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Chapter1 1-1 电气材料？主要有哪些种类？ 1) 电气材料是指在电力设备中应用的材料。 电气材料是 电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础，是电力设备安全可靠运行的基本保 证。 2) 根据其电 能，电气材料主要分为电介质绝缘材料、半导体材料、导电材料、磁性材料。 1-2. 电力设备？电力系统中的电力设备主要 有哪些类别？ 1. 电力设备是在电力系统中能够实现电能的生产、传输、变换、 分 、使用的设备的总称。 2. 电力设备的分类 a. 按电力先后顺序，分为：发电设备、变电设备、输电设备和用电设备。 b. 按在电力系统中所起的作用，分为：一次设备、二次设备。 c. 按技术重要程度，分为： 设备、辅助设备 d. 按经济价值差异，分为：大型贵重设备、普通设备。 1-3 电气材料的作用和地位? 1. 电气材料是 电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础，是电力设备安全可靠运行的基本保 证。随着导电材料、半导体材料、磁性材料和绝缘材料的发展，使人们得以在电磁场理论与量子力学的基础 上，设计制造出各种电力设备与器件，实现对电能产生、传输、变换及应用过程的控制，发展形成现代电力 工业并使之成为国民经济 脉。 2. 在电气工程技术领域中，电气材料始终占有不可替代的重要地位。各种电气新技术的产生，往往都要通过相 应的设备和器件来实现，设备和器件则需用各种材料进行制作。即使是原理上可行的新技术和新产品，如果 没有相应的材料，也都无法实现。 1-4 电力设备的作用和地位？ 1. 电力设备是电力系统的基本组成单元。 电力系统是由发电厂内的发电机、电力网内的变压器和输电线路以及各种用电设备按照一定的规律连接而组 成的 整体，电能生产、传输、变换、分配使用等多个环节都是通过电力设备来完成的。 2. 电力系统的安全稳定运行的关键在于电力设备的绝緣和由力设备的故障检测，电力设备的生产能力和技术水 平决定着电力系统运行的效率和质量。 1-5 电气材料与电力设备二者之间的发展关系？ 1. 在电气工程技术领域中，电气材料始终占有不可替代的重要地位。各种电气新技术的产生，往往都要通过相 应的设备和器件来实现，设备和器件则需用各种材料进行制作。即使是原理上可行的新技术和新产品，如果 没有相应的材料，也都无法实现。电气材料是 电力设备的基础物质，是实现电力设备各种功能的基础， 是电力设备安全可靠运行的基本保证。（列举导电、半导体、磁性、绝缘材料的发展促进电力设备发展的例 子） 2. 电力系统和电力设备发展也对于电气材料的发展提出了新的要求. （例如，特高压直流输电、环境友好绝缘 材料、纳米绝缘材料） 1 Chapter2 2-1请举例说明电气材料的结构与性能的关系？ 电气材料的结构对性能起决定性作用，各种材料之所以具有不同性能，是由于物质结构不同所致 举例 2-2如何描述原子的微观结构？ 1. 原子模型：“壳层模型”认为原子是由位于原子中心带正电的原子核和环绕核的带负电的电子云所组成。原子 核由质子和中子组成，每个质子带一个 正电荷，中子为电中性，原子核所带正电荷与核外电子云所带负 电荷相等，通常情况下整个原子呈电中性。原子的质量主要集中在原子核。 2. 电子运动：按照量子力学用统计的观点去认识电子在核外空间的几率分布。描述电子的运动状态时，需有四 个量子数 （n，l，m，ms） 3. 原子中的电子分布：可以用“泡利不相容原理”、“能量最小原理”和“ 原理”来描述。一般来说，原子中的 电子只能处于一系列特定的运动状态，所以在每—主壳层上就只能容纳一定数量的电子；同样，也不能将所 有的电子填入一个亚壳层中。原子中电子的分布主要由泡利不相容原理和能量最低原理来确定，并遵循 规则。 4. 原子中电子的得失：闭壳层外的最外亚壳层上的电子远离原子核，在原子相互作用中扮演重要角色。在化学 反应中，这些电子首先与相邻原子的外层电子发生相互作用，故最外层的电子亦称为“价电子”，决定元素的 化合价。例如，碱金属Li、Na、K等原子在闭壳层外有一个价电子，很易失去这个电子而成为一价正离子， 以形成稳定的闭壳层结构。 2-3分子是如何形成的？ 原子是由带正电的原子核和围绕其周围运动的带负电的电子所组成。当两个原子靠近时，相邻原子核及价电 子间产生相互作用，同时存在着方向相反的 和排斥力，在某一距离下两种作用力相互抵消，结果在两个原 子间形成稳定结合的化学键而生成一个分子。键的形成意味着两相连原子系统的能量必须小于两个分离原子的能 量，使分子的形成更稳定结构。 2-4化学键的类型及 物质的特点？ 化学键可分为共价键、离子键及金属键三大类。 1. 共价键：两个相同或不同元素的原子由于共同拥有（以电子云 的形式）部分或全部价电子而形成的化学 键所形成的化合物称为共价型化合物。 当这类共价键物质的固体溶化或液体气化时，分子内的化学键并未被破坏，只需克服组成固体或液体物质的 微弱分子间力。因此，这类共价键物质具有较低的 和沸点。 2. 离子键：原子间的相互作用产生电子转移，形成正负离子，正负离子间 力的相互作用而形成的化学键。 离子键往往由金属、非金属元素 。 2 离子键化合物具有许多共同的物理性质。例如： 1) 强度高、易碎、 高（与金属相比）； 2) 易溶于极性液体 中，形成导电离子； 3) 所有电子被严格 在离子上，因此，离子型固体介质是典型的绝缘体； 4) 离子键固体具有比金属键和共价键固体更低的热导率 3. 金属键：当许多金属原子堆积形成固体时，价电子会脱离单一原子而被所有离子共享，成为 电子，渗入 离子间的空间而形成电子气或电子云。电子气负电荷与金属阳离子间的相互吸引作用，大于将价电子移离单 一原子所需的能量，因而形成金属键。 金属键晶体的特点：导电、导热性能好，延展性好。 2-5 分子间力及其作用？ 1. 由于一个原子中电子分布状态与其它原子核间的静电吸引所至，这就是所谓的分子间作用力，又称为 力。 2. 分子间作用力包括取向力、诱导力和色散力三种。 3. 分子间力影响物质的 、沸点、溶解度、表面张力等理化特性。 2-6 晶体？如何表征晶体结构？ 1. 晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列，在结晶过程中形成具有一定规则几何外形的固体 2. 为了更好的观察、描述晶体 原子排列的方式，可把晶体中按周期重复排列的原子（结构单元）抽象成一 个几何点来表示，从晶体结构中抽象出来的几何点的集合称之为晶体点阵，简称晶格（crystallattice）。晶 格中忽略了周期中所包含的具体结构单元内容，而集中反映周期重复方式，既然晶格具有周期性，只要绘出 一个点阵的最小周期单元（一个阵点及相应空间位置）——点阵的原胞（primitivecell），即可反映整个晶 体的原子排布。所以可简单地将晶体结构表示为晶体结构=点阵+原胞。 2-7举例说明典型离子晶体的结构特征及应用。 1.AB型氧化物 Mg 、Ca 、Sr 等就是典型的AB型结构。 结构特征：氧离子在立方体的顶点和面心的位置，二价阳离子在各边的 和立方体的中心。这两组离子互 呈立方面心结构。阳离子占据着全部氧八面空隙，配位数（晶格中与某一原子相距最近的原子个数）为6。 应用：电子陶瓷 2.AB2型氧化物 （Ti0 ）就是典型的AB 型氧化物 2 2 结构特点 2- 4+ ：晶胞是四方柱体，而不是立方体。可以近似的将Ti0 看成是作0 六方密堆集，Ti 八面体空隙的2 一半，在柱体的顶点和体心位置。由六个02- 4+ 形成一个八面体，把Ti 包围起来。 用途：由于这种结构，在电场作用下Ti0 将产生很强的离子位移和电子位移极化，从而具有很高的介电常 2 数，所以成为许多陶瓷电容器的基本原料。 3.AB 型氧化物 2 3 Al 0 就是A B 型结构 2 3 2 3 结构特点 3+ ：氧离子作六方密堆集，Al 占据八面体空隙。但是因为在Al 0 晶格 Al和 的数目比为2：3， 2 3 所以只有2/3 的八面体空隙被Al3+占据。[Al ]八面体是以共有的面相连接的。 