高電壓技術課后答案(吳廣寧)

-1試述雷電放電的基本過程及各階段的特點。答：雷電放電的基本過程包括先導放電、主放電和余輝放電三個階段。（1）先導放電階段——開始產生的先導放電是跳躍式向前發(fā)展。先導放電常常表現(xiàn)為分枝狀，這些分枝狀的先導放電通常只有一條放電分支達到大地。整個先導放電時間約0.005?0.01s，相應于先導放電階段的雷電流很小。（2）主放電階段——主放電過程是逆著負先導的通道由下向上發(fā)展的。在主放電中，雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過先導放電所開辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出巨大的光和熱。在主放電階段，雷擊點有巨大的電流流過，主放電的時間極短。（3）余輝放電階段——當主放電階段結束后，雷云中的剩余電荷將繼續(xù)沿主放電通道下移，使通道連續(xù)維持著一定余輝。余輝放電電流僅數(shù)百安，但持續(xù)的時間可達0.03?0.05s。8-2試述雷電流幅值的定義，分別計算下列雷電流幅值出現(xiàn)的概率：30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA。答：根據(jù)式（8-4），P=10~88。其中，P為雷電流幅值超過I的概率，I為雷電流幅值。則雷電流幅值為30kA、50kA、88kA、100kA、150kA、200kA時，對應的概率分別為45.61%、27.03%、10.00%、7.31%、1.97%、0.53%。8-3雷電過電壓是如何形成的？答：雷電過電壓的形成包括以下幾種情況。（1）直擊雷過電壓a.雷直擊于地面上接地良好的物體（圖8-3）時，流過雷擊點A的電流即為雷電流io采用電流源彼德遜等值電路，則雷電流Zi=02i沁2iZ+Z000沿雷道波阻抗Z0下來的雷電入射波的幅值I0=I/2,A點的電壓幅值J=IR.。b.雷直擊于輸電線路的導線（圖8-4）時，電流波向線路的兩側流動，如果電流電壓均以幅值表示，則2U2U7302IZ7302導線被擊點A的過電壓幅值為口.Z「ZZU=i=I0—AZ22Z+Z0感應雷過電壓雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間電磁場急劇變化，會在附近線路的導線上產生過電壓(圖8-5)。在雷云放電的先導階段，先導通道中充滿了電荷，如圖8-5(a)所示，這些電荷對導線產生靜電感應，在負先導附近的導線上積累了異號的正束縛電荷，而導線上的負電荷則被排斥到導線的遠端。因為先導放電的速度很慢，所以導線上電荷的運動也很慢，由此引起的導線中的電流很小，同時由于導線對地泄漏電導的存在，導線電位將與遠離雷云處的導線電位相同。當先導到達附近地面時，主放電開始，先導通道中的電荷被中和，與之相應的導線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向導線兩側運動，如圖8-5(b)所示。電荷流動形成的電流i乘以導線的波阻抗Z即為兩側流動的靜電感應過電壓波U二遼。8-4某變電所配電構架高11m，寬10.5m,擬在構架側旁裝設獨立避雷針進行保護，避雷針距構架至少5m。試計算避雷針最低高度。解：由題意可知，r=10.5+5=15.5m，h=11mxx分別令p=1，p=5.5A；h，列出以下式子r=(h-h)xxr=(1.5h-2h)5.5/再xx代入數(shù)值解得h=26.5m1h=48.8m2所以避雷針的最低高度為26.5米。8-5設某變電所的四支等高避雷針，高度為25m，布置在邊長為42m的正方形的四個頂點上，試繪出高度為11m的被保護設備，試求被保護物高度的最小保護寬度。解：略8-6什么是避雷線的保護角？保護角對線路繞擊有何影響？答：避雷線的保護角指避雷線和外側導線的連線與避雷線的垂線之間的夾角，用來表示

