Chapter 1 :: 气体电介质的绝缘特性

单选题、多选题1个、判断2个、填空3个

各种电场的对比

均匀电场 稍不均匀电场 极不均匀电场
击穿分散性 不大
电晕起始极性 正极性高、负极性低
击穿极性效应 正极性高、负极性低 正极性低、负极性高
击穿场强 30kV/cm 越均匀,越高 正棒 < 棒棒 < 负棒
不同形式电压击穿场强 基本一致 基本一致 AC击穿在正半周期的峰值
操作冲击 < 工频 < 雷电
击穿电压与距离的关系 线性增加 线性增加 长间隙下具有饱和效应

极不均匀电场

特点:

  • 自持条件就是电晕的起始条件,由电晕产生到完全击穿还需要增高电压才能完成。
  • 击穿电压低于均匀电场
  • 电晕放电
  • 极性效应

电晕

  • 特点:自持放电;具有极性效应;电晕层与外区;
  • 强度影响因素:
    • 不取决于电源电路中的阻抗
    • 取决于电极外气体空间的电导,电压大小、电极形状、极间距离、气体性质等

不均匀电场间隙的击穿

  • 特点
    • 电晕起始电压:正极性高、负极性低(因为负棒更加容易形成电子崩,直接从负棒上面喷射)
    • 击穿电压:正极性低、负极性高(因为正棒更加容易形成流注,从正棒的头部喷射)
    • 先导放电:热电离为标志、通道导电好;正极性连贯、负极性分级;(强行记忆)
  • 机理 非自持放电 -> 流注发展阶段 -> 先导放电阶段 -> 主放电阶段

雷电冲击电压

标准电压波形

波前时间1.2微秒,半峰值为50微秒,表示为\(\pm1.2/50\mu s\)

50%冲击放电电压

多次施加电压,其中半数导致击穿的电压称之为 50%击穿电压

  • 冲击系数:50%冲击击穿电压 与 持续作用电压(工频或者直流)下的击穿 之比
    • 均匀与稍不均匀电场中,冲击系数等于1
    • 极不均匀电场中,通常冲击系数大于1;间隙较长时,击穿通常发生在波尾。

放电时延

  • 升压时间\(t_0\)是电压从0升压到静态击穿电压所需要的时间
  • 统计时延\(t_s\)是电压达到后出现第一个有效电子的时间
  • 放电发展时延\(t_f\)是形成第一个有效电子到气隙完全被击穿为止的时间

其中 \(t_s + t_f = t_l\)称为放电时延,短间隙中统计时延占更久,而长间隙中,放电发展时延更久

伏秒特性

对于非持续电压,用电压峰值与持续时间两者的关系来表示该间隙的耐压水平。

大气条件影响

  • 空气密度越大,击穿电压越高(因为平均自由行程短了)
  • 湿度越大,击穿电压越高(因为水蒸气是电负性的气体)

提高间隙击穿电压的办法

八个点

六氟化硫的特点

  • 无色无味
  • 破坏臭氧层
  • 在不均匀场中极性效应与空气相反(负极性更加易击穿)
  • 和氮气混合具有良好的灭弧效果

污闪

  • 盐密:与每平方厘米绝缘表面所附着有的污秽的导电性等值的NaCl毫克数
  • 灰密:从绝缘子的一个给定表面上清洗下来的不溶残留物除以这个表面的表面积

Chapter 2 :: 液体、固体电介质的绝缘特性

多选题2个、名词解释1个、简答1个

电介质的极化

各种极化方式的对比

电子式、离子式、偶极子式、夹层式、空间电荷

建立极化时间 电场强度 电源频率 温度 极化弹性 消耗能量 极化机理 介质类型
电子式 极短 有关 无关 影响小 弹性 可忽略 原子核与电子发生相对位移 所有介质
离子式 极短 有关 无关 正关系 弹性 可忽略 正负离子发生相对位移 离子性介质
偶极子 较长 有关 频率升高 低温增加 非弹性 偶极子定向排列 具有永久偶极子的极性介质
极化减弱 高温降低
夹层式 很长 有关 只低频 有关 非弹性 带电质点移动 不均匀夹层介质
空间电荷极化 很长 有关 只低频 有关 非弹性 经过电导消耗能量 正负自由离子被晶格捕获 含离子和杂质离子的介质