6 用途：紧密结构和极大的离子键强度，使它具有很高的机械强度、硬度和化学稳定性，成为很好的结构材料。 4.ABO3型复合氧化物 3 （钙钛矿结构），属于这种结构的有CaTi0 、BaTi0 、PbTi0 、PbZr0 、SrTi0 等。3 3 3 3 3 结构特征：A位一般是稀土或碱土元素离子，B位为过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属 离子部分取代而保持其晶体结构基本不变。 用途：它是研究催化剂表面及催化性能的理想样品，由于这类化合物具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能 以及很高的氧化还原、氢解、异构化、电催化等活性，作为一种新型的功能材料，在环境保护和工业催化等领域 上有很大的开发潜力。 5.AB2O4型离子型化合物 通式AB 0 型的离子化合物，又称尖晶石型结构化合物，是离子晶体中的一个大类。A为二价阳离子，如 2 4 Mg2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ ，Fe ，Co ，Ni ，Mn ，Zn ，Cd 等，B为三价阳离子，如Al ，Fe ，Co ，Cr ，Ga 等。 结构特征 2- ：结构中 离子作立方紧密堆积，其 A离子填充在四面体空隙中，B离子在八而体空隙中，即 A2+ 3+ 离子为4配位，而B 为6配位，以镁铝尖晶石MgAl 为典型代表，常见的还有FeAl 0 等，此外，还有B 2 4 2 4 为4价阳离子的系列，如Mg Ti 和Mn Ti 等许多复合氧化物。一系列硫化物如FeCr S ，Co S 等也都被称作 2 2 2 4 2 4 3 4 具有尖晶石型结构化合物。 用途：尖晶石型化合物结构较稳定，有的可用作高温耐火材料，有的可用作电子陶瓷材料。 6.正四面体结构 种类繁多的硅酸盐的基本结构就是硅一氧四面体 结构特征：在这种四面体内，硅原子占据中心，四个氧原子占据四角。这些四面体，依着不同的配合（以链 状、双链状、片状、三维架状方式连结），形成了各类的硅酸盐。按正四面体聚合的程度，硅酸盐再细分为：岛 状硅酸盐类、环状硅酸盐类等。 用途：它们大多数 高，化学性质稳定，是硅酸盐工业的主要原料。硅酸盐制品和材料广泛应用于各种工 业、科学研宄及日常生活中。 2-8能级是如何产生的？ 由 的理论发展而来的现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续 的。这些能量值就是能级。 2-9简述能级的 及能带的形成。 能级 ：以氢分子H 的形成为例，来简单说明这一过程当两个H原子相互靠近形成分子时，一个原子上 2 的电子与另—个原子上的电子及原子核发生相互作用，电子系统获得新的能量和波函数。当两H原子的波函数 相互 时，产生同相交叠和异相交叠，分别形成的两个分子轨道。能级 为两个。 能带形成：能级 的最大宽度，取决于固体中原子间的最小距离，N个轨道相互作用产生的N个 能 级。当N相当大（~1023）时，相邻 能级间间隔非常小，几乎是连续的，从而产生能带。 2-10简述电子的共有化运动。 1. 当两个原子相距较远时，能级如同两个孤立原子被一个高而宽的势垒相隔，电子只在各自的原子 运动， 其能量为分立能级：而当两个原子靠的很近时，原子势场相互影响，势垒宽度减小高度降低，原来处于较髙 能级上的电子可能 势垒或越过势垒，形成电子的共有化运动。 2. 通过量子力学证明：由于晶体中电子共有化运动。使每个原子中具有相同的价电子能级 成为一系列和原 来能级很接近的新能级，这些新能级基本上连成一片而形成能带。 2-11从能带理论的角度简述导体、半导体和绝缘体的异同 1. 能带的填充与导电性的关系。若固体由N个原子组成则每个能带内有N个能级，按照泡利不相容原理，最 4 多可容纳2N个电子。所有能级全部被电子所填充的能带叫满带，而只有部分能级为电子所填充的能带叫不 满带在外电场的作用下，只有不满带中的电子才有导电能力，而满带中的电子是不导电的。 2. 导体、半导体和绝缘体的异同 a. 导体：除满带外还存在不满带，即导带，导带以下的第一个满带称为价带•导体中的电子易于在电场作 用下产生迁移运动，表现为电阻率很低，通常在10-8~10 Ω•m范围2 b. 绝缘体：其最低的一系列能带被填满，而其上的能带则完全为空带，且禁带宽度较宽，大于2eV。固体 中的电子不易在电场作用下产生迁移运动，表现为电阻率很高，在108 16 ~10 Ω•m范围。 c. 半异体：能带结构与绝缘体相同，但禁带宽度较窄，一般小2eV。固体小电子易受热激发到空带参加导 电，同时产生空穴电流。Ge和Si禁带宽度分别为0.74eV和1.17eV此类介质的电阻率较低，一般在 102 8 ~10 Ω•m 。 2-12简述缺陷结构及缺陷能级。 1. 通常晶体中总是存在缺陷，这些缺陷往往来源于结晶的不完整性与外来杂质。结构缺陷包括点缺陷、线缺陷 和面缺陷。外来杂质缺陷则有替位与填隙两种，它们一般都属于点缺陷。 2. 当晶体中存在缺陷时，将在禁带中引入附加能级，称之为缺陷能级。缺陷能级可分为浅能级和深能级。浅 能级是指离导带比较近即电离能比较小的能级，深能级则是指离导带比较远即电离能比较大的能级。禁带中 的浅能级易于 电荷（电子或空穴）到导带或价带去，成为导电载流子，故这些浅能级又称为施主或受主 能级。而深能级则不易放出电荷，它们便成为俘获电子或空穴的中心，所以称之为俘获能级或俘获中心，又 称之为陷阱能级。 2-13—个由金属粉末制成的95/5 （95%铜-5%锡）青铜轴承，其气孔率为15% （体积分数）。假定95/5青铜的 7 -1 -1 电导率为10Ω m ，计算其在300K 的热导率。 5 -1 -1 2-14—个电导率为50nΩ m 的黄铜盘以10W的功率从热源向散热器传热，如果其直径为20mm、厚度为30mm， 忽略其表面的热损失，计算该圆盘的温度降。 6 Chapter3 3-1.按分子中正负电荷的分布情况不 介质可以分成哪几类？试述各类的基本特性。 1. 按分子中正负电荷的分布情况不 介质可以分成：a.非极性电介质；b.极性电介质；c.离子性电介质。 2. 各种类型的基本性能如下： a. 非极性电介质：无外电场作用时，正负电荷中心重合，故其电气性能稳定； b. 极性电介质：化学结构不对称，即正负电荷中心不重合，分子具有偶极矩； c. 离子性电介质：组成基本单元为离子，故其介电常数大机械强度高。 3-2. 电介质的极化？试说明电介质极化的种类及其机理。 在外场作用下，电介质出现 电荷的现象称为电介质的极化。 电介质的极化主要有三种形式： 1.电子极化：原子内的电子云和原子核在外电场中发生迀移形成电偶极矩的现象；外电场关闭，原子会返回 原来状态。 2.取向极化：只出现于极性分子，是有 电偶极子的取向改变而产生的。 3.离子极化：正负离子在外电场下发生迁移的现象。 3-3试述弹性模量的物理意义。 对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一 般定义是：应力除以应变。 从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或 分子之间键合强度的反映。 3-4试述热导率的物理意义。 热导率是当温度垂直梯度为1℃/m 时， 时间内通过 水平截面积所传递的热量。热导率是物质导热能 力的量度。 3-6绝缘材料老化的含义是什么？ 绝缘材料在 、使用过程中，在热、电、光、氧，潮 气或化学药品、各种机械力、高能辐射线以及微生 物等 长时间作用下，其性能发生不可逆变化的现象称为 老化。老化特别着重于“长时间”和“不可逆”。 3-7六氟化硫气体为什么具有高的耐电强度？ SF 是一种电负性气体。 6 1) 当气体中有电负性元素时，分子具有 吸附电子的能力，SF 分子中含有6个F原子，具有很强的电负性，6 吸引电子的能力强； 2)SF 分子吸附电子后变为负离子，其质量远大于电子，移动速度慢，在电场中容易与正离子结合而成为中性分 6 子； 3)SF 气体分子的分子量高，体积大，在电离过程中容易与电子发生碰撞，使电子平均 程减小，且碰撞将电 6 离能量转化为热能消耗，使分子发生碰撞电离的难度增大。 因而，SF6具有高的耐电强度。 