避雷線對導線的保護程度。保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導線免遭雷擊。8-7試分析排氣式避雷器與保護間隙的相同點與不同點。避雷器類型比較^同^保護間隙排氣式避雷器相同點a）當雷電波侵入時，間隙先擊穿，雷電流經(jīng)間隙泄入大地，從而保護了電氣設備；b）過電壓消失后，保護間隙中仍有工頻續(xù)流流過，且切斷電流有限；c）伏秒特性曲線較陡，放電分散性大，與被保護設備的絕緣配合不理想，并且動作后會形成截波，對變壓器縱絕緣不利。不同點結構簡單復雜熄弧能力低高輔助設備當間隙不能自行熄弧時，將引起斷路器跳閘。為減少線路停電事故，應加裝自動重合閘裝置。排氣式避雷器動作多次后，管壁將變薄，故應裝設簡單可靠的動作指示器。應用范圍除有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)外的低壓配電系統(tǒng)；排氣式避雷器的滅弧能力不能符合要求的場合線路保護和發(fā)、變電所的進線段保護8-8試比較普通閥式避雷器與金屬氧化鋅避雷器的性能，說說金屬氧化鋅避雷器有哪些優(yōu)點？答：由于氧化鋅閥片優(yōu)異的非線性伏安特性，使金屬氧化鋅避雷器（MOA）與普通閥式避雷器相比具有以下優(yōu)點：（1）保護性能好；（2）無續(xù)流；（3）通流容量大；（4）運行安全可靠。8-9試述金屬氧化鋅避雷器的特性和各項參數(shù)的意義。答：金屬氧化物避雷器電氣特性的基本技術指標：額定電壓——避雷器兩端允許施加的最大工頻電壓有效值，與熱負載有關，是決定避雷器各種特性的基準參數(shù)。最大持續(xù)運行電壓——允許持續(xù)加在避雷器兩端的最大工頻電壓有效值，決定了避雷器長期工作的老化性能。參考電壓一一避雷器通過1mA工頻電流阻性分量峰值或者1mA直流電流時，其兩端之間的工頻電壓峰值或直流電壓，通常用UlmA表示。從該電壓開始，電流將隨電壓的升高而迅速增大，并起限制過電壓作用。因此又稱起始動作電壓，也稱轉折電壓或拐點電壓殘壓——放電電流通過避雷器時兩端出現(xiàn)的電壓峰值。包括三種放電電流波形下的殘壓，避雷器的保護水平是三者殘壓的組合。通流容量——表示閥片耐受通過電流的能力。壓比——MOA通過波形為8/20s的標稱沖擊放電電流時的殘壓與其參考電壓之比。壓比越小，表示非線性越好，通過沖擊放電電流時的殘壓越低，避雷器的保護性能越好。荷電率——MOA的最大持續(xù)運行電壓峰值與直流參考電壓的比值。荷電率愈高，說明避雷器穩(wěn)定性能愈好，耐老化，能在靠近“轉折點”長期工作。保護比——標稱放電電流下的殘壓與最大持續(xù)運行電壓峰值的比值或壓比與荷電率之比。保護比越小，MOA的保護性能越好。8-10限制雷電過電壓破壞作用的基本措施是什么？這些防雷設備各起什么保護作用？答：限制雷電的破壞性，基本措施就是加裝避雷針、避雷線、避雷器、防雷接地、電抗線圈、電容器組、消弧線圈、自動重合閘等防雷保護裝置。避雷針、避雷線用于防止直擊雷過電壓，避雷器用于防止沿輸電線路侵入變電所的感應雷過電壓。下面主要介紹避雷針、避雷線和避雷器的保護原理及其保護范圍。8-11平原地區(qū)110kV單避雷線線路水泥桿塔如圖所示，絕緣子串由6XX-7組成，長為1.2m，其正極性U50%為700kV,桿塔沖擊接地電阻Ri為7Q,導線和避雷線的直徑分別為21.5mm和7.8mm,15°C時避雷線弧垂2.8m，下導線弧垂5.3m，其它數(shù)據(jù)標注在圖中，單位為m，試求該線路的耐雷水平和雷擊跳閘率。解：略8-12某平原地區(qū)550kV輸電線路檔距為400m,導線水平布置，導線懸掛高度為28.15m，相間距離為12.5m,15C時弧垂12.5m。導線四分裂，半徑為11.75mm，分裂距離0.45m（等值半徑為19.8cm）。兩根避雷線半徑5.3mm，相距21.4m，其懸掛高度為37m，15C時弧垂9.5m。桿塔電桿15.6UH,沖擊接地電阻為10Q。線路采用28片XP-16絕緣子，串長4.48m,其正極性U50%為2.35MV，負極性U50%為2.74MV,試求該線路的耐雷水平和雷擊跳閘率。解：略8-13為什么110kV及以上線路一般采用全線架設避雷線的保護措施，而35kV及以下線路不采用？答：輸電線路的防雷，應根據(jù)線路的電壓等級、負荷性質和系統(tǒng)運行方式，并結合當?shù)氐貐^(qū)雷電活動的強弱、地形地貌特點及土壤電阻率高低等情況，通過技術經(jīng)濟比較，采用合理的防雷方式。