高电压技术答案总复习资料1

一、填空题（40%）

1.电介质的极化有四种基本类型，其中在电场作用下所有电介质中都存在的极化类型是

电子位移极化；由离子结合成的电介质在电场作用下还存在离子位移极化；只在极性电介质中存在的极化类型称为(偶极子)转向极化；由于两层（多层）电介质而在界面上堆积带电质点形成电矩的极化现象称为夹层介质界面极化（空间电荷极化）。

2.对于具有相同极间距（在相同电介质中）的①正极性针尖—平板电极系统、②负极性

针尖—平板电极系统、③平板—平板电极系统而言，按工频击穿电压从高到低的顺序排列为：③>②>①。

极性效应

(1).正棒---负板,分析： a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕

放电难以形成，造成电晕起始电压提高。b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压

(2).负棒---正板,分析： a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场

强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电压较高。

结论：在相同间隙下

正捧-----负板负捧-----正板

电晕起始高低

间隙击穿压低高

3.气体中带电质点的产生方式有电子或正离子与气体分子的碰撞电离、各种光辐射（光

电离）、和高温下气体中的热能（热电离）。

4.一般的，电介质极化分为以下四种基本类型：电子位移极化、离子位移极化、(偶极子)

转向极化、夹层介质界面极化（空间电荷极化）。其中(偶极子)转向极化、夹层介质界面极化（空间电荷极化）伴随着能量的损耗。

5.汤逊理论认为，碰撞游离和正离子撞击阴极造成的表面电离是形成自持放电的主

要因素。

6.雷电冲击50%击穿电压是指气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。多次施加电压

（波形1.2/50 s）中，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性。。

7.绝缘电阻试验不能发现设备的下列绝缘缺陷绝缘中的局部缺陷（如非贯穿性的局部损

伤、含有气泡、分层脱开等）、绝缘的老化。

?双层介质模型

若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮

电阻R1、R2显著降低、泄漏电流大大增加，时间常数τ大

为减小吸收电流迅速衰减

若绝缘内部部分受潮

R1与R2中的一个数值降低时间常数τ也会大为减小吸收

电流仍会迅速衰减.

测量绝缘电阻能有效发现下列缺陷

(1)总体绝缘质量欠佳

(2)绝缘受潮

(3)两极间有贯穿性的导电通道

(4)绝缘表面情况不良（比较有或无屏蔽极时所测得的值即可知

二、问答题（40%）

1.变压器油受潮及混入杂质时，油间隙的工频击穿电压降低很多，为什么？在工程上采取

哪些提高击穿电压的措施？

◆解:非纯净液体电介质的小桥击穿理论: 纤维(杂质)电场力的作用下，在电场方向定向，

并逐渐沿电力线方向排列成杂质的“小桥;水分及纤维(杂质)等的电导大，引起泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化、气泡扩大:液体电介质最后在气体通中发生击穿。

变压器油受潮及混入杂质时，可以看成杂质与油间隙的串联，因为场强的分布与介质

的介电常数成反比，气泡ε

r =1，小于液体的ε

r

，承担比液体更高的场强，而气体耐电

强度却低，因此，气泡先行电离，当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生。

◆工程上提高液体电介质击穿电压的方法：提高以及保持油的品质；覆盖层；绝缘层; 极

间障。

◆提高以及保持油的品质（过滤：除去纤维、水分、有机酸，防潮：制造、检修，祛气：

除去水分和气体，防尘）；覆盖层（材料：1m m的固体绝缘薄层。漆膜、胶纸带、漆布带作用机理：阻碍杂质小桥中热击穿的发展，适用情况：油品质越差，电场越均匀，电压作用时间越长，则覆盖层的效果越显著）；绝缘层（材料：厚可达几十毫米的固体绝缘层，作用机理：覆在曲率半径较小的电极上，降低这部分空间的场强，且固体绝缘层的耐电强度也较高，不易造成局部放电，适用情况：不均匀电场中（变压器高压引线和屏蔽环、充油套管的导电杆包有绝缘层）：极间障（材料：厚度为2~7m m的固体绝缘板，纸板、胶纸、胶布层压板，作用机理：能机械地阻隔杂质小桥，改善电场分布，适用情况：不均匀电场中效果显著，较均匀电场中也有效果）