7 3-8矿物绝缘油和植物绝缘油的主要成分分别是什么？ 矿物绝缘油由饱和的烷烃、环烷烃和少量芳香烃组成； 植物绝缘油的主要成分是不饱和脂肪酸。 3-9聚乙烯交联后，其化学结构和物理性能发生哪些变化？ 聚乙烯交联后，其化学结构从线性分子变为交联的网状大分子。与聚乙烯相比，交联聚乙烯的耐热性好，工 作温度达90°C，燃烧不滴落，抗蠕变，抗环境应力开裂。 3-10请写出以下常用高分子绝缘材料的化学结构式：聚丙烯、聚四氯乙烯、天然橡胶、硅橡胶 3-11为什么玻璃表面的电导比体内大？ 办法可以降低 表面电导？其作用机理如何？ 玻璃中导电载流子迁移时，受到空余网隙结构的制约，要越过高的势垄。而这残载流子在玻璃表面运动时则 不受这种空余网隙的限制，活化能低得多。玻璃的表面电导随存放时间、表面状况和所处环境而大不相同。例如： 环境湿度对表面电导的影响就很大，玻璃是一种离子性很强的介质，表面对于强极性的水分子有很大的亲和作用， 研究表明，当相对湿度大于80%时，玻璃表面附着的水分子数大为增加，表面电导也大为增加。由于高频电流具 有集肤效应，故对高频绝缘玻璃更应保证其表面清洁。 3-12玻璃 存在哪几种类型的极化与损耗？试从质点运动方式、消耗能量、与频率和温度的关系等方面，对 各种类型的极化与损耗加以比较。 1. 极化： 纯玻璃： 电子位移极化+离子位移极化 碱金属玻璃：热离子松弛极化 2. 损耗： 纯玻璃： 损耗很小 碱金属玻璃：由热离子松弛极化产生的损耗较大 3-13功能陶瓷的分类、性能和应用有哪些？ 1. 导电陶瓷：是电导率远大于一般陶瓷（通常大于10-2S/cm）的一类功能淘瓷。绝大多数陶瓷属于绝缘体， 但具有间隙结构的碳化物具有十分良好的导电性。这类间隙相的导电机理与金属类似，属于电子电导。此外， 某些陶瓷材料在一定温度和压力条件下具有与强电解质液体相似的离子电导特性，这类陶瓷大多属于固体电 8 解质，也称为快离子导体或快离子陶瓷。每一种快离子导体都具有一种起主导作用的迁移离子，因此具有很 好的离子选择性。由于离子传导对周围物质的浓度或分压、温度、压力的敏感性，可以利用快离子导体制作 多种固态离子选择电极，气敏、热敏、 和压敏传感器，以及 物质提取装置；利用快离子导体内某些 离子的氧化-还原 效应可制作 电色显示器；因它具有充放电特性，可以制作电池、 计、电阻器、 电化学开关、电积分器、 元件等多种离子期间。 2. 半导体陶瓷：通过适当的材料和工艺设计，可以 出具有半导体特性的功能陶瓷，称为半导体陶瓷。这类 材料具有优良的半导体性质，价格低廉，已经成为功能材料中重要的、富有生命力的分支。半导体材料的电 阻率显著受到外界环境变化的影响，例如受温度、光照、电场、气氛、湿度等变化的影响，根据这种变化可 以很方便地将外界的物理量转化为可供测量的电信号，从而制成敏感器件或传感器。因敏感陶瓷多属半导体 陶瓷，半导体陶瓷多半用于制造敏感元件，也常将半导体陶瓷称为敏感陶瓷。 3. 超导陶瓷：材料的超导行为最初发现存在于少数几种 及 化合物中。陶瓷的超导电性首先在SrTi 3 中发现，随后人们又在Li-Ti- ）、Ba-Pb-Bi- 等陶瓷中发现了超导电性。但由于这些陶瓷中的超导临界转 变温度T 低于当时金属超导体的T ，未引起人们的足够重视。1986年，在La-Ba-Cu- 系陶瓷中发现了当 C C 时最高TC 的超异电性。此后在世界范围内展开了对陶瓷超导的研究热潮。 4. 介电陶瓷：是指在电场作用下具有极化能力，且能在体内长期建立起电场的功能陶瓷，主要包括绝缘陶瓷、 电容器陶瓷和微波陶瓷等。广义上压电体、热释电体和铁电体也属于电介质范畴，它们在电场作用下都存在 极化现象，故广义的介电陶瓷也包括压电陶瓷、热释电陶瓷、铁电陶瓷等。 5. 磁性陶瓷：磁性陶瓷又常泛称为铁氧体。但严格来说，磁性陶瓷还包括不含铁的磁性瓷。铁氧体在现代技术 中的应用是多方面的，主要用于高頻技术，如无线电、电视、电子计算机、自动控制、超声波、微波及离子 等许多方面。 3-14 纳米材料，纳米材料的特殊效应有哪些？ 纳米材料是指把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料。纳米材料的特殊效 应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和 堵塞效应等。 3-15 环境友好材料? 环境友好材料也称生态环境材料，简称环境材料，是1990年10月在一次关于材料服务于人类生活、行为的 未来状况与环境关系的 会上，由 材料科学家和工程师提出来的。一般来说，环境友好材料是指在材料的 整个 周期中，同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能够改善环境的材料。 9 Chapter4 19 -3 4-1设 能级处于价带能级上方0.27eV处。T=300K时，硅中的Nv=1.04×l0 cm 。试求T=400K时的硅的热 平衡空穴浓度。 17 -3 3/2 4-2T=300K时，砷化镓中Nc=4.7x10 cm ，它们均与 正比。砷化镓的禁带宽度取1.42eV，且在此温度范围 内不随温度变化。分别计算T=300K，T=450K时的砷化镓中的本征载流子浓度。并比较在这两个温度 流子浓度的变化情况. 4-3 10 16 -3 10 -3 4-4设T=300K时，n型硅的掺杂浓度为Nd=10 cm ，Na=0。本征载流子浓度假定ni=1.5X10 cm 。试计算热 平衡电子浓度和空穴浓度。 15 3 4-5计算p型补偿半导体热平衡状态电子的浓度和空穴的浓度。假定T=300K，硅的掺杂浓度为Nd=3X10 cm ， 16 -3 10 -3 Na=10 cm 。本征载流子浓度假定ni=l.5X10 cm 。 4-6在T=550K时，考虑n型硅器件。要求本征载流子电子的浓度不超过总电子浓度的5%。试计算满足要求的 最小的施主杂质浓度。 11 4-7分别绘出 能级随着温度和浓度的变化曲线K时杂质补偿n型Si的电导率为σ=16 （Ωcm） ，受主杂质浓度为Na=10 cm 。求施主杂质浓 度和电子迁移率。 -l -2 -3 4-9 己知霍尔效应参数，求多数载流子的浓度和迁移率。如图5-6所示，取L=10 cm，W=10 cm，d=10 cm。设 Ix=1.0mA，Vx=12.5V，V =-6.25mV，Bz=500，Gs=5X10-2 H 4-10试推导 （4-43）V 的表达式。 （提示：可以根据图5-10推导） 0 12 16 -3 15 -3 4-11p-n结所处的环境温度为T=300K，掺杂浓度为Na=10 cm ，Nd=l0 cm ，计算pn结中空间电荷区的宽度。 4-13试画出正偏电压和反偏电压下的理想金属和半导 体结的能带图。 13 4-14试叙述电力MOSFE 的开关过程。 1. 电力MOSFET在开通过程中，由于输入电容的影响，栅极电压U 呈指数规律上升，当U 上升到开启电 GS GS 压U 时，MOSFET开始导通，漏极电流I 随着U 的上升而增加。当U 达到使MOSFET进入非饱和区 T D GS GS 的栅压U 后，MOSFET进入非饱和区，此时虽然U 继续升高，但I 已不再变化。从U 开始上升至 GSP GS D GS MOSFET开始导通间的时间称为开通延迟时间t （on），U 从上升到U 的时间称为上升时间t，MOSFET d GS GSP r 的开通时间定义为开通延迟时间与上升时间之和。 2. 关断时，同样由于输入电容的影响，U 呈指数规律下降，当U 呈低于U 时，漏极电流I 开始下降， GS GS GSP D 直至U 低于开启电压U ，I 下降到零。从U 开始下降至MOSFET开始关断的时间称为关断延迟时间t GS T D GS d （eff）。U 从U 下降到U U 时沟道 ，I 从通态电流降到零为止的时间段称为下降时间t。MOSFET GS GSP GS T D f 的关断时t 义为关断延迟时间和下降时间之和。 eff 4-15半导体在电力设备中有那些应用？试举例说明。 1. SiC在高压电机防晕中的应用：碳化硅材料具有良好的非线性导电特性，其电阻可以随着电场的増加而自动 降低，从而达到自动调节场强的目的，所以碳化硅是一种理想的防电晕材料 2. ZnO压敏陶瓷在金属氧化物避雷器中的应用，现在广泛使用的MOA 阀片是以Zn 为主要成分，加入少量 添加剂后，经过煅烧、混料、造粒等工序制成的。 