因此，35kV線路不宜全線架設避雷線，110kV及以上線路應全線架設避雷線。8-14輸電線路防雷有哪些基本措施。答：（1）架設避雷線；（2）降低桿塔接地電阻；（3）架設耦合地線；（4）采用不平衡絕緣方式；（5）采用中性點非有效接地方式；（6）裝設避雷器；（7）加強絕緣；（8）裝設自動重合閘。8-15變電所進線段保護的作用和要求是什么？答：變電所進線段保護的作用在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值和侵入波的陡度。針對不同電壓等級的輸電線路，具體要求如下：a）未沿全線架設避雷線的35kV?110kV架空送電線路，應在變電所lkm?2km的進線段架設避雷線作為進線段保護，要求保護段上的避雷線保護角宜不超過20°，最大不應超過30°；b）110kV及以上有避雷線架空送電線路，把2km范圍內進線作為進線保護段，要求加強防護，如減小避雷線的保護角a及降低桿塔的接地電阻叫。要求進線保護段范圍內的桿塔耐雷水平，達到表8-7的最大值，以使避雷器電流幅值不超過5kA（在330?500kV級為10kA），而且必須保證來波陡度a不超過一定的允許值。8-16試述變電所進線段保護的標準接線中各元件的作用。答：在圖8-32所示的標準進線段保護方式中，安裝了排氣式避雷器FE。在雷季，線路斷路器、隔離開關可能經(jīng)常開斷而線路側又帶有工頻電壓（熱備用狀態(tài)），沿線襲來的雷電波（其幅值為U50%）在此處碰到了開路的末端，于是電壓可上升到2U50%，這時可能使開路的斷路器和隔離開關對地放電，引起工頻短路，將斷路器或隔離開關的絕緣支座燒毀，為此在靠近隔離開關或斷路器處裝設一組排氣式避雷器FE。圖8-3235kV?llOkV變電所的進線保護接線8-17某llOkV變電所內裝有FZ-11OJ型閥式避雷器，其安裝點到變壓器的電氣距離為50m,運行中經(jīng)常有兩路出線，其導線的平均對地高度為10m，試確定應有的進線保護段長度。解：略8-18試述旋轉電機絕緣的特點及直配電機的防雷保護措施。答：旋轉電機絕緣的特點：（1）在相同電壓等級的電氣設備中，旋轉電機的絕緣水平最低；（2）電機在運行中受到發(fā)熱、機械振動、臭氧、潮濕等因素的作用使絕緣容易老化。特別在槽口部分，電場極不均勻，在過電壓作用下容易受傷；（3）保護旋轉電機用的磁吹避雷器（FCD型）的保護性能與電機絕緣水平的配合裕度很??；al（4）由于電機繞組的匝間電容K很小，所以當沖擊波作用時，匝間所受電壓為v，要使該電壓低于電機繞組的匝間耐壓，必須把來波陡度a限制得很低，試驗結果表明，為了保護匝間絕緣必須將侵入波陡度限制在5kV/ys以下；（5）電機繞組中性點一般是不接地的，三相進波時在直角波頭情況下，中性點電壓可達進波電壓的兩倍，因此必須對中性點采取保護措施。試驗證明，侵入波陡度降低時，中性點過電壓也隨之減小，當侵入波陡度降至2kV/gs以下時，中性點過電壓不超過進波的過電壓。直配電機的防雷保護措施：發(fā)電機出線母線上裝一組MOA或FCD型避雷器，以限制侵入波幅值，取其3kA下的殘壓與電機的絕緣水平相配合，保護電機主絕緣。采用進線段保護，一般采用電纜段與排氣式避雷器配合的典型進線段保護，它們聯(lián)合作用以限制流經(jīng)避雷器中的雷電流幅值使之小于3kA。在發(fā)電機母線上裝設一組并聯(lián)電容器，包括電纜段電容在內一般每相電容應為0.25?0.5嚇，可以限制雷電侵入波的陡度a使之小于2kV/ys，同時可以降低感應雷過電壓使之低于電機沖擊耐壓強度，保護電機匝間絕緣和中性點絕緣。發(fā)電機中性點有引出線時，中性點應加裝避雷器保護，如電機繞組中性點并未引出，則每相母線并聯(lián)電容應增至1.5?2.0卩F。8-19說明直配電機防雷保護中電纜段的作用。答：有電纜段的直配電機保護接線如圖8-37(a)所示，雷直擊于電纜首端的架空線路，

排氣式避雷器FE2動作，電纜芯線與外皮經(jīng)FE2短接在一起，雷電流流過FE2和接地電阻

