高电压技术课后习题答案详解

1-1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？答:碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多。其次．由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。1-2简要论述汤逊放电理论。答:设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至de个。假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（de－1）个正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数的定义，此（de－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（de－1）个新电子，则(de-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(de-1)=1或de＝1。1-3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？答:（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。1-4雷电冲击电压的标准波形的波前和波长时间是如何确定的？答：图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的时间)。图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示的方法求得名义零点1O。图中虚线所示，连接P点与0.3倍峰值点作虚线交横轴于1O点，这样波前时间1T、和波长2T都从1O算起。目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：%302.11sT，%20502sT图1-13标准雷电冲击电压波形1T－波前时间2T－半峰值时间maxU冲击电压峰值1-5操作冲击放电电压的特点是什么？答：操作冲击放电电压的特点：（1）U形曲线，其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关；（2）极性效应，正极性操作冲击的50％击穿电压都比负极性的低；（3）饱和现象；（4）分散性大；（5）邻近效应，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压。1-6影响套管沿面闪络电压的主要因素有哪些？答：影响套管沿面闪络电压的主要因素有（1）电场分布情况和作用电压波形的影响（2）电介质材料的影响（3）气体条件的影响（4）雨水的影响1-7具有强垂直分量时的沿面放电和具有弱垂直分量时的沿面放电，哪个对绝缘的危害比较大，为什么？答：具有强垂直分量时的沿面放电对绝缘的危害比较大。电场具有弱垂直分量的情况下，电极形状和布置已使电场很不均匀，因而介质表面积聚电荷使电压重新分布所造成的电场畸变，不会显著降低沿面放电电压。另外这种情况下电场垂直分量较小．沿表面也没有较大的电容电流流过，放电过程中不会出现热电离现象，故没有明显的滑闪放电，因而垂直于放电发展方向的介质厚度对放电电压实际上没有影响。其沿面闪络电压与空气击穿电压的差别相比强垂直分量时要小得多。1-8某距离4m的棒-极间隙。在夏季某日干球温度=30℃，湿球温度=25℃，气压=99.8kPa的大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV?（空气相对密度=0.95）答：距离为4m的棒-极间隙，其标准参考大气条件下的正极性50%操作冲击击穿电压50U标准=1300kV。查《高电压技术》可得空气绝对湿度320g/mh。从而/21,h再由图3-1求得参数1.1K。求得参数1500bUgLK=1300/（500×4×0.95×1.1）=0.62，于是由图3-3得指数0.34mW。空气密度校正因数0.340.950.9827mdK湿度校正因数0.341.11.033whKK所以在这种大气条件下，距离为4m的棒-极间隙的正极性50%操作冲击击穿电压为12505013000.98271.0331320kVUUKK夏标准。1-9某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区的35kV变电站，问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？解：查GB311.1-1997的规定可知，35kV母线支柱绝缘子的1min干工频耐受电压应为100kV，则可算出制造厂在平原地区进行出厂1min干工频耐受电压试验时，其耐受电压U应为0044100154kV1.1101.1450010aUUKUH2-1电介质极化的基本形式有哪几种，各有什么特点？答：电介质极化的基本形式有（１）电子位移极化图（1）电子式极化（２）偶极子极化图（2）偶极子极化（a）无外电场时（b）有外电场时1—电极2—电介质（极性分子）2-2如何用电介质极化的微观参数去表征宏观现象？答：克劳休斯方程表明，要由电介质的微观参数（N、）求得宏观参数—介电常数r，必须先求得电介质的有效电场iE。（１）对于非极性和弱极性液体介质，有效电场强度0233riPEEE式中，P为极化强度（0(1)rPE）。上式称为莫索缔（Mosotti）有效电场强度，将其代入克劳休斯方程[式(2-11)]，得到非极性与弱极性液体介质的极化方程为0123rrN（２）对于极性液体介质，由于极性液体分子具有固有偶极矩，它们之间的距离近，相互作用强，造成强的附加电场，洛伦兹球内分子作用的电场2E≠0，莫索缔有效电场不适用。