14 Chapter5 5-1材料的导电性能如何表征？ 导电材料？导电材料如何分类？ 1. 材料的导电性能可以通过体积电阻率和电导率进行表征。体积电阻率是微观水平上阻碍电流 的度量。导 l 体的体积电阻R与导体的长度I成正比，与导体的截面积A 成反比，可用公式RV 表示，其中比例系 A 数V 就称为体积电阻率。 电导率是电阻率的倒数，表征电流通过材料容易程度，是 时间内通过 立方体积的电量。可用公 式 n ，其中 体积材料中的载流子数目（n）；每个载流子上的电荷量（q， /载流子）和每个 q 载流子的迁移率μ。 2. 导体是指价电子所在能带为半满带，相邻能级间隔小的一类材料，在外电场作用下，电子很容易从较低能级 跃迁到高能级，大量的共有化电子很易获得能量，集体定向迁移形成电流。 3. 导电材料按导电机理（电荷载体）可分为电子导电材料、离子导电材料和混合型导电三大类。 a. 电子导体，以电子载流子为主体的导电； b. 离子导电，以离子载流子为主体的导电； c. 混合型导体，其载流子电子和离子兼而有之。 4. 导体材料按照化学成分主要有以下四类： a. 金属材料：这是主要的导体材料，电导率在10~10 S/m之间，常用的有银、铜和铝等。7 8 b. 合金材料 5 7 ：电导率在10~10 S/m之间，如黄铜（铜锌），镍铬合金等。 c. 无机非金属材料 5 8 6 ：电导率在10~10 S/m之间。如石墨在基晶方向为2.5x10 S/m。 d. 高分子导电材料：导电高分子是指其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。 5-2金属材料的电导率 （或电阻率）受哪些 影响？ 电导率依赖于以下三个 体积材料中的载流子数目，每个载流子上的电荷量和每个载流子的迁移率。 材料微观结构、溫度、合金元素及杂质都会通过改变以上的三个要素，对金属材料的电导率产生影响。 5-3试从 电子能带论角度 金属、半导体与固体介质材料的区别。 请参照第二、四章相关内容 5-4 接触电位差和热电势，这一特性可利用在哪些方面？ 1. 接触电位差是指在没有电流的情况下，两种不同物质接触面两侧的电位差，即两种不同的金属互相接触时所 -8 产生的电位差。两物体紧密接触，其间距小于25X10 cm时，就出现双电层和接触电位差。其数值与两种金 属的性质及接触面的温度有关，与接触面的大小和接触时间的长短无关。 2. 如果接触点温度不同，所产生的电位差是温度的函数，即所谓的热电勢。热电偶就是利用热电势来进 温 的。 15 5-5固体热导有哪几种方式？金属材料与固体介质材料的热导有何不同。如何提高他们的热导率？ 1. 固体材料的热导主要有声子导热和 电子导热两种方式 2. 金属材料中既有声子，也有 电子导热，而固体介质材料的热导率取决于声子。 3. 提高热导率的途径 a. 提高温度：声子以声速在材料 运动，温度越高，相互碰撞越剧烈，所以导热系数随温度升高而增大。 b. 降低杂质：金属中的杂原子、空穴、晶格缺陷都会使导热率降低。 5-7常用的导电材料有哪些，它们的电导率分别是多少?如何选择使用？ 常用的导电材料有铜及铜合金，铝及铝合金，铁及铁合金 1. 铜导电率 100%IACS。铜按纯度不同可分为普通纯铜和无氧铜两类。普通纯铜用于电线电缆线芯和一般导电 零件，无氧铜主要用于电真空器件、电子管和电子仪器零件、耐高温导体和线%IACS。主要可使机械强度提高，而电导率降低不大，可做各种导电零件。 3. 铝和铝合金导电率60%IACS左右。具有含量高，重量轻，比强度高，高的热导率与电导率，耐氧化性好， 反射率高，延展性、可塑性好等特点。可用于容器与包装，建筑材料，导电材料。及车辆汽车等。 4. 铁的电阻率高，约为20%IACS•而且化学稳定性低，易氧化，在频率较高时集肤效应明显•所以很少用作导 电材料.但是在 的 线中，由于要求能承受强大的机械应力，而铜及铝线强度不够，因而经常以钢作为 间的芯线制成钢芯铝绞线，这样既有高的机械强度，又有足够的电导率。 5-10 触头材料？触头材料应具有哪些特性？简述其用途？ 触头材料是用于开关、继电器、电气连接及电气接插元件等开关电器的 材料，又称电触头材料或电接触 材料。有强电和弱电两大类。 1. 强电触头：主要用于电力系统和电器装置，要求为低接触电阻、耐电蚀、耐磨损及具有较高的耐高压强度、 灭弧能力和一定的机械强度等。 2. 弱电触头：主要用于仪器仪表、电信和电子装置。具有极好的导 电性、极高的化学稳定性、良好的耐磨性 及抗电火花烧损性 5-11常用触头材料主要有哪些？它们各自具 特性? 开关电器对触头材料的要求，最重要的是以下几方面： （1）良好的导电性和导热性；（2）抗熔焊性；（3）耐电弧烧蚀性；（4）大电流分断时不易发生电弧重燃； （5）低截流水平；（6）低的气体含量；（7）化学稳定性；（8）抗环境介质污染。 常用的触头材料有： (1)铜钨系触头材料：具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高强度等优点。用于在油路断路器和断路器及 其它惰性气氛的开关断路器，不易氧化，对分解的影响较小，触头损耗也少。 16 (2)银钨系触头材料：广泛应用于自动开关、大容量断路器、塑壳断路器中。具有良好的热、电传导性，耐 电弧腐蚀性，金属迁移的熔焊趋势小等优点。其主要缺点是接触电阻不稳定。 (3)铜铬系触头材料：Cu-Cr合金具有良好的导热、导电性，为Cu-Cr触头大的工作电流和开断能力提供了保 证，而Cr相对较高的 和硬度保证了触头有较好的耐压和抗熔焊性能，Cr 的难以产生热电子发射保证了灭弧 室在运行过程中的线)银镍、银墨触头材料：银镍触头材料具有良好的导电、导热性，接触电阻低而稳定，电弧侵蚀小而均匀。 (5)银氧化锡触头材料：银氧化锡触头材料具有耐电磨损、抗熔焊、接触电阻低而且稳定的特点，广泛应用 于电流从几十安到几十安，电压从几伏到上千伏的多种低压电器中。 5-12，13 电碳材料具 特性？主要用于何处？石墨材料为什么软而滑？ 1. 电碳材料是以碳和石墨为基体的电工材料。 电碳材料优良特性如下： 1)具有良好的导电能力具有很大的各向异性 2)较高的热导率（介于铝和软钢之间） 3)耐高温，且高温力学性能好，在真空或保护性气氛中，能在3000℃左右高温下工作（可作为高温发 热体），在2500℃内随温度升高而增大 4)密度小（介于铝和镁之间） 5)与液态金属不浸润 6)化学稳定性好，仅与强氧化剂作用 7)具有自润滑性 8)热发射电流随温度升高而增大。 2. 电碳材料主要用于制造电工设备的固定电接触或转动电接触的零 等电碳制品。如，电机的电刷，电力开 继电器的石墨触头等。此外，还可用于弧光放电的石墨电 谱分析用的碳棒，碳膜及碳电阻，碳和 石墨电热元件，干电池碳棒，大型电子管石墨阳极和栅极以及熔融金属用的电极等。 3. 石墨的晶体结构为六方层状结构，同层原子为共价键结合层，层间的结合力为 力，由于层间结合弱， 受力可滑移，因此石墨材料较软，且具有自润滑性。 5-14 超导材料？超导材料应具 特性? 1. 定义：材料的电阻随着温度的降低会发生降低，在温度接近绝对零度时，电阻率趋于一个极低的常数，这一 常数称为剩余电阻；某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现电阻突然 的现象， 称之为超导现 象。 2. 当材料处于超导状态时，应具有以下三个特性： a. 完全导电性超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到 低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减，即超导体的 “持久电流”。 b. 完全抗磁性：不论开始时有无外磁场，只有TTc，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零， 即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为 效应。 c. 