全國注冊電氣工程師考試專業(yè)基礎部分過電壓及絕緣1.過電壓相關概念及分類過電壓是指電力系統(tǒng)中出現的超過正常運行電壓的電壓升高現象。主要分為外部過電壓（雷電過電壓）和內部過電壓。雷電過電壓又分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。直擊雷過電壓是雷電直接擊中電氣設備或線路產生的過電壓；感應雷過電壓是雷電放電時，在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應形成的過電壓。內部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓，操作過電壓是由于電網內開關操作、故障或其他原因引起的過渡過程中的過電壓，如切除空載線路過電壓、空載線路合閘過電壓等；暫時過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓，工頻過電壓是由于系統(tǒng)的電容效應、接地故障等原因引起的工頻電壓升高，諧振過電壓是由于系統(tǒng)中電感和電容參數匹配不當，在某些特定條件下產生諧振而引起的過電壓。2.雷電過電壓計算2.1直擊雷過電壓計算設雷電流為(i=I_msinomegat)（(I_m)為雷電流幅值），當雷電擊中高度為(h)的物體時，物體上的直擊雷過電壓(U)可近似表示為(U=Lfrac{di}{dt}+Ri)，其中(L)為物體的電感，(R)為物體的接地電阻。一般情況下，雷電流波頭時間(T_1)約為1-4μs，波長時間(T_2)約為40-200μs。例如，已知雷電流幅值(I_m=100kA)，波頭時間(T_1=2mus)，物體電感(L=10muH)，接地電阻(R=5Omega)，在波頭時間內，(frac{di}{dt}=frac{I_m}{T_1})，則(U=Lfrac{I_m}{T_1}+RI_m=10times10^{-6}timesfrac{100times10^{3}}{2times10^{-6}}+5times100times10^{3}=500times10^{3}+500times10^{3}=1000kV)。2.2感應雷過電壓計算當雷擊于線路附近地面時，導線上的感應雷過電壓最大值(U_{g})可按下式計算：(U_{g}=25frac{I}{h})（(I)為雷電流幅值，(h)為導線平均對地高度）。例如，雷電流幅值(I=50kA)，導線平均對地高度(h=10m)，則(U_{g}=25timesfrac{50}{10}=125kV)。3.操作過電壓分析3.1切除空載線路過電壓切除空載線路時，由于斷路器的截流現象和重燃現象會產生過電壓。截流是指斷路器在開斷小電流時，在電流自然過零之前就提前切斷電流，從而使電感中的磁能轉化為電容上的電能，引起過電壓。設線路的電感為(L)，電容為(C)，截流前電流為(i_0)，則截流后電容上的過電壓(U_{c}=sqrt{frac{L}{C}}i_0)。例如，(L=100mH)，(C=0.01muF)，截流前電流(i_0=10A)，則(U_{c}=sqrt{frac{100times10^{-3}}{0.01times10^{-6}}}times10=sqrt{10^{10}}times10=10^{5}times10=1000kV)。重燃是指斷路器觸頭間的電弧在電流過零熄滅后又重新點燃，導致多次的能量轉換，使過電壓進一步升高。3.2空載線路合閘過電壓空載線路合閘時，由于線路電容的充電過程會產生過電壓。當合閘瞬間電源電壓達到最大值時，產生的過電壓最大。設電源電壓(u=U_msin(omegat+alpha))（(alpha)為合閘相位角），線路電容為(C)，電感為(L)，在最不利情況下（(alpha=90^{circ})），合閘過電壓最大值(U_{max}=2U_m)。例如，電源電壓有效值(U=110kV)，則(U_m=sqrt{2}times110kV)，(U_{max}=2sqrt{2}times110kVapprox311kV)。4.暫時過電壓分析4.1工頻過電壓工頻過電壓主要由線路電容效應、接地故障等引起。線路電容效應是指輸電線路的電容電流在線路電感上產生的電壓降，使線路末端電壓升高。設線路長度為(l)，單位長度電容為(C_0)，單位長度電感為(L_0)，線路首端電壓為(U_1)，末端電壓為(U_2)，則(U_2=U_1cosbetal+frac{I_1}{omegaC_0}sinbetal)（(beta=omegasqrt{L_0C_0})為相位系數）。