高电压工程试题 答案

高电压工程试题（2009年12月2日）

1． 沿面放电中导致滑闪放电的主要原因是什么，并加以解释。 (10分)

答：主要原因是极不均匀电场具有强垂直分量。当外施电压超过某一临界值后，线状火花中的带电粒子受电场法线分量的作用被紧压在介质表面上，同时在切线分量的作用下向另一电极方向运动，使介质表面局部发热。当外加电压超过某一临界值时，温度可高到足以引起气体的热电离，使通道中的带电粒子数量急剧增加，介质电导增大，使火花通道头部电场增强，火花通道迅速向前发展，形成树状火花。个别细线突然迅速伸长，转变为分叉的树枝状明亮的火花通道，这种树枝状放电并不固定在一个位置上，而是在不同的位置交替出现，因而称为滑闪放电。

2． 简述基于IEC61850协议的新一代变电站自动化系统的特点，分析智能GIS和PASS对新一

代变电站自动化系统的适应性。（10分） 答：IEC 61850系列标准共10大类、14个标准，具体名称不在这里赘述，读者可以很容易在网络上查找到，以下主要介绍一下IEC 61850的特点。 ①．定义了变电站的信息分层结构

变电站通信网络和系统协议 IEC 61850 标准草案提出了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为 3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口。

②．采用了面向对象的数据建模技术

IEC 61850 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED 同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（ACSI）和服务器通信可访问数据对象。 ③．数据自描述

该标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则；采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务，比如，获取和设定对象值的通信服务，取得对象名列表的通信服务，获得数据对象值列表的服务等。面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。

④. 网络独立性

IEC 61850 标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。在 IEC61850-7-2 中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户通过 ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。IEC 61850 标准使用 ACSI和 SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动 SCSM，而不需要修改 ACSI。

GIS 是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组

成的组合电器的简称,这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中,在其内部充有一定压力的SF6 绝缘气体,故也称SF6 全封闭组合电器。与常规变电站(AIS) 相比,GIS 具有如下优点:

1结构紧凑。220 kV GIS 占地面积仅为AIS 的10 % ,500 kV GIS 占地面积仅为AIS 的5 % ,这一点在地皮昂贵的城镇和密集的负荷中心和山区水电站尤为重要。2不受污染及雨、盐雾等大气环境因素的影响,因此,GIS 特别适合于工业污染和气候恶劣以及高海拔地区。3安装方便。GIS 一般是以整体或若干单元组成,可大大缩短现场安装工期。

PASS(Plug And Switch System) 是具有金属外壳的、气体绝缘的、内装有断路器、隔离开关、接地开关、电压/ 电流传感器的全封闭组合电器。PASS 反映了GIS 制造技术的最新成果。其主要特点概括如下:

1.采用了先进的组合式电压/ 电流传感器技术和组合式隔离开关/ 接地开关技术,使设备更加紧凑,体积更加小型化。

2.在测量、控制、保护系统中,采用了计算机技术,数字化技术,光纤通讯技术,支持数字式继电器,继电保护系统引入了微机处理和分段监控保护。 3.采用了预安装技术,整套设备在出厂前安装、调试完毕。设备运抵现场后,一个PASS 间隔在数小时之内即可安装完毕,实现了“即插即用”功能。

4.每一PASS 间隔配置1 台就地控制柜,内设控制及保护单元,即将二次技术集成化。

适应性：1 用于高电压、大容量变电站的新建。由于PASS 本身就是一个独立的间隔,通过不同的组合,可适用于双母线、1又1/2 接线、桥型接线、双母线加旁路等多种主接线方式。其中双母线加旁路的主接线方式欧洲采用的比较多。

2 用于老式变电站的扩建,当需要将敞开式AIS变电站增容升压而空间不足时,采用

PASS 不失为可行的方案。

3 用于老式变电站主要高压电器更新换代。当需要更换同一间隔中的断路器、隔离

开关、互感器时,可考虑用PASS 取代整个间隔而不必一对一更新设备。

4 对于枢纽变电站大修而又不允许停电或不允许长期停电时,可临时安装PASS ,大修

完毕,再将PASS 拆除,即将PASS 作为一个移动变电站使用,当然,也可以将PASS 作为大宗用户的临时电源。

3． 局部放电测量中所使用的设备要尽量采用无内部局部放电的设备，特别是试验电源和耦合

电容，否则将引起测量误差。图1为进行绝缘局部放电试验的原理接线图。HV为交流高压试验源，Z为低通滤波器，Cx为试品电容，其值为2000pF ，Ck为耦合电容，其值为200pF。由Cm和Rm组成检测阻抗。当HV达到一定的试验电压值时，若Ck上产生了局部放电量50pC，请问由此因素可误解为Cx上发生了多少视在局部放电量（需有推导说明）？(10分) 答：发生局部放电时，试品电容两端出现瞬时的电压降落，在检测回路中引起一高频脉冲，由于有低通滤波器阻隔，电源对此过程几乎不起作用，忽略检测阻抗上的压降，ck上的压降约等于cx上的压降，因而有：

cx的视在局部放电量q?cx2000?50pC??50?500pC。 ck2004． 为什么避雷器的灭弧电压有80％、100％和110％之分？它们各适用于哪种电压等级？(10

分)