即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状 态被破坏，而成为普通的 状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临界电流Ic和临界磁场H 。 C 17 5-15.超导材料如何分类？常用的超导材料都有哪些？ 超导体可以依据它们在磁场中的磁化特性划分为两大类： 1. 第一类超导体：只有一个临界磁场H ，超导态具有 效应，表面层的超导电流维持体内完全抗磁性。 C 除Nb、V、Tc 以外，其他超导金属元素都属于这一类。 2. 超导态第二类超导体：有二个临界磁场H 和H 。 C1 C2 a. 当外加磁场H H ，同第一类，超导态具有 效应，体内没有磁感应线 b. 当H H H 时，处于混合态，这时体内有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，正常 C1 0 C2 态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。 c. 外加磁场强度达到H 时，正常态区域扩大，超导区 ，整个金属变为正常态。 C2 金属铌属于典型的第二类超导体。 18 Chapter6 6-1磁性材料的导磁能力用什么表示？ 磁性材料的导磁能力用磁导率来表征。 磁体置于外磁场中，它的磁化强度将发生变化，磁化强度M和磁场H 的比值： 称为磁体的磁 化率，它表示 磁场强度在磁体中所感生的磁化强度，是表征磁体磁化难易程度的一个参量。 将与H 的比值定义为绝对磁导率： 将与μ H 的比值定义为相对磁导率： 0 磁导率是表征磁体的导磁率以及磁化难易程度为一个磁学物理量，绝对磁导率是有纲量的，其 为 T•m•A-1 -1 .或H•m ，磁化率χ和相对磁导率μ没有纲量，且均为张量。 6-2磁性材料的分类. 一般磁性材料根据磁化率的大小和方向分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性和变磁性等 六个种类。 6-3画出铁磁材料的磁滞曲线软磁材料的主要特点是什么？ 软磁材料是指具有高磁导率和低矫顽力的材料。该类磁性材料容易磁化亦容易退磁，在交变磁场作用下 磁滞回线面积小且磁损耗低，是电工和电子技术的基础材料，广泛的用于电 压器、继电器、电感、互 感以及电磁铁的磁芯等。 良好的软磁性能要求材料有尽可能低的磁各向异性和磁致伸缩，低的内应力，高的电阻率（降低交变场 下的涡流损耗）。 6-5软磁材料主要有哪些？ 常用的软磁材料有纯铁、硅钢、镍铁合金（玻 ）、钴铁合金、铁基和钴基非晶态材料、软磁铁氧 体、纳米晶铁基合金等。 19 6-6硬磁材料主要特点是什么? 永磁材料又称硬磁材料，是一类经过外加强磁场磁化再去掉外磁场以后能长时期保留其较高剩余磁性， 并能经受不太强的外加磁场和其他环境 （如温度和振动等）的干扰的强磁材料。因这类强磁材料能长期 保留其剩磁，故称永磁材料，又因其具有高的矫顽力，能经受外加不太强的磁场干扰，故又称硬磁材料。永 磁材料是历史上发现最早，应用也最早的强磁材料，也是当代种类甚多和应用甚广的一大类强磁材料。 6-7硬磁材料主要有哪些？ 目前根据永磁材料其成分和磁性等特点，可分为金属目前根据永磁材料其成分和磁性等特点，可分为金 属 永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料。 6-8 磁致伸缩效应，有何应用？ 磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，在拉伸、压 缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料 磁通密度相应地发生变化， 圈中感应电流，机械能 转换为电能。 工程上常用磁致伸缩材料制成各种超声器件，如超声波发生器、超声 、超声探伤器、超声钻头、 超声焊机等；回声器件，如声呐、回声探测仪等；机械滤波器、混频器、压力传感器以及超声延迟线汽轮发电机转子有哪些 组成？有何特点？ P170 发电机的转子主要由转子铁芯，励磁绕组 （转子线圈），护环，和风扇等组成。 由于发电机转速高，转子受到的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式，以便更好地固定励 磁绕组。 7-2汽轮发电机定子绕组绝缘都包括哪些内容？ P168 定子绕组绝缘包括股间绝缘、排间绝缘、换位部位的加强绝缘和线发电机冷却系统意义何在？目前主要的冷却介质有哪些?P173 发电机运行时，其 产生的各种损耗转化为热能.会引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机，因其结 构细长，中部热置不易散发发热问题更显得严重。发电机的发热 ，主要是定子绕组、定子铁芯、转子绕 组以及铁芯两端的金属 ，必须通过高效的冷却措施，使这些 发出的热量及时散发出去，保证发电机 各部分温度不超过允许值。 目前大型发电机的介质主介质主要有空气、水和油。 7-4水轮发电机的布置方式、主要组成 有哪些？ P174 水轮发电机组的布置方式，按机组轴线的方向可分为立轴布置和卧轴布置两类。 水轮发电机由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等 组成。 7-5风力发电机按传动形式分类可以分成那几种？分别有何特点？P178 1. 高传动比齿轮箱型。风力发电机组中的齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发 电机并使其得到相应的转速。发电机的体积小，并可以与电网直接连接，但齿轮箱所带来的噪声、故障 率高和 成本大。 2. 直接驱动型。应用多级同步风力发电机可以免去风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动 发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和 成本大等问题，提高了 运行可靠性。 3. 中传动比齿轮箱 （“半直驱”）型。这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风机减少 了传统齿轮箱的传动比和多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。 7-6交流励磁变速恒頻双馈发电机组的优缺点有哪些？ P180 优点是：允许发电机在同步速上下30%转速范围内运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力， 同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率；需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分， 使变频装置体积减小，成本降低，投资减少；并且可以实现有功、无功功率的独立调节。 缺点是：双馈风力发电机组必须使用齿轮箱，然而随着发电机组功率的升高，齿轮箱成本变得很高，且 易出现故障，需要经常 ，同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要 ：当低负荷运行时， 效率低；电机转子绕组带有集电环、电刷，增加 和故障率；控制系统结构复杂。 7-7影响 能电池效率的主要 包括哪几个方面?P184 1. 能电池的理论效率存在极限值。由于只有能量高于半导体带隙的光子才能对 能电池做出贡献， 21 而且不论能量多高，每一个光子只能产生一对电子和空穴，这两点将单结 能电池的极限效率限制在 了44%左右。 2. 能电池的效率还受到光生载流子复合过程、各种寄生电阻等问题的严重影响。 3. 能电池的工作条件（ 光入射强度和温度）对效率也有非常大的影响。 7-8根据材料不同， 能电池有哪些分类？各有何优缺点？ P184—P187 1. 体电池 1) 单晶硅：具有 的晶相结构 2) 多晶硅：由于有晶界存在，晶向不一致，表面减反射效果差，缺陷较多，电池效率比单晶硅效 率低，但多晶硅材料适合批量制造，成本低于单晶硅。 2. 