介电常数的概念

相对介电常数越大,绝缘性能越好

电导与损耗的概念

  • 固体电介质具有表面电导与体积电导;
  • 液体电介质具有离子电导与电泳电导;
  • 损耗使用\(\tan\delta\)(介质损耗角正切)来表征;这个值越大,损耗越大;

液体电介质的击穿

击穿理论

  • 电击穿理论:强电场发射电子碰撞液体分子电离,电子倍增,且产生的正离子使阴极电场增强,又发射更多电子,最后电流急剧增加,然后击穿。
  • 气泡击穿理论:电场使液体产生气泡,然后由于气体击穿场强低于液体,所以气泡中的气体就会击穿,而若气泡形成小桥,则液体击穿。也就是说,液体的击穿其实还是在气体中击穿的。

对液体击穿电压影响因素

  • 杂质:(在电场均匀条件下)越纯越高
  • 温度:低温段正相关,高温段负相关
  • 作用时间:击穿电压越久越低
  • 电场均匀程度:纯净时,越均匀越高;不纯净时,面对冲击电压则能够越均匀越高、面对持续作用电压,则没有什么用。

固体电介质的击穿

击穿理论

  • 电击穿理论
  • 热击穿理论
  • 电化学击穿理论

影响因素

  • 温度:温度低于某个临界,就是电击穿,高于就是热击穿
  • 厚度:
    • 均匀电场中,热击穿领域内,介质厚度越大,击穿场强就越小。
    • 在不均匀电场中,即使在电击穿领域,随着厚度增大,平均击穿场强仍然减小
  • 电压频率
  • 机械力:固体的均匀与质密程度
  • 多层性的影响:某层击穿后,使电场变不均匀,从而使全部变得易击穿
  • 累积效应的影响:在脉冲作用下有不完全击穿的现象,多次不完全击穿会导致击穿电压下降

各种击穿形式的击穿电压与各种因素的关系:

温度 介质厚度 电压频率
电击穿 几乎无关 均匀:没说 几乎无关
不均匀:负相关
热击穿 强负相关 负相关 负相关

方法

  • 改进绝缘:电极形状、表面光洁度、电极与绝缘体的接触条件、密封
  • 改进制造工艺:清除固体中的杂质
  • 改善运行条件:防潮、防污

电介质的老化

因素有:物理因素、化学因素、生物因素 最主要的是电老化、热老化、环境老化

  • 电老化:
    • 电离性老化:电树枝,交流电,电场较强
    • 电导性老化:水树枝,交流电,电场较弱
    • 电解性老化(DC)

Chapter 3 & 4 :: 电气设备的绝缘特性试验 & 绝缘耐压试验

  • 判断合计4个、名词解释1个
  • 绝缘特性实验只考前3个

缺陷种类

  • 集中性缺陷:击穿、瓷质开裂、隔离开关绝缘局部磨损。
  • 分布式缺陷:整体老化,整体受潮,整体杂质

绝缘电阻测量

  • 吸收比K:\(K = R_{60s}/ R_{15s}\)
  • 极化指数P:\(P = R_{10min}/R_{1min}\)
  • 能够发现的缺陷:除了老化之外的分布式缺陷,集中式缺陷中的整体缺陷

泄露电流测量

  • 本质上也是测绝缘电阻,只是所用的直流电压较高(10kV以上)
  • 相比测量绝缘电阻,可以进一步揭示局部性的缺陷。

测量介质损耗因素

  • 常用西林电桥法
  • 受到的外界干扰:电场干扰与磁场干扰
    • 采用移相法或者倒相法可以排除同频率电场的影响
    • 对于磁场干扰只能远离干扰源
  • 不能发现的缺陷:局部的老化劣化、局部损坏、个别的绝缘弱点