2.在过电压保护中对避雷器有哪些要求？这些要求是怎样反映到阀式避雷器的电气特性

参数上来的？这些参数如何反映避雷器的性能优越？试全面比较阀式避雷器与氧化锌避雷器的性能。

解：避雷器是限制过电压从而使与之相并联电气设备绝缘免受过电压作用的器件。

对避雷器的第一个要求是能将过电压限制到电气设备绝缘耐受的数值，这就要求避雷器的最大残压（残压为冲击电压作用下，流过避雷器的冲击电流在避雷器上的压降）应低于设备绝缘的冲击耐压值。对于阀式避雷器还需要保证避雷器的伏秒特性（取决于放电间隙）与被保护设备绝缘的伏秒特性有正确的配合，以免发生电气设备绝缘先于避雷器间隙放电前发生击穿。避雷器仅满足上述要求还是不够的，

对避雷器的第二个要求是应在过电压作用结束后，能迅速截断随后发生的工频续流以不致于发生工频短路引起跳闸而影响正常供电。阀式避雷器与氧化锌避雷器利用阀片电阻在工频电压下电阻很大的非线性特性使工频续流能在第一次过零时就切断。

对避雷器的第三个要求是避雷器（阀式和氧化锌）还应具有一定的通流以免发生热过度而造成瓷套爆裂。阀式避雷器与氧化锌避雷器的工作原理相同，且都能避免在被保护设备上产生截波，但由于两者采用的非线性阀片电阻材料不同，表征阀式避雷器与氧化锌避雷器的电气参数和性能有所不同。