答：在110kv以上的中性点有效接地电网中，可能出现的最大工频电压只等于电网额定（线）电压的80%；在35kv及一下的中性点非有效接地电网中，发生一相接地故障时仍能继续运行，但另外两健全相的相对电压会升为线电压，如这两相上的避雷器此时因雷击而动作，作用在它上面的最大工频电压将等于电网额定（线）电压的100%（中性点不接地系统）和110%（中性点经消弧线圈接地系统）。

5． 试校核用避雷器FZ-110J限制开断空载变压器时产生过电压的可能性。变压器参数为：电

压110/220kV，Y0/Y0接法，容量为120MVA，激磁电流为额定电流IN的5％，绕组每相对地电容为5000pF。避雷器参数为允许通过等值矩形电流波5kA（10?s），其残压为332kV。

（注：避雷器实际承受能量比允许通过的能量低一个数量级，则可以用避雷器进行防护）(10分)

答：变压器在系统额定电压un作用下空载激磁电流为：

120?106 IL?5%In?0.05??0.05??31.49A 33Un3?110?10snUn/3110?103/3??6.42H 变压器的激磁电感：LT??L314?31.49变压器在系统最大工作相电压Uxg作用下的最大空载激磁电流（有效值）为：

IL(m)1.15?110?103/3???36.23A ?L314?6.42Uxg最大可能截流值为：I0?36.23?2?51.24A

Umax?最大过电压极限值为：

LT26.42I0??51.242?1.836?106?1836kV ?12CT5000?10由此知避雷器FZ-110J可以限制开断此空载变压器。

6． 什么是开关选相操作技术？简述其抑制空载长线合闸过电压的原理。（10分）。

答：相控开关技术又称选相控制技术,其实质就是根据不同的负载特性,控制开关在电压或电流最有利的相位完成合闸或分闸,以缓解甚至消除开关分合过程所产生的过电压和涌流等电磁暂态过程,能有效提高开关的开断能力和系统稳定性,改善用户电能质量。

7． 利用避雷器来限制操作过电压时，对避雷器有什么特殊的要求？为什么普通阀式避雷器只

能用来限制切除空载变压器过电压？(10分) 答：基本要求：（1）具有良好的伏秒特性 避雷器与被保护设备之间应有合理的伏秒特性的配合，要求避雷器的伏秒特性比较平直、分散性小、避雷器伏秒特性的上限应不高于被保护设备伏秒特性的下线；（2）具有较强的绝缘自恢复能力 避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就会导致电压的突变，当冲击电压的作用结束后，工频电压继续作用在避雷器上，在避雷器中继续通过工频短路电流，它以电弧放电的形式出现，当工频短路电流第一次过零时，避雷器应具有能自行截断工频续流、恢复绝缘强度的能力，使电力系统能继续正常运行。

普通阀式避雷器没有专门的灭弧装置，就靠非线性电阻与火花间隙的配合来使电弧不能维持而熄灭，它们的灭弧能力和容量都是有限的，一般不容许它们在延续时间较长的内部过电压作用下动作，以免损坏，这样它们只能用来限制切除空载变压器过电压。

8． 什么是电力系统的绝缘配合？绝缘配合的惯用法、统计法和简化统计法有什么联系和区

别？(15分)

答：所谓电力系统的绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压（工作电压和过渡电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受性能，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维护费用和设备绝缘故障引起的事故损失达到经济上和安全运行上总体效益最高的目的，即必须从技术、经济的角度全面权衡。

三种方法的目的都是为了确定电气设备的绝缘水平，简化统计法实质上是利用有关参数的概率统计特性，但沿用惯用法计算程序的一种混合绝缘配合方法。在此基础上可以计算出在不同的统计安全系数下的绝缘故障率

惯用法是按作用在绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度的概念来配合的，即首先确定电气设备绝缘上可能出现的各类过电压的最大值，然后再根据运行经验，乘上一个考虑各种因素（如安装点与避雷器间的电器距离、避雷器和绝缘的老化、击穿电压的分散性、必要的安全裕度等）后的安全裕度系数（或称配合系数）来确定绝缘水平。

统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐压强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性后，用计算方法求出绝缘闪络电压的概率和线路的跳闸率，在技术比经济的基础上，确定绝缘水平。

简化统计法是对过电压和绝缘电气强度的统计规律作了某些假设，即假定它们都服从正态分布，而且已知它们的标准偏差，根据这个假定，它们的概率分布曲线P（U）和f（U）就可以用与某以参考概率相对应的点来表示，分别称为“统计过电压”和“统计耐受电压”，IEC推荐闪络高率为10%，即耐受概率为90%的电压为绝缘的统计耐受电压Uw，推荐采用过电压出现的概率为2%的过电压值未提及过电压Us。它们之间也由一个称为“统计安全系数?”的系数联系着?= Uw/ Us，在这个基础上，就可以很快的得到不同的统计安全系数?下绝缘的故障概率R，再按相应的统计安全系数?及系统的统计过电压Us确定设备适当的绝缘水平。

9． 绝缘设计是本课程的最终目的，绝缘设计最主要的是电场设计，即确定设备各部分所承受

的电压或电场，分析其波形，为此需要对电气设备的绝缘结构进行电场分析和优化设计。计算电场和电位可用解析计算法，或用测绘场图的实验方法，但这两种方法很难完成复杂绝缘结构的电场计算，更有效的方法是用计算机进行电场数值计算。常用的电场数值计算