绝缘耐压实验

  • 冲击电压发生器的基本原理
    • 单级:左边那个电容充电,然后球隙击穿之后放电给右边那个电容充电,形成了波前;右边那个电容充电到峰值之后就和左边那个电容一起放电形成波尾。

      左边的电容与那个并联到电路里面的电阻要比右边的电容与串联到电路中的电阻要大得多,以便形成快速上升的波前与缓慢下降的波尾。

    • 多级:并联充电;串联放电

  • 内绝缘:雷电冲击耐压实验3次冲击法,三次正极性与三次负极性
  • 外绝缘:15次冲击法,闪络不超过2次就合格

Chapter 5 :: 线路与绕组中的波过程

计算题1个、多选1个、填空1个

波阻抗与波速

  • \[\nu = \frac{dx}{dt} = \frac{1}{\sqrt{L_0C_0}}\]
  • \[Z = \frac{U}{I} = \sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\]
  • 波阻抗大小与导线任何尺寸及特地高度有关(越粗越小,越高越大)

波的折反射

电压的折反射

  • 系数的计算 \[\alpha = \frac{2Z_2}{Z_1+Z_2}\] \[\beta = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_1 + Z_2}\]
  • 电压的计算 \[u_{2q} = \alpha u_{1q}\] \[u_{1f} = \beta u_{1q}\]

电流的折反射

不用记忆这个公式,只要记住规律是:

  • 对于前行波,有\[\frac{u_q}{i_q} = Z\]
  • 对于反行波,有\[\frac{u_f}{i_f} = -Z\]

便可以根据计算得到的电压计算对应的电流了

串联电容与并联电阻的作用

  • 直角波通过串联电感或者并联电容后,其波形变为指数波头的行波,波头的陡度降低,稳态值不变。
  • 对于波阻抗很大的设备,串联电感效果不如并联电容

Chapter 6 & 7 :: 雷电及防雷保护装置 & 电力系统防雷保护

判断题3个、填空题8个、名词解释3个、简答题2个、计算题1个

雷电参数

防雷计算中使用的波形:\(2.6/40\mu s\)

雷电活动特性

  • 雷暴日:一年中能听见雷电的日数

  • 雷暴小时:一年中能够听见雷电的小时数;一个雷暴日折合约为3个雷暴小时

  • 雷暴日超过90天为强雷区、超过40为多雷区、等于小于15为少雷区

  • 地面落雷密度\(\gamma\): 每个雷暴日 每平方千米地面 遭受雷击的次数;雷暴日为40的地区一般\(\gamma\)是0.07

避雷针的保护范围

  • 避雷针的组成:接闪器、引下线、接地体
  • 保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围
  • 保护范围一般被认为是一个折线,避雷针的高度的一半以上与以下的保护范围线的斜率不一样

采用折线法进行计算

只记录一根针和两根针的,其它的情况考到就求老师给个及格吧

  • 单根针

    \[\left.\{\begin{matrix} r_x &= (h - h_x)p &, (h \ge \frac{h}{2}) \\\
    r_x &= (1.5h - 2h_x)p &, (h < \frac{h}{2}) \end{matrix}\right.\] 当 \(30m < h \le 120m\)时,\[p = \frac{5.5}{\sqrt{h}}\]

  • 两根针

    两针保护范围上部边缘的最低点的高度计算方法为: \[h_0 = h - \frac{D}{7p}\]

避雷线

感应雷过电压

  • 特点

    • 感应雷过电压极性与雷极性正好相反
    • 只可能会引起35kV以下电压等级的线路闪络
    • 避雷线具有屏蔽作用,可以降低感应雷过电压
    • 波形平缓
    • 同时影响三相电压
  • 影响因素