R1所形成的電壓iR1同時作用在芯線和外皮上，沿著外皮將有電流i2流向電機側，于是di在電纜外皮本身的電感L2上出現(xiàn)壓降L-2，此壓降是由環(huán)繞外皮的磁力線變化所造成的，2dtdi這些磁力線也必然全部環(huán)繞芯線，在芯線上同時感應出一個大小等于L-2的反電動勢來，2dt它將阻止雷電流從電纜首端A點沿芯線向電機流動，也即限制了流經(jīng)避雷器F的雷電流。8-20試述氣體絕緣變電所防雷保護的特點和措施。答：氣體絕緣變電所(GIS)防雷保護有以下特點：GIS絕緣具有比較平坦的伏秒特性。絕緣水平主要決定于雷電沖擊水平，需采用性能優(yōu)異的金屬氧化物避雷器加以保護。GIS變電所的波阻抗一般在60?100Q,約為架空線路的1/5,雷電侵入波從架空線路傳入GIS，折射系數(shù)較小，折射電壓也就較小，對GIS的雷電侵入波保護有利。GIS變電所結構緊湊，各電氣設備之間的距離較小，避雷器離被保護設備較近，因此可使雷電過電壓限制在更低的水平。GIS絕緣中完全不允許產生電暈，因為一旦產生電暈，絕緣會立即發(fā)生擊穿，這樣將會導致整個GIS變電所絕緣的破壞。因此，要求GIS過電壓保護有較高的可靠性，并且在設備的絕緣配合上要留有足夠的裕度。由于GIS變電所的封閉性，所以電氣設備不會因受大氣污穢、降水等的影響而降低絕緣強度。但需指出，對SF6氣體的潔凈程度和所含水分卻要求極嚴，同時對導體和內壁的光潔度也要求極高，否則絕緣強度將大幅度下降。氣體絕緣變電所(GIS)的防雷措施有以下幾點：66kV及以上進線無電纜段的GIS變電所66kV及以上進線無電纜段的GIS變電所，在GIS管道與架空線路連接處應裝設無間隙金屬氧化物避雷器(FM01)，其接地端應與管道金屬外殼連接；.66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所，在電纜與架空線路的連接處應裝設金屬氧化物避雷器(FMO1)，其接地端應與電纜的金屬外皮連接。對三芯電纜，末端的金屬外皮應與GIS管道金屬外殼連接接地，如圖8-41(a)所示。對單芯電纜，末端的金屬護層應經(jīng)金屬氧化物電纜護層保護器(FC)接地，如圖8-41(b)所示。8-21什么是接地？接地有哪些類型？各有何用途？答：接地——指將電力系統(tǒng)中電氣裝置和設施的某些導電部分，經(jīng)接地線連接至接地極。埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體稱為接地極，電氣裝置、設施的接地端子與接地極連接用的金屬導電部分稱為接地線。接地按用途可分為：工作接地——為運行需要所設的接地，如中性點直接接地、中性點經(jīng)消弧線圈、電阻接地；保護接地——電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構架和線路桿塔等，由于絕緣損壞有可能帶電，為防止其危及人身和設備的安全而設的接地；防雷接地——為雷電保護裝置(避雷針、避雷線和避雷器等)向大地泄放雷電流而設的接地；靜電接地——為防止靜電對易燃油、天然氣貯罐、氫氣貯罐和管道等的危險作用而設的接地。8-22什么是接地電阻，接觸電壓和跨步電壓？答：接地裝置對地電位u與通過接地極流入地中電流i的比值稱為接地電阻。

人在地面上離設備水平距離為0.8m處于設備外殼、架構或墻壁離地面的垂直距離1.8m處兩點間的電位差，稱為接觸電位差，即接觸電壓ut。當人在分布電位區(qū)域內跨開一步，兩腳間（水平距離0.8m）的電位差，稱為跨步電位差，即跨步電壓Uso8-23試計算如圖8-44所示接地裝置的沖擊接地電阻。已知垂直接地極是由6根直徑為1.8cm、長3m的圓管組成，土壤電阻率為200Q-m，雷電流為40A時沖擊系數(shù)?為0.5,沖擊利用系數(shù)耳為0.7。i解：查表8—19可得，對于長度為3m左右的垂直接地極，其工頻接地電阻為R沁0.3p=0.3x200=600e單根垂直接地極的沖擊接地電阻為：RR=0.5x60=300ihe由6根等長水平放射形接地極組成的接地裝置，其沖擊接地裝置可按下式計算R1301R=—ih-=x=7.140in耳60.7i8-24某220kV變電所，采用口型布置，變電所面積為194.5mX201.5m，土壤電阻率為3000-m，試估算其接地網(wǎng)的工頻接地電阻。