薄膜 能材料 1) 硅系薄膜 能材料：非晶硅具有较高的光吸收系数，可以薄膜化；非晶硅的禁带宽度比晶硅 大，开路电压高高溫性和光响应性好，主要原料硅烷，资源丰富。 2) 化合物薄膜 能电池：化合物半导体的禁带宽度在1-1.7eV间可调，与 谱匹配较好，对 光的吸收系数大，对温度不敏感，弱光特性好，可在较高温度下使用，无光电 效应。 a. III-V族：抗辐射能力强 13X b. II-VI族：性能稳定，可印刷制造，转化效率可达 左右。但镉 c. 多元化合物：光电转化效率高。 3) 有机薄膜 能电池：具有正温度系数，使用 可达15-20年，结构简单，成本低，易于大 规模工业化生产。缺点：需要用到电解液。 3. 聚光 能电池 1) 聚光 2) 低倍聚光 a. 原料来源广，价格低廉，对环境不污染； b. 具有较高的光吸收系数，高温性能与弱光响应性能也比晶体硅 能电池好； c. 聚光度好。 7-9简单论述 能电池发电系统的 其各部分功能。P189 1. 能电池组件及电缆、汇流箱等：单个 能电池组件的功率还是远远不能满足实际需要，将各 能电池组件串接、通过防止逆流元件相互并联连接、同时配备旁路元件和接线箱等附件 能电池 整列。 2. 控制器： 系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，同时兼具最大功 率点 、温度补偿的功能等。 3. 蓄电池： 电能.一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池；大型储能有 流液电池等；直接并网系统可以不使用蓄电池。 4. 逆变器：直流变为交流及调压，并网逆变器还需要具有并网控制和保护功能。 5. 其他： 与通信.雷电保护等辅助设备 7-10请描述 电池与原电池的异同点能。P192 1. 相同点：都是将化学能转化为电能 2. 不同点： 22 原电池（battery）的概念是用于 电能的化学装置，充电时由电能转化成化学能，放电时再将化 学能转化成电能，并不能直接产生电；而且一充一放，电能使用效率低。 电池（cell）概念是只要通入 气和氧化气，电化学反应就可以一直持续，产生电。因此从这 种意义看， 电池是一种发电装置。 7-11试分析火力、水利、核能、 电池发电模式的优缺点 1) 火力 优点：技术成熟，成本较低，常规化石 容易获得； 缺点：耗能大，效率低，污染大， 压力 2) 水力 优点：无污染，可再生； 缺点：受季节和气候 影响大，对生态环境造成一定破坏 3) 核能 优点：不产生温室气体， 压力小； 缺点：放射性，退役处理处置难度大，建设成本高。 4) 电池 优点：能源转换效率 洁环保，可靠性和操作性好噪声低， 广泛，占地面积小，建 厂灵活。 缺点：造价偏高，管理复杂。 7-12根据 电池的发电原理，请设计几种在日常生活中的应用实例。 移动电源、家庭供热、电动汽车电镀工业 7-13作为 电池的结构材料 （阳极、电解质、阴极），请思考影响其性能的关键 ，并分析原理P197 电极材料：1）良好的电子导体，又具有电傕化活性，以便实现快速的电荷交换 2）化学活性稳定，不与其他材料发生反应； 3）多孔结构，保持一定的孔隙率便于气体扩散。4）廉价且具有一定的热循环稳定性。 电解质：1）为致密层，隔绝阴、阳极气体； 2）具有较高的离子电导率； 3）具有极低的电子电导率； 4）具有一定的热稳定性； 5）易于加工，经济可行。 7-14如果已经构建了一套开路电压为1.1V，最大电流为10A的单体 电池，请根据要求搭建一4400W， 110V的 电池电堆，并画出模拟电路图。 100个单体电池串联 110V，1100W 4个这样的单元并联 110V，4400W 7-16请思考 电池未能广泛应用的主要原因。 1. 电池造价偏高 2. 反应/启动性能低 23 3. 碳氢 无法直接利用 4. 氢气 技术 5. 氢 基础建设 24 Chapter 8 8-1变压器的主要组成部分是什么？各部分的作用？P207—214 •电力变压器主要由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管和调压装置等 。 1. 铁芯：变压器的磁路部分，又是变压器器身的骨架，由铁芯柱、铁扼和夹紧装置组成。 2. 绕组：变压器的电路部分，由包有绝缘的圆形或矩形的铜导线或银导线绕制成的线. 油箱：变压器的盛油容器和支持部祥件，变压器器身浸放在油箱内； 4. 绝缘套管：不仅仅作为高低压引线对地的绝缘，而且还起着固定引线. 调压装置：又叫分接开关，是采用倒换高压绕组的分接头，改变高压绕组的匝数方法进行分级调压的装 置。分有载调压和无载调压两种；变压器的结构还有储油柜、安全气道、呼吸器、散热器片、净油器及 测温装置等。 8-2变压器型号SFPSZ8-63000/220代表的含义是什么？ P207 S——三相 F——风冷 P——强迫油循环 S——三绕组 Z——有载调压 8——设计序列号 63000——容量，63000kVA 8-3 变压器的相电压比？它与变压器的匣数 关系？相电压比与变压器的额定电压比 不 同？ •是一次、二次绕组的电压比 •由于一次、二次绕组的接法不同，额定电压与相电压存在比例关系。 8-4 电压互感器的作用是什么？二次侧为什么不许短路？P218 P223 •在高压系统中，不能直接装电压表测量高电压，而采用电压互感器把高电压按一定比例变为低压.间接 测量高电压。这样能使高、低压 ，既能保证人身和仪表的安全，又能使电压表的量程范围扩大，满足统 一监测 回路系统电压的需要。 •如果电压互感器二次侧短路，则二次侧电流很大，极容易烧坏电压互感器，所以电压互感器二次惻不允 许短路。 8-5 电流互感器的作用是什么？二次侧为什么不许开路？P218 P228 •在高压系统中，不能直接装电流表测电流，而必须采用电流互感器将电流按一定比例变小.这样使测量 和仪表与高电压 ，既能保证安全，又能使仪表导线截面变小，可制造轻便、经济的仪器仪表，而且 量程经电流互感器的变换可扩大范围，使电流表和其他仪器仪表的额定电流标准化。 当电流亙感器二次侧开路时，二次电流等于零，副边磁化力也等于零.一次电流全部变成了激磁电流。这 25 样在二次线圈中产生很高的电压，峰值可达几千伏， 人身安全和仪表安全，使电流互感器的铁芯过热， 绝缘损坏而烧毀。所以电流互感器二次不许开路。 8-6 电压互感器的精确度级？我国电压准确度级有哪些？各适用于什么场合？ P219 •电压互感器的测量误差，以用其精确度级来表示。 •测量用电压互感器的准确级用在规定的一次电压、二次负荷和功率因数下的最大允许误差的百分数来标 称，分0.1、0.2、0.5、1、3共五级。0.2、0.5、1级的适用范围 流互感器，3级的用于某些测量仪表和继 电保护装置。 •保把用电压互感器的准确级用5%额定电压到与额定电压因数K相对应的电压范围内最大电压误差的百 分数来标称，标准准确级有3P和6P两种。 8-7什么叫消弧线圈，它在系统中起什么作用？P229P233 •消弧线圈又称消弧电抗器，是一个带空气间隙铁芯的电感线圈，线圈有多个抽头，可以通过改变抽头接 线和铁芯气隙改变电感量。 •接于三相变压器的中性点与地之间，用以在系统发生单相接地故障时提供电感性电流，以抵消流过接地 点的电容性电流，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确 调谐时，还可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，有效的抑制过电压的辐值，同时也最大限度的减小 了故蹿点热破坏作用及接地网的电压等。 8-8并联电抗器和串联电抗器各 作用？P231229P228 •线路并联电抗器可以并联在母线或输电线的末端与地之间，起无功补偿的作用，用于补偿线路中的容性 电流，防止因容性无功功率过多而引起的线路末端工頻电压升高。还可以降低系统操作过电压，提高提高单 相自动重合闸的成功率。 •母线串联电抗器可以限制短路电流，维持母线有较高的残压。而 电容器组串联电抗器可以限制 波，降低电抗。 8-9 中性点经消弧线圈接地的系统正常运行时，消弧线 •消弧线圈接在系统中性点和地之间，正常情况下中性点电压为零，线圈中没有电流。 •当线路发生单相接地故障时，中性点电位升高，而且和故障相电压相位相反，经过消弧线圈感抗后，在 线圈中会产生感性电流，该电流流经故障点，并与故障点得容性电流方向相反。