    • 雷电流幅值越高,电压越高
    • 导线越高,对地电容越小,电压越高
    • 雷击点距离导线越近,电压越高

直击雷过电压

击中杆塔

  • 击杆率

    雷击杆塔与雷击线路的总次数的比值

  • 反击

    强大的雷电流在杆塔和接地电阻上的压降使得横担处的电位高于导线的电位,对应产生绝缘子的闪络

击中线路

  • 保护角

    避雷线与边相导线的连线与经过避雷线的垂直线之间的夹角;保护角越小效果越好

  • 绕击

    • 定义:雷电绕过避雷线击于导线
    • 绕击几率:山区大于平原
  • 引起跳闸的条件

    • 雷电流超过耐雷水平,以引起冲击闪络
    • 闪络转化成工频电弧
  • 建弧率

    冲击闪络转化为工频电弧的概率

  • 耐雷水平

    雷击线路时,尚不至于发生闪络现象的最大雷电电流幅值;或能引起闪络的最小雷电电流幅值

  • 雷击跳闸率

    当雷暴日数为\(T_d = 40\)的情况下、100km的线路 每年 因为雷击而引起的跳闸次数

避雷器

  • 概念:与电气设备并联的装置,过电压超过某一值时,避雷器就动作。

总体要求:

  • 伏秒特性
  • 快速切断工频续流
  • 泄露电流小
  • 不产生截波

保护间隙

过电压下,间隙击穿,线路接地,从而保护了设备。

  • 缺点:

    • 会产生截波
    • 伏秒特性陡
    • 自熄弧能力有限
    • 动作分散性大
  • 优点

    便宜

管型避雷器

又称排气式避雷器,内层为产气管

  • 缺点

    • 伏秒特性陡
    • 会产生截波
  • 优点

    熄弧能力强

阀型避雷器

间隙与碳化硅电阻阀片,分为普通型与磁吹型

  • 优点

    • 伏秒特性平
    • 灭弧能力强
    • 不会产生截波
  • 残压的概念

    冲击电流(220kV以下取5kA,330kV以下取10kA)通过避雷器时,在阀片上产生的电压降

金属氧化物型

  • 优点

    • 体积小
    • 保护特性优越:具有良好的伏安特性
    • 无续流,动作负载轻
    • 通流容量大
    • 耐污性能好

接地

接地体

进入地中直接与土壤接触的金属导体

接地引下线

电力系统或电力设备的某部分与接地体连接的金属导体

接地的分类

工作接地、保护接地、防雷接地

接地电阻

包括接地引线的电阻、接地体本身的电阻、接地体与土壤的接触电阻、以及大地的溢流电阻

稳态电阻

接地体到地下远处零位面之间的电压\(u_e\)与流过的工频或直流电流\(i_e\)之比

冲击接地电阻

流经冲击大电流时呈现的电阻

火花效应与电感效应

当雷电流流过接地装置的时候,会产生火花效应与电感效应

防雷措施

  • 避雷线
  • 降低杆塔接地电阻
  • 架设耦合地线
  • 加强绝缘
  • 架设线路用避雷器
  • 采用消弧线圈接地方式
  • 采用不平衡绝缘
  • 装设自动重合闸

发电厂与变电站的防雷

  • 对于直击雷:装避雷针
  • 对于线路来波:避雷器、距离效应
  • 进线段保护:在监控变电站1-2km的一段线路上加强防护

GIS(气体绝缘变电所)的防雷特点

  • 伏秒特性平坦,绝缘水平主要取决于雷电冲击水平
  • GIS中结构紧凑,被保护设备与避雷器相距近
  • 波阻抗一般只有60~100\(\Omega\),入侵波折射后幅值与陡度变小
  • 内部绝缘大多为稍不均匀电场结构,一旦出现电晕,立即会被击穿

Chapter 8 :: 电力系统内部过电压

多选1个、填空3个

我选择放弃。。。

分类

内部过电压 暂时过电压 工频过电压
谐振过电压
操作过电压 断续电弧接地过电压
切断空载线路过电压
空载线路合闸过电压
切断空载变压器过电压

Chapter 9 :: 绝缘配合