300解：查表8—19，對于復合接地網(wǎng)，其工頻接地電阻的簡易計算式如下：300R沁0.5丄=0.5x=0.760TSJ194.5x201.5第9章操作過電壓與絕緣配合9-1試用集中參數(shù)等值電路來分析切空載線路過電壓。9-2空載線路合閘過電壓產生的原因和影響因素是什么？9-3某220kV線路全長500km，電源阻抗X=1150，線路參數(shù)為L=1.0mH/km,S0CC=0.015AF/km，設電源的電勢為E=1.0p.u.，求線路空載時首末端的電壓。009-4切除空載線路過電壓與切除空載變壓器時產生過電壓的原因有何不同？斷路器滅弧性能對這兩種斷路器有何影響？9-5為何閥式避雷器只能限制切空載變壓器過電壓而不能用來限制其它操作過電壓？9-6斷路器中電弧的重燃對這種過電壓有什么影響？9-7試分析在電弧接地引起的過電壓中，若電弧不是在工頻電流過零時熄滅，而是在高頻振蕩電流過零時熄滅，過電壓發(fā)展情況如何？9-8試述消除斷續(xù)電弧接地過電壓的途徑。9-9試說明絕緣配合的重要性，實際應用中是如何考慮絕緣配合的？9-10試確定220kV線路桿塔的空氣間隙距離和每串絕緣子的片數(shù)，假定該線路在非污穢地區(qū)。9-1試用集中參數(shù)等值電路來分析切空載線路過電壓。答：我們用單相集中參數(shù)的簡化等效電路來進行分析，如圖9-1所示，在S斷開之前線路電壓U(t)=e(t),設第一次熄弧(設時間為t)發(fā)生斷路器的工頻電容電流i(t)過零時，C1c如圖所示，線路上電荷無處泄放，u(t)保留為E,觸頭間電壓u(t)為cmrU(t)=e(t)-E=E(coswt-1)經(jīng)過半個周期以后，e(t)變?yōu)?E,這時兩觸頭間的電壓，即恢復rmmm電壓2E。此時，如果觸頭間的介質的絕緣強度沒有得到很好恢復，或絕緣恢復強度的上升m速度不夠快，則可能在t時刻發(fā)生電弧重燃，相當于一次反極性重合閘，U將達到-3E,2Cmaxm設在t=t時，高頻(重合閘過程，回路振蕩的角頻率為?="4LC，大于工頻下的M)0T電容電流第一次過零時熄弧，則u(t)將保持-3E，又經(jīng)過T/2后，e(t)又達最大值，觸頭cm間電壓u(t)為4E。若此時觸頭再度重燃，則會導致更高幅值的振蕩，U將達+5E。依此rmCmaxm類推，每工頻半周重燃一次，線路電壓將達很高數(shù)值，直至觸頭間絕緣足夠高，不再重燃為止。線路上的過電壓將不斷增大，一直達到很高的數(shù)值。%r(Q|uc(t)丄Ct圖9-1切除空載線路時的等值計算電路圖9-2空載線路合閘過電壓產生的原因和影響因素是什么？答：產生的原因是合閘過程中電流無法突變，電路產生非周期分量，引起衰減性振蕩當時間達到某一值時，電壓達到最大值，產生合閘過電壓。影響因素一是合閘相位，二是線路損耗，三是線路上殘壓的變化。9-3某220kV線路全長500km，電源阻抗X=115Q，線路參數(shù)為L=1.0mH/km，S0C0=0.015AF/km，設電源的電勢為E=1.0p.u.，求線路空載時首末端的電壓。解：略9-4切除空載線路過電壓與切除空載變壓器時產生過電壓的原因有何不同？斷路器滅弧性能對這兩種斷路器有何影響？答：切除空載線路過電壓時切斷的是電容電流，在介質的絕緣強度沒有恢復的情況下，電弧的重燃導致電壓的升高，產生過電壓。而切除空載變壓器時切斷的是電感電流，變壓器的等效回路LT、cT中產生電磁振蕩，而截流現(xiàn)象使空載電流未過零之前就因強制熄弧而切斷，此時電流不能突變，造成電容電壓繼續(xù)升高，產生過電壓。在第一種情況下，斷路器如果絕緣強度不高的話，接觸點會產生重燃，而重燃加劇了電壓的升高，如果要避免這種情況，就要增強斷路器的滅弧性能；在第二種情況下，斷路器截流能力不強則切空變過電壓也比較低，反之則高。另外，如果斷路器去游離作用不強時（由于滅弧能力差），截流后在斷路器觸頭間可引起電弧重燃，使變壓器側的電容電場能量向電源釋放，從而降低了這種過電壓。9-5為何閥式避雷器只能限制切空載變壓器過電壓而不能用來限制其它操作過電壓？答