2-3非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？答：非极性液体和弱极性液体电介质极化中起主要作用的是电子位移极化，偶极子极化对极化的贡献甚微；极性液体介质包括中极性和强极性液体介质，这类介质在电场作用下，除了电子位移极化外，还有偶极子极化，对于强极性液体介质，偶极子的转向极化往往起主要作用。2-4极性液体的介电常数与温度、电压、频率有什么样的关系？答：（１）温度对极性液体电介质的r值的影响如图2-2所示，当温度很低时，由于分子间的联系紧密，液体电介质黏度很大，偶极子转动困难，所以r很小；随着温度的升高，液体电介质黏度减小，偶极子转动幅度变大，r随之变大；温度继续升高，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，r又开始减小。（２）频率对极性液体电介质的r值的影响如图2-1所示，频率太高时偶极子来不及转动，因而r值变小。其中0r相当于直流电场下的介电常数，ff1以后偶极子越来越跟不上电场的交变，r值不断下降；当频率f=f2时，偶极子已经完全跟不上电场转动了，这时只存在电子式极化，r减小到r，常温下，极性液体电介质的r≈3～6。2-5液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？答：液体电介质电导的形成：（１）离子电导——分为本征离子电导和杂质离子电导。设离子为正离子，它们处于图２－５中A、B、C等势能最低的位置上作振动，其振动频率为υ，当离子的热振动能超过邻近分子对它的束缚势垒0u时，离子即能离开其稳定位置而迁移。（２）电泳电导——在工程中，为了改善液体介质的某些理化性能，往往在液体介质中加入一定量的树脂，这些树脂在液体介质中部分呈溶解状态，部分可能呈胶粒状悬浮在液体介质中，形成胶体溶液，此外，水分进入某些液体介质也可能造成乳化状态的胶体溶液。这些胶粒均带有一定的电荷，当胶粒的介电常数大于液体的介电常数时，胶粒带正电；反之，胶粒带负电。胶粒相对于液体的电位0U一般是恒定的，在电场作用下定向的迁移构成“电泳电导”。电场强度的影响（１）弱电场区：在通常条件下，当外加电场强度远小于击穿场强时，液体介质的离子电导率是与电场强度无关的常数，其导电规律遵从欧姆定律。（２）强电场区：在E≥107V/m的强电场区，电流随电场强度呈指数关系增长，除极纯净的液体介质外，一般不存在明显的饱和电流区。液体电介质在强电场下的电导具有电子碰撞电离的特点。2-6目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？答：液体介质的击穿理论主要有三类：（１）高度纯净去气液体电介质的电击穿理论（２）含气纯净液体电介质的气泡击穿理论（３）工程纯液体电介质的杂质击穿理论2-7液体电介质中气体对其电击穿有何影响？答：气泡击穿观点认为，不论由于何种原因使液体中存在气泡时，由于交变电压下两串联介质中电场强度与介质介电常数成反比，气泡中的电场强度比液体介质高，而气体的击穿场强又比液体介质低得多，所以总是气泡先发生电离，这又使气泡温度升高，体积膨胀，电离将进一步发展；而气泡电离产生的高能电子又碰撞液体分子，使液体分子电离生成更多的气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时，液体介质就能在此通道中发生击穿。热化气击穿观点认为，当液体中平均场强达到107～108V/m时，阴极表面微尖端处的场强就可能达到108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面的微尖端注入到液体中，估计电流密度可达105A/m2以上。按这样的电流密度来估算发热，单位体积、单位时间中的发热量约为1013J/（s·3m），这些热量用来加热附近的液体，足以使液体气化。当液体得到的能量等于电极附近液体气化所需的热量时，便产生气泡，液体击穿。电离化气击穿观点认为，当液体介质中电场很强时，高能电子出现，使液体分子C—H键（C—C键）断裂，液体放气。2-8水分、固体杂质对液体电介质的绝缘性能有何影响？答：（１）水分的影响当水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力的作用，水分呈圆球状（即胶粒），均匀悬浮在液体中，一般水球的直径约为10-2～10-4cm。在外电场作用下，由于水的介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体介质在较低的电压下发生击穿。（２）固体杂质的影响一般固体悬浮粒子的介电常数比液体的大，在电场力作用下，这些粒子向电场强度最大的区域运动，在电极表面电场集中处逐渐积聚起来，使液体介质击穿场强降低。2-9如何提高液体电介质的击穿电压？答：工程应用上经常对液体介质进行过滤、吸附等处理，除去粗大的杂质粒子，以提高液体介质的击穿电压。3-1什么叫电介质的极化？极化强度是怎么定义的？答：电介质的极化是电介质在电场作用下，其束缚电荷相应于电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。电介质的极化强度可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。3-2固体无机电介质中，无机晶体、无机玻璃和陶瓷介质的损耗主要由哪些损耗组成？答：（１）无机晶体介质只有位移极化，其介质损耗主要来源于电导；（２）无机玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：电导损耗、松弛损耗和结构损耗；（３）陶瓷介质可分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，tan