例如，對于長度(l=200km)的架空線路，(L_0=1.2times10^{-3}H/km)，(C_0=8times10^{-9}F/km)，(omega=314rad/s)，(beta=omegasqrt{L_0C_0}=314sqrt{1.2times10^{-3}times8times10^{-9}}approx0.00098rad/km)，若首端電壓(U_1=220kV)，在一定條件下可計算出末端電壓(U_2)。當發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓會升高，在中性點不接地系統(tǒng)中，非故障相電壓升高為線電壓，即(sqrt{3}U_{varphi})（(U_{varphi})為相電壓）。4.2諧振過電壓諧振過電壓分為線性諧振過電壓、鐵磁諧振過電壓和參數諧振過電壓。線性諧振過電壓是由系統(tǒng)中電感和電容參數在特定頻率下發(fā)生諧振引起的，例如在串聯諧振電路中，當電源頻率等于電路的諧振頻率(f_0=frac{1}{2pisqrt{LC}})時，電路中的電壓會升高。鐵磁諧振過電壓是由于鐵芯電感的非線性特性引起的，當鐵芯飽和時，電感值會發(fā)生變化，容易引發(fā)諧振。參數諧振過電壓是由于系統(tǒng)中電感或電容參數隨時間周期性變化而引起的諧振。5.絕緣配合概念及方法絕緣配合是根據電氣設備在系統(tǒng)中可能承受的各種電壓，并考慮過電壓的保護裝置的特性和設備的絕緣特性，合理地確定設備的絕緣水平，以保證設備在運行中能可靠地工作。絕緣配合的方法主要有慣用法和統(tǒng)計法。慣用法是根據經驗和運行統(tǒng)計資料，確定設備的絕緣水平，通常是取設備可能承受的最大過電壓乘以一個安全系數作為設備的絕緣耐受電壓。統(tǒng)計法是基于過電壓和絕緣放電的統(tǒng)計特性，通過計算設備在運行中發(fā)生絕緣故障的概率，來確定設備的絕緣水平，使絕緣故障概率控制在允許范圍內。6.電氣設備絕緣特性6.1氣體絕緣特性氣體絕緣材料主要是空氣、SF?等?？諝獾膿舸╇妷号c電場均勻程度、氣體壓力、電極形狀等因素有關。在均勻電場中，空氣的擊穿場強約為30kV/cm（標準大氣壓和溫度下）。SF?氣體具有優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能，其擊穿場強約為空氣的2.5-3倍。例如，在相同的電極結構和電壓作用下，SF?氣體間隙的擊穿電壓比空氣間隙高很多。6.2液體絕緣特性常用的液體絕緣材料有變壓器油等。變壓器油的擊穿電壓與油中的雜質、水分等因素有關。純凈的變壓器油擊穿場強較高，當油中含有水分和雜質時，擊穿場強會明顯降低。例如，新的變壓器油擊穿電壓可達40-50kV/2.5mm，而含有水分和雜質的變壓器油擊穿電壓可能只有10-20kV/2.5mm。6.3固體絕緣特性固體絕緣材料如云母、橡膠、塑料等。固體絕緣的擊穿分為電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。電擊穿是在強電場作用下，固體絕緣中的自由電子獲得足夠能量，撞擊其他原子產生碰撞電離，導致絕緣擊穿，電擊穿時間很短，一般在納秒到微秒級。熱擊穿是由于絕緣在電場作用下產生的熱量不能及時散發(fā)，使絕緣溫度升高，導致絕緣材料的性能下降而擊穿，熱擊穿時間相對較長，從秒到小時不等。電化學擊穿是在電場和化學因素的共同作用下，絕緣材料發(fā)生老化、變質而擊穿。7.過電壓及絕緣相關試題及答案分析試題1雷電過電壓包括（）A.直擊雷過電壓和感應雷過電壓B.操作過電壓和暫時過電壓C.工頻過電壓和諧振過電壓D.切除空載線路過電壓和空載線路合閘過電壓答案：A分析：雷電過電壓分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓，B選項是內部過電壓分類，C選項屬于暫時過電壓分類，D選項屬于操作過電壓。試題2當雷擊于線路附近地面時，導線上的感應雷過電壓最大值(U_{g})與（）有關。A.雷電流幅值和導線平均對地高度B.雷電流波頭時間和導線長度C.雷電流波長時間和導線截面積D.雷電流幅值和線路電感答案：A分析：根據感應雷過電壓計算公式(U_{g}=25frac{I}{h})，可知與雷電流幅值(I)和導線平均對地高度(h)有關。試題3切除空載線路時，產生過電壓的原因是（）A.線路電容效應B.截流現象和重燃現象C.鐵磁諧振D.參數諧振答案：B分析：切除空載線路過電壓是由斷路器的截流現象和重燃現象引起的，A選項是工頻過電壓原因，C和D選項是諧振過電壓類型。試題4在中性點不接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓升高為（）A.相電壓B.