◆两种避雷器的电气参数有以下不同：

1)阀式避雷器

冲击放电电压和残压（一般两者数值相同）是衡量限制过电压能力的参数，

其数值越低对被保护设备绝缘越有利。灭弧电压是保证避雷器可靠灭弧（即

截断工频续流）的参数，避雷器安装点可能出现的最高工频电压应小于灭弧

电压。工频放电电压是保证阀式避雷器不在内过电压下动作的参数。体现阀

式避雷器保护性能与灭弧性能的综合参数是保护比（残压与灭弧电压之比）

和切断比（工频放电电压与灭弧电压之比）。

2)氧化锌避雷器

残压（雷电冲击残压、操作冲击残压、陡坡冲击残压）是衡量氧化锌避雷器

对不同冲击过电压限压能力的参数。持续运行电压和额定电压是保证氧化锌

避雷器可靠运行所允许的最大工频持续电压和最高工频电压（非持续性）。

1mA下直流和工频参考电压是反应氧化锌避雷器热稳定性及寿命的参数。荷电

率（持续运行电压峰值与参考电压之比）是表征氧化锌阀片电阻在运行中承

受电压负荷的指标。

◆两种避雷器的性能有以下不同：

1)保护性能。由于氧化锌避雷器的发片电阻非线性更好以及一般没有放电间隙，

氧化锌避雷器抑制过电压的能力要比阀式避雷器好。

2)适用范围。阀式避雷器阀片的通流容量较小。所以一般只适用于限制雷电过

电压以及过电压能量较小的内部过电压（如切空载变压器过电压），而氧化

锌避雷器不仅可限制雷电过电压，由于阀片通流容量大，所以也可以用以限

制内部过电压（如切合空载线路过电压）；阀式避雷器动作后工频电弧的熄

灭要依赖于工频续流的过零，但在直流系统中无这种过零，所以阀式避雷器

就不能用于直流系统，氧化锌避雷器就不能用于直流系统，氧化锌避雷器工

频续流的切断是依靠阀片电阻优良的非线性（在工频电压下电阻异常的大），

所以可用于直流系统中。

3)运行环境的影响作用。阀式避雷器有放电间隙，间隙放电电压的分散性使阀

式避雷器性能易受温度、湿度、气压、污秽等环境条件的影响，而氧化锌避

雷器由于无放电间隙，所以不会受到这些运行环境的影响。

4)维护与监测：氧化锌避雷器维护简单，省去了放电间隙定期清理。氧化锌避

雷器具有各种优点，但运行过程中由于没有放电间隙隔离工频工作电压而应

注意发片电阻的老化问题，所以应定期检测氧化锌避雷器的工频泄漏电流，

尤其是工频泄漏电流中的阻性电流分量（其大小直接反映出阀片电阻的老化

程度）

3. 变压器油中含有气泡时，因其 εr =1小于液体的εr

，使气泡中的电场较油中的 大，而气泡的 耐电强度（击穿电压）比油的耐电强度（击穿电压）小，故导致油间隙的击穿电压 下降。

4. 请画出正弦交变电场作用下电介质的等效电路，为什么测量高压电气设备的绝缘电阻

时，需要按标准规范的时间下录取，并同时记录温度？

解：在正弦交变电场作用下，电介质的等效电路为

C g ：代表介质的几何电容及无损极化过程，流过的电流i g ；

C p --R p ：代表有损极化电流支路，流过电流i p ；

R lk ：代表电导电流支路，流过的电流为i lk 。

如绝缘良好，则R lk 和R p 的值都比较大，这就不仅使稳

定的绝缘电阻值（就是R lk 的值）较高，而且要经过校长的时

间才能达到此稳定值（因中间串联支路的时间常数较大)。

如绝缘受潮，或存在穿透性的导电通道，则不仅最后稳

定的绝缘电阻值R lk 很低，而且还会很快达到稳定值。

因此，用绝缘电阻随时间变化的关系来反映绝缘的状况。在测量中通常用记录加压60s 时的绝缘电阻与加压15s 时的绝缘电阻。两者的比值称为吸收比。

电介质绝缘的漏电导随温度上升而增大，近似于指数关系0t it G G e a =（G 0温度为0℃的绝缘电导；G it 为温度为t ℃的漏电导；α为温度系数），因此在测量漏电导（绝缘电阻）时应记录当时的温度。

并联等值电路

串等值电路

四、计算题（20%）

如图所示，Z =400Ω，l =120m ，α=30kV/μs 。今有一无限幅值的斜角波t t u α=)(沿波阻抗为Z 的导线向B 点运动。若t=0时波到达A 点，间隙JX 在t=2.4μs 时动作，试求：

1. JX 的动作电压；

2. B 点的最大电压；

3. 导线上的电压波形。

解：（1）JX 的动作电压；架空线7681204100.4100.4310l s s s c t m --D =

==??′ t=2.4μs 时， 2.430 2.472Aq t s u t kV m a ===?，2221u Z Z Z Z Z b -==+，

2.4(2)30 1.648Af t s u t kV m a t ==-D =?，4872120A JX u kV =+=

（2）B 点的最大电压；当 2.4S t 3,后，(2)(2)0A u t t t t a a t a a t 轾轾=+-D -+-D ?犏犏臌臌

，这就相当于线路上有3个波，1）原来的入射波；2)从B 点来的反射波；3） 2.4S t 3后，从A 点向两侧的波(2)2()t t a t a a t t 轾-+-D =--D 犏臌。在A 点左侧，2()a t t --D 到达的位置上，电压为零。在A 右侧，2()a t t --D 到达的位置上，电压为原来的入射波t a 加与t a 对应的反射波再加上2()a t t --D ，它的波形很复杂，需要针对不同的位置和不同的时间处理。当2()a t t --D 到达B 点，又会产生反射波（2221u Z Z Z Z Z b -==+），当反射波A 点又会产生反射（010u Z Z b -==-+）（二次入射），注意到(2)t t a a t 轾-

+-D 犏臌的符号和电压反射系数的符号，B 点电压的最大值，应在2(a t t --D 到达

B 点之前取得。2

2

max ( 2.4)( 2.4)B B l l u t u t v v t t =+D -D ==+-2(2.4)230 2.4144a kV t t =+D -D =创= 间隙动作时，2()(2.4)(2.40.4)23060Bq l u t a a kV v =-=-=?()16060Bf u t kV kV =?

（3）B 点的电压分布（可以画出AB 之间任何一点的电压分布）

2.4m =p t S

()0B u t =，0t t ?D

()()()2()B u t a t a t a t t t t =-D +-D =-D ，p t t t t D ?+D

max ()2(2.4)230 2.4144B p u t t a kV t t t =+D =+D -D =创=

()2()2(2)2(2)2(3)B u t a t a t a t a t t t t t =-D --D --D =--D ，3p p t t t t t +D ?+D ()2(3)2(4)2(4)2(5)B u t a t a t a t a t t t t t =--D +-D +-D =-D ，35p p t t t t t +D ?+D ()2(5)2(6)2(6)2(7)B u t a t a t a t a t t t t t =-D --D --D =--D ，57p p t t t t t +D ?+D ()2(7)2(8)2(8)2(9)B u t a t a t a t a t t t t t =--D +-D +-D =-D ，79p p t t t t t +D ?+D 令n=2k+1（k=1，2，3，4，……..），则有 ()0B u t =，0t t ?D

()()()2()B u t a t a t a t t t t =-D +-D =-D ，p t

t t t D ?+D max ()2(2.4)230 2.4144B p u t t a kV t t t =+D =+D -D =创=

1)(2(21)u a 轾=+D 犏臌，(21)(21)p p t k t

t k t t +-D ?++D ，1,2,3,4,k =L L

t(S m )