当选择合适容量的消弧线圈 时，线圈中的感性电流和故障相的容性电流正好抵消，从而有利于接地电弧的熄灭。 8-10 电力电容器在电力系统中的作用是什么？P235 电力电容器在由力系统中的主要作用是向电力系统提供无功功率.提高功率因数.减少输电线路输送电流. 减少线路能量损耗和压降.改善电能质量。 8-11应用于电力系统的电容器主要有哪几类， 作用？P236-241 1. 并联电容器：补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数 2. 串联电容器：串联在330kV及以上的 压线路中，其主要作用是从补偿（减少）电抗的角度来改善系 统电压，以减少电能损耗，提高系统的稳定性 26 3. 滤波电容器：对一种或多种谐波电流提供一低阻抗通道，以达到改善电压波形和提离功率因数的作用 4. 电热电容器：用来提高感应电热设备（如用于精密冶炼、精密浇铸及淬火等）的功率因数或改善回路特 性。 5. 脉沖电容器：冲击电压发生器、冲击电流发生器、高压直流发生器、振荡回路、超强冲击电流、超强冲 击磁场、强冲击光源、激光等 6. 标准电容器：用作高压测量回路中的高压标准电容器，如西林电桥，精确度达0.1%，介质损耗角要小 7. 耦合电容器：使得强电和弱电两个系统通过电容器耦合并 ，提供高頻信号通路，限止工頻电流进入 弱电系统•带有电压抽取装置的耦合电容器除以上作用外，还可抽取工頻电压供保护及重合闸使用，起到 电压互感器的作用 8. 均压电容器：均压电容器主要用作高压断路器的附件，并联在断路器的断口上作均压之用 8-12 电容器对介质材料 要求？P241 1. 为达到 容量的目的，应采用介电常数εr值尽可能高的材料。 2. 为了保证电容器具有纯容抗，即避免因极化过程造成能量损耗，导致产生热量，要求具有尽可能低的损 耗角正切值，特别要求在高工频率或脉冲条件使用时，tanδ值低。 3. 电容器电介质还应具有高的绝缘电阻值， 电阻值在不同频率与温度条件下尽可能稳定，避免因为 杂质的分解和材料的老化引起绝缘电阻值下降。 4. 要求电介质具有高的击穿电场强度。 5. 不污染环境，而且工艺好，与其他材料的相容性好，并对 无害或基本无害。 8-13简述晶闸管正常工作时的特性？P244 1. 当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 2. 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 3. 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。若要使已导 通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以 下。 8-14画出3相桥式整流的结构图与触发角a为60°时直流側与晶闸管上承受的电压波形？P247 27 8-15逆变 的原因有哪些? 逆变 （逆变失败）——逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流 器的输出平均电压和直流电动势变成顾向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大短路电流. 逆变失败的原因： 1)触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不 能正常换相• 2) 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通 3) 交流电源缺相或突然 4) 换相的裕量角 ，引起换相失败 8-16简述无功补偿的原则。P252 •无功补偿分为集中补偿，分散补偿和随机随器补偿。 •应该遵循全面规划、合理布局、分级 、就地平衡的原则；集中补偿与分散补偿相结合.以分散补偿 为主：高压补偿与低压补偿相结合.以低压补偿为主：调压与降损相结金，以降损为主的原则 8-17无功补偿有哪些方式，各 特点？P252-255 1. 并联电容器补偿，结构简单、经济方便，补偿容量与供电电压平方成正比。 2. 串联电容器.利用其容抗抵消部分线路的感抗，相当于缩短了线路的电气距离，提高了系统的稳定极限和 送电能力 3. 调相机•既能过励磁输出感性功率，又能欠励磁运行吸收感性功率，可以供给无功功率、改善功率因数， 调整网络电压、改善系统的稳定性。 4. 并联电抗器主要以吸收系统中的容性无功功率。 5. 无功补偿器 （SVC），双向连续、平滑调节无功功率，运行 简单，调节速度快，但其本身产生 的谐波需要进行抑制，否则会对系统造成污染。 28 Chapter 9 9-1开关电器的功能是什么？P257 开关电器是一种重要的输配电设备，是电力系统中发电、输电、变电、供电、配电、用电各环节以及电 力拖动系统中重要的控制设备和保护设备。开关电器的主要功能是接通和断开电路，即对电路进行“开通”和 “关断”，具体来讲，开关电器的主要作用表现控制作用、保护作用、 作用，接地保护。 9-2开关电器有哪些类型？P257-258 按照使用电压的高低分为高压开关电器和低压开关电器； 按照安装地点分为户内和户外两类； 按照组装方式分为分配式和成套式； 按照功能分为断路器、 开关、熔断器、负荷开关、自动重合器和自动分段器。 9-3开关电器的主要技术参数有哪些？P258 开关电器的主要技术参数包括额定电压、额定绝缘水平、额定电流、额定短时耐受电流、额定短路开断 电流、额定短路关合电流、自动重合闸性能等。 9-4高压断路器的作用是什么？对其有哪些基本要求？P268 高压断路器是电力系统的最重要的控制和保护设备.对维持电力系统的安全、经济和可靠运行起着非常重 要的作用。在负荷投入或转移时，它应该准确地关合、承载、开断运行回路的正常电流。在设备（如发电机、 变压器、电 等）出现故障或母线、输配电线路出现故障时，它能自动地将故障切除，从而保证非故障点 的安全连续运行• 离压断路器的基本要求：1）工作可靠；2）具有足够的开断能力；3）具有尽可能短的切断时间；4）具 有自动重合闸性能；5）具有足够的机械强度和良好的稳定性能；6）结构简单、价格低廉。 9-5高压断路器主 和主要类型有哪些？P268-269 真空高压断路器由真空灭弧室、保护罩（ 罩）、动触头、静触头、导电杆、开合橾作机构、支持绝 缘子、支持套管、支架等 .其 是真空灭弧室。 高压断路的主要类型：1）油断路器 （包括多油断路器和少油断路器）2）线真空断路器有哪些特点？P272 1. 绝缘性能好。 2. 灭弧性能强。 3. 使用 长（机械 和电 ）。 4. 结构简单，体积小，重量轻，噪音低。 5. 因无油，火灾的可能性很小，同时对环境没有污染。 6. 检修间隔时间长、 方便。 9-7 开关在系统中的作用是什么？P274 开关的作用是 基本没有电流时，将电气设备和高压电源隔开或接通。其主要功能是： 29 1. 电压 2. 切合小电流 3. 切换电路 9-8开关电器中常采用的灭弧方法有哪些？试列举2〜3种并说明其灭弧原理？ 1. 提高触头的分闸速度 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散 的作用。 2. 采用多断口 在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段；多断口使电弧的总长度加长，导致弧隙的电阻 增加；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介 质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。采用多断口时，加在每一断口上的电压成倍减少，降低了弧隙的恢复 电压，亦有利于熄灭电弧。 3. 吹弧 用新鲜而且低温的介质吹弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外，加强了扩散，并代之以绝缘性能高的新 鲜介质，同时，由于电弧被拉长变细，使弧隙的电导下降。吹弧还使电弧的温度下降，热游离减弱，复合加 快。 4. 