線電壓C.2倍相電壓D.3倍相電壓答案：B分析：在中性點不接地系統(tǒng)中，單相接地故障時非故障相電壓升高為線電壓，即(sqrt{3}U_{varphi})。試題5下列屬于氣體絕緣材料的是（）A.變壓器油B.云母C.空氣D.橡膠答案：C分析：空氣是氣體絕緣材料，變壓器油是液體絕緣材料，云母和橡膠是固體絕緣材料。試題6固體絕緣的電擊穿特點是（）A.擊穿時間長B.與溫度有關C.擊穿場強高D.與電場均勻程度無關答案：C分析：固體絕緣電擊穿時間短，擊穿場強高，與溫度關系不大，與電場均勻程度有關。試題7已知雷電流幅值(I=80kA)，導線平均對地高度(h=15m)，則導線上的感應雷過電壓最大值(U_{g})為（）A.120kVB.133.3kVC.200kVD.240kV答案：B分析：根據(U_{g}=25frac{I}{h}=25timesfrac{80}{15}approx133.3kV)。試題8在串聯諧振電路中，當電源頻率等于電路的諧振頻率時，電路中的（）A.電流最小B.電壓最小C.電壓升高D.電流和電壓都不變答案：C分析：串聯諧振時，電路中的電壓會升高。試題9下列過電壓中，屬于內部過電壓的是（）A.直擊雷過電壓B.感應雷過電壓C.操作過電壓D.雷電反擊過電壓答案：C分析：內部過電壓包括操作過電壓和暫時過電壓，A、B、D選項屬于雷電過電壓。試題10線路電容效應會使線路（）A.首端電壓升高B.末端電壓升高C.首端和末端電壓都不變D.首端和末端電壓都降低答案：B分析：線路電容效應會使線路末端電壓升高。試題11鐵磁諧振過電壓是由于（）引起的。A.鐵芯電感的非線性特性B.線路電容效應C.截流現象D.參數周期性變化答案：A分析：鐵磁諧振過電壓是由鐵芯電感的非線性特性引起的。試題12在標準大氣壓和溫度下，空氣在均勻電場中的擊穿場強約為（）A.3kV/cmB.30kV/cmC.300kV/cmD.3000kV/cm答案：B分析：在標準大氣壓和溫度下，空氣在均勻電場中擊穿場強約為30kV/cm。試題13空載線路合閘過電壓的最大值在合閘瞬間電源電壓（）時出現。A.為零B.達到最大值C.為有效值D.為平均值答案：B分析：空載線路合閘過電壓在合閘瞬間電源電壓達到最大值時最大。試題14當發(fā)生線性諧振時，電路的頻率等于（）A.電源頻率B.電路的諧振頻率C.2倍電源頻率D.0.5倍電源頻率答案：B分析：線性諧振時，電源頻率等于電路的諧振頻率(f_0=frac{1}{2pisqrt{LC}})。試題15變壓器油的擊穿電壓與（）有關。A.油的顏色B.油中的雜質和水分C.油的體積D.油的密度答案：B分析：變壓器油擊穿電壓與油中的雜質和水分有關。試題16下列屬于暫時過電壓的是（）A.切除空載線路過電壓B.直擊雷過電壓C.工頻過電壓D.感應雷過電壓答案：C分析：暫時過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓，A選項是操作過電壓，B和D選項是雷電過電壓。試題17固體絕緣的熱擊穿與（）有關。A.電場均勻程度B.溫度C.電壓作用時間D.以上都是答案：D分析：固體絕緣熱擊穿與電場均勻程度、溫度和電壓作用時間都有關。試題18在計算直擊雷過電壓時，公式(U=Lfrac{di}{dt}+Ri)中，(L)表示（）A.接地電阻B.物體電感C.線路電感D.電容電感答案：B分析：公式中(L)為物體電感。試題19參數諧振過電壓是由于（）引起的。A.鐵芯電感的非線性B.系統(tǒng)中電感或電容參數隨時間周期性變化C.線路電容效應D.截流現象答案：B分析：參數諧振過電壓是由于系統(tǒng)中電感或電容參數隨時間周期性變化引起的。試題20在均勻電場中，空氣的擊穿場強與（）有關。A.氣體壓力B.電極形狀C.電壓作用時間D.以上都是答案：D分析：空氣在均勻電場中的擊穿場強與氣體壓力、電極形狀和電壓作用時間都有關。試題21當雷擊于線路附近地面時，若雷電流幅值增大，導線上的感應雷過電壓最大值（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：A分析：根據(U_{g}=25frac{I}{h})，雷電流幅值(I)增大，感應雷過電壓最大值(U_{g})增大。試題22切除空載線路時，截流現象會使（）A.電感中的磁能轉化為電容上的電能B.電容中的電能轉化為電感上的磁能C.線路電容效應增強D.鐵磁諧振發(fā)生答案：A分析：截流現象使電感中的磁能轉化為電容上的電能，引起過電壓。試題23在中性點直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，故障相電壓（）A.升高B.降低C.不變D.為零答案：D分析：在中性點直接接地系統(tǒng)中，單相接地故障時故障相電壓為零。試題24下列不屬于絕緣配合方法的是（）A.