场更为不均匀。而造成沿面电场畸变的原因主要有： 1.固体介质与电极表面接触不良，存在小缝隙。2.固体介质表面由于潮气形成很薄的水膜，水膜中正负离子积聚在沿面靠电极的两端。3. 固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平造成沿面电场畸变。

第二章 气体介质的电气强度

2-1 试用经验公式估算极间距离d=2cm的均匀电场气隙在标准大气条件下的平均击穿场强Eb。P32

Eb?24.55??6.66?d?29.259kV/cm

2-3 在线路设计时已确定某线路的相邻导线间气隙应能耐受峰值为±1800kV的雷电冲击电压，试利用经验公式近似估算线间距离至少应为若干？P36 近似用棒棒气隙去近似： 正极性雷电冲击： U50%?75?5.6d?d?(1800?75)/5.6?308cm负极性雷电冲击： U50%?110?6d?d?(1800?110)/6?282cm取两者大值308cm。

2-4 在p=755mmHg，t=33℃的条件下测得一气隙的击穿电压峰值为108kV，试近似求取该气隙在标准大气条件下的击穿电压值。P38 p 101 .3 1 由

??2.9?2.9*755?0.954于δ处于0.95-1.05的范围内， T760306

U??U0U0?U?108?113.2kV ?0.954

2-5 某110kV电气设备的外绝缘应有的工频耐压水平（有效值）为260kV，如该设备将安装到海拔3000m的地方运行，问出厂时（工厂位于平原地区）的试验电压应增大到多少？ P39

11

U?KaUp?1.1?H?10?4Up?1.1?3000?10?4260?325kV

2-6 为避免额定电压有效值为1000kV的试验变压器的高压引出端发生电晕放电，在套管上

部安装一球形屏蔽极。设空气的电气强度E0=30kV/cm，试决定该球极应有的直径。P40 U =94.28cm

2?1000g?max D?2R?2?2Ec30

2-7 为什么SF6气体具有特别高的电气强度并成为除空气外应用得最广泛的气体介质？试述GIS有哪些重要优点？

答：SF6气体具有特别高的电气强度主要是因为这些气体都具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，电子变成负离子后，其引起碰撞电离的能力就变得很弱，因而削弱了放电发展过程。SF6气体的电气强度约为空气的2.5倍，而其灭弧能力高达空气的100倍以上，所以它成为除空气外应用得最广泛的气体介质。

GIS有哪些重要优点：1）大大节省占地面积和空间体积。2）运行安全可靠。3）有利于环保，使运行人员不受电场和磁场的影响。4）安装工作量小、检修周期长。

第三章 液体和固体介质的电气特性

(1) Q1 Q2(2) Q1 Q2U1t?0?C1t?0?C1UC2?7?10?5CC1?C2UC1?7?10?5CC1?C2

t?0?C2U2t?0?C2?C1?C2U1t???C1t???C2U2t??UR1?6.72?10?5CR1?R2UR2?7.2?10?5CR1?R2t?? Ig?U?1.14?10?5AR1?R2

(1) P?U2?Cptg??10.29W Q?(2) R?1?1?108?wCptg?P?1029Vartg?

(3)P?U2?Cstg?cos2??10.29W Cs?3200pFr?tg??9.95?103?wCs

??Er1Er1Er1?4???r2??2 ???r1Er22Er2Er2 无屏障时：U0?Er1?30mm?300kV??3mm屏障时：U1?Er1?27mm?Er2?3mm?300kV??10mm屏障时：U2?Er1?20mm?Er2?10mm?300kV?所以Er1?100kV/cm,Er1?105.26kV/cm,提高了0.05倍?Er1?120kV/cm,提高了0.2倍

Eav?? ?70.6kV/cmR-r1.80

EU (1)E1max??90.16kV/cm ?1?av?0.781r1RE1max r0?1[ln2?ln]?1r0?2r2

EU

(2)E2max??75.69kV/cm ?2?av?0.9331r1RE2max

r2?2[ln2?ln]?1r0?2r2

4-1 测量绝缘电阻能发现哪些绝缘缺陷？试比较它与测量泄露电流试验项目的异同？ 答：通过测量绝缘电阻和吸收比可以判断试品是否受潮或贯穿性缺陷。

测量泄露电流本质上也是测量绝缘电阻，其原理是一样的。不同点：1、测量泄露电流所用的直流电压较高（10kV），故发现一些还未完全贯通的集中性缺陷比兆欧表有效。 2、施加在试品上的直流电压逐渐增大，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。 4-4 根据绝缘预防性试验的结果来判断电气设备绝缘状态时，除了要重视每一项试验结果外，为什么还要进行综合分析判断？当其中个别试验项目不合格，达不到规程的有关要求时，应如何处理？

答：P89……有个别试验项目不合格，达不到规程的要求，可以用“三比较”的方法处理： ⑴与同类型设备比较，若试验结果差别悬殊可能存在问题。

⑵在同一设备的三相试验结果之间进行比较，若有一相结果相差达50%以上时，该相可能存在问题。

U220/3⑶与该设备技术档案中的历年试验所得数据做比较，若性能指标有明显下降，则可能出现新缺陷。

5-4 试比较绝缘的非破坏性试验和耐压试验的效能和特点。 答：非破坏性试验效能：在较低的电压或是用其它不会损坏绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷。特点： （1）无破坏性（2）需要综合分析（3）能全面检查缺陷的性质和过程。 耐压试验效能：模仿设备绝缘在运行中可能出现的各种电压，对绝缘施加与之相等价或更为严峻的电压，从而考验绝缘耐受这类电压的能力。特点：（1）最有效（2）具有破坏性

Z1?L1L2?346? Z2??29? C1C22Z1U2?92.27kVZ1?Z2

U2?50kV,U1??U2?i2?2U0?2.9A Z/4?Z?/2Z0?Z/4?Z?/2Z/4?Z?/2U2?i2??40kVZ/4?Z?/2

(1)Z?Z1RZ2?31.25? U I2?2U2?2000A?Z?62.5kV Z2 ?1.25kA ???(2)U1? U2?U1?62.5kV?I1Z1??437.5kV?U1??875A I1??Z1(3)IR?U2?625AR

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