短弧原理灭弧 在交流电路中，当电流自然过零时，所有短弧几乎同时熄灭，而每个短弧都会在电极之间形成一定的介 质恢复强度，过零后如果介质恢复强度始终大于外施电压，电弧就不再重燃而熄灭，在电路中，每一短弧的 电极之间有一定的电压降。如果所有串联短弧阴极区的电压降的总和 大子触头间的外施电压，会迫使直 流电流过零，过零后如果介质恢复强度始终大于外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。 5. 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入又灭弧片 的狭缝中，把电弧迅速拉 长的同时，使电弧与灭弧片的内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生 去游离。 6. 用耐高溫金魇材料制作触头 触头材料对电弧中的去游离也有一定影响，用 高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可 以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。 7. 用优质灭弧介质 灭弧介质的特性，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这 些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用压缩空气、六氟化硫气体、真空等作为灭弧介 质。 9-9负荷开关的作用是什么？它与 开关在结构原理上的主要区别是什么？ 高压负荷开关是一种结构比较筒单，具有一定开断和关合能力的开关电器。它具有灭弧装置和一定的分 合闸速度，能开断常的负荷电流和过负荷电流，也能关合一定的短路电流，但不能开断短路电流 因此，高 。 压负荷开关可用于控制供电线路的负荷电流，也可以用来控制空载线路、空载变压器及电容器等。高压负荷 开关在分闸时有明显的断口，可起到 开关的作用，与高压熔断器串联使用，前者怍为操怍电器投切电路 的正常负荷电流，而后者作为保护电器开断电路的短路电流及过负荷电流。在功率不大或可靠性要求不高的 配电回路中代替断路器，可以筒化配电装置，降低设备费用。 30 9-10低压断路器中的热脱器的作用是什么？P262 热脱扣器要负担主电路的过载保护功能，其执行 主要由热膨胀系数不同的双金属片 。当电路过 载时，热脱扣器的热敏元件发热使得双金属片向上弯曲，推动 脱口机构动作，通常用于长延时保护（过 载保护）。 9-11熔断器的作用与特点？P278 熔断器是一种短路电流保护器，广泛应用于高、低压配电系统和控制系统以及用电设备中，主要进行短 路保护或严重过载保护。 熔断器的优点是结构简单、体积小、布置紧凑、使用方便；动作直接，不需要继电保护和二次回路相配 合；价格低。 熔断器的缺点是每次熔断后须停电更换熔件才能再次使用，增加了停电时间；保护特性不稳定；保护选 择性不易配合 9-12熔断器的结构与工作原理 P278 熔断器是熔断器主要是由熔体、触头、灭弧装置和安装熔体的绝緣管组成。 熔体在正常工作时起导通电路的怍用，在故障情况下熔体将首先熔化，从而切断电路以实现对其他设备 的保护。 熔断器的动怍是靠熔体的熔断来实现的。当通过熔断器的电流大于规定值时，以其自身产生的热量使熔 体熔化而自动分断电路。 9-13高压熔断器是如何分类的? 1. 按安装的地点不同：分为户外型和户内型 2. 按熔管的安装情况：分为固定式和自动跌落式 3. 按开断电流的方式：分为限流式和无限流式 使用电压、保护对象、结构 P278 9-14为什么在一般的高压熔断器中采用高 的铜丝，而不采用低 的铅锡合金作熔件？P278 铜丝经过处理后，其保护特性优于铅锡合金。当铜丝和铅锡合金丝长度相等、其额定电流也相等时，铅 锡合金丝电阻率大，制造的体积也大，因为热容量也大，其熔断的时间较长，而铜丝，电阻率小，体积小， 热容量小，熔断时间较短，但由铜丝做的熔丝因截面积小而不易安装，因此，必须将铜丝做大，为降低其熔 化温度，最筒单的用是冶金效应法（或称金属溶剂法），即使难熔的金属在某种合金状态下变为易熔材料的 方法。如在难溶金属铜的表面焊上金属锡的小球，当熔件发热到锡的溶化温度时，锡小球先溶化，渗入铜丝 内产生铜锡合金，该合金溶点比铜大大降低，且发热量剧增，因此，铜丝将首先在焊有小锡球处熔断，产生 电弧，电弧的高温足以使铜丝全长熔化，切断电路。 9-15继电器的作用? P279 继电器是一种电子控制电器，根据电气量（如电压、电流等）或非电气量（如热、时间、压力、转速等） 的变化接通或断开电路以实现自动控制和保护电力装置的电器。实质上，它是一种用小电流控制大电流 的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 1）扩大控制范围；2）放大作用；3）综合信号；4）自动、 、监測功能。 31 9-16继电器的结构和工作原理？ P280 继电器由感測机构、中间机构和执行机构组成，感测机构把感应到的电气量传递给时间机构、将它与额 定的整定值进行比较，当达到整定值时，中间机构便使执行机构动作，接通或断开被控电路。 9-17 热继电器？P280 热继电器是用于电 或其它电气设备、电气线路的过载保拍电器。热继电器是电流通过热元件加热， 使镍铬合金双金属片弯曲，推 构动作的电器。 9-18 成套开关设备？主要绝缘性能参数有哪些？P286—287 以开关设备为主体的成套配电装置，即制造厂根据用户对一次接线的要求，将各种一次电器元件以及控 制、测量、保护等装置组装在一起而 的成套配电设备 绝缘配合、作用电压、外绝缘、电气间隙、对地电气间隙、爬电距离、爬电比距等。 32 Chapter10 10-1 输电线路的金具分类及用途如何？P312 1. 悬垂线夹 用于将导线固定在绝缘子串上或将地线悬挂在直线杆塔上，亦用于支持换位导线，分为固定和释 放悬垂线. 耐张线夹 用于将导线或地线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子串上起锚固作用，分为螺栓、压缩和楔形耐张 夹。 3. 连结金具 用于将悬式绝缘子组装成串悬挂在杆塔上。分为球-窝、板-螺栓和板-板连结金具。 4. 接续金具 用于地线的两端，承受导线和地线的全部張力的持续以及不承受全部张力的持续，分为异型管和 圆型管接续具。 5. 防护金具 用于导、地线的机械防护及绝缘子的电气防护，分为导线防护和绝缘保护金具。 6. 拉线金具 用于拉线杆塔的分类及作用如何？ P315 1. 直线杆塔 用于线路耐 杆塔之间的直线段上，主要承受线路的垂直荷载和横向拉力，并能承受一定的纵 向力。 2. 转角杆塔 用 路小转角处，转角一般不超过20° （直线 ），以悬式绝缘子串o 支持导线，绝缘子串有偏角，用它可以延长耐张段的长度，降低工程造价。 3. 耐张杆塔 用 路转角处或有特殊要求的地方，它可承受较大的横向荷载和纵向荷载，具有加强线路纵向 强度、限制线路事故范围的作用，并可作为施工和检修时的紧线. 换位杆塔 用 路中需要改变导线相位的地方，有直线. 大 塔 用 路 大河流、湖泊或海峡等地方。 档距大（一般在 1000m以上）或塔的高度高时， 导线选型或塔的设计需予以特殊考虑并应 自成一个耐张段。大 塔结构复杂，耗钢量和投资都较高，目 前国内大多采用组合构件铁塔、 塔或钢筋混凝土筒身、钢横担组合塔。 6. 终端杆塔 发电厂或变电所进出线的第一级杆塔，一般用终端杆塔。这种杆塔的特点是需要承受导、地线的 较大纵向张力差。 10-3 线路的防雷措施主要有哪些？ P317-318 1. 架设 地线. 减小杆塔接地电阻。 3. 采用重合闸有效防止供电中断。 4. 采用接地耦合线. 氧化锌避雷器进行保护。 10-4导线的力学性能包括哪些内容？ P308-309 1. 比载 在各种气象条件下，导线每 长度 截面积上的载荷数值，称为比载。比载的 是N/ （m•mm ）。2 2. 弧垂 弧垂是指导线悬挂曲线上任意一点至两侧悬挂点连线. 蠕变 多股绞线受张力后，会产生 性的塑蠕伸长。 4. 振动 振动包括微风振动和次档距振
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