慣用法B.統(tǒng)計法C.經驗法D.以上都不是答案：C分析：絕緣配合方法有慣用法和統(tǒng)計法。試題25在計算空載線路合閘過電壓時，最不利情況是合閘瞬間電源電壓（）A.相位角為(0^{circ})B.相位角為(90^{circ})C.相位角為(180^{circ})D.相位角為(270^{circ})答案：B分析：空載線路合閘過電壓最不利情況是合閘瞬間電源電壓相位角為(90^{circ})。試題26固體絕緣的電化學擊穿是在（）共同作用下發(fā)生的。A.電場和磁場B.電場和化學因素C.磁場和化學因素D.溫度和電場答案：B分析：固體絕緣的電化學擊穿是在電場和化學因素共同作用下發(fā)生的。試題27在串聯諧振電路中，諧振頻率與（）有關。A.電阻B.電感和電容C.電壓D.電流答案：B分析：串聯諧振頻率(f_0=frac{1}{2pisqrt{LC}})，與電感(L)和電容(C)有關。試題28在計算線路電容效應引起的末端電壓升高時，公式(U_2=U_1cosbetal+frac{I_1}{omegaC_0}sinbetal)中，(beta)表示（）A.相位系數B.功率因數C.頻率D.波速答案：A分析：公式中(beta=omegasqrt{L_0C_0})為相位系數。試題29SF?氣體的絕緣性能比空氣（）A.差B.好C.一樣D.不確定答案：B分析：SF?氣體絕緣性能優(yōu)異，比空氣好。試題30在切除空載線路時，重燃現象會使過電壓（）A.降低B.不變C.升高D.先降低后升高答案：C分析：重燃現象導致多次能量轉換，使過電壓進一步升高。試題31在中性點不接地系統(tǒng)中，若發(fā)生單相接地故障，故障相接地電流為（）A.零B.電容電流C.電感電流D.短路電流答案：B分析：中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時，故障相接地電流為電容電流。試題32鐵磁諧振過電壓的特點是（）A.頻率固定B.與鐵芯飽和程度無關C.可能出現高次諧波D.不會持續(xù)存在答案：C分析：鐵磁諧振過電壓可能出現高次諧波，頻率不固定，與鐵芯飽和程度有關，可能持續(xù)存在。試題33在計算感應雷過電壓時，若導線平均對地高度降低，感應雷過電壓最大值（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：A分析：根據(U_{g}=25frac{I}{h})，導線平均對地高度(h)降低，感應雷過電壓最大值(U_{g})增大。試題34在串聯諧振電路中，當發(fā)生諧振時，電路的阻抗（）A.最大B.最小C.不變D.先增大后減小答案：B分析：串聯諧振時，電路阻抗最小，(Z=R)。試題35變壓器油的絕緣性能會隨著（）而降低。A.溫度降低B.水分和雜質增加C.壓力增大D.電壓作用時間縮短答案：B分析：變壓器油中水分和雜質增加會降低其絕緣性能。試題36在計算直擊雷過電壓時，若接地電阻增大，直擊雷過電壓（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：A分析：根據(U=Lfrac{di}{dt}+Ri)，接地電阻(R)增大，直擊雷過電壓(U)增大。試題37操作過電壓的持續(xù)時間一般為（）A.微秒級B.毫秒級C.秒級D.分鐘級答案：B分析：操作過電壓持續(xù)時間一般為毫秒級。試題38在均勻電場中，空氣的擊穿場強隨氣體壓力增大而（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：A分析：在均勻電場中，空氣擊穿場強隨氣體壓力增大而增大。試題39在計算空載線路合閘過電壓時，若線路電容增大，合閘過電壓（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小答案：A分析：空載線路合閘過電壓與線路電容有關，電容增大，過電壓可能增大。試題40固體絕緣的電化學擊穿通常發(fā)生在（）A.電壓作用初期B.電壓作用中期C.電壓作用后期D.任何時期答案：C分析：固體絕緣電化學擊穿通常發(fā)生在電壓作用后期，是絕緣材料老化、變質的結果。試題41在中性點不接地系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地故障時，三相線電壓（）A.不對稱B.對稱C.升高D.降低答案：B分析：中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時，三相線電壓仍對稱。試題42參數諧振過電壓可能在（）系統(tǒng)中發(fā)生。A.直流B.交流C.交直流混合D.以上都可能答案：B分析：參數諧