發(fā)電廠電氣部分 第三版 習題參考答案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——發(fā)電廠電氣部分第三版習題參考答案第一章電力系統(tǒng)概述

1．何謂電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及電力網(wǎng)?

答：電力系統(tǒng)是指由發(fā)電機、輸配電線路、變配電所以及各種用戶用電設備連接起來所構成的有機整體。

動力系統(tǒng)由電力系統(tǒng)再加上發(fā)電廠的動力部分（火電廠的鍋爐、汽輪機、熱力管網(wǎng)等；水電廠的水庫、水輪機、壓力管道等）構成。

電力網(wǎng)指在電力系統(tǒng)中，由各種不同電壓等級的電力線路和變配電所構成的網(wǎng)絡，簡稱電網(wǎng)。

2．聯(lián)合成電力系統(tǒng)并不斷擴大有什么優(yōu)越性?答：聯(lián)合成電力系統(tǒng)并不斷擴大的優(yōu)越性有：（1）提高供電的可靠性；

（2）減少系統(tǒng)中總備用容量的比重；（3）減少總用電負荷的峰值；（4）可以安裝高效率的大容量機組；

（5）可以水火互濟儉約能源改善電網(wǎng)調(diào)理性能；（6）可以提高電能質(zhì)量。

3．何謂電力系統(tǒng)額定電壓?我國電網(wǎng)和用電設備的額定電壓有哪些等級?

答：額定電壓指某一受電器（電動機、電燈等）、發(fā)電機和變壓器等在正常運行時具有最大經(jīng)濟效益的電壓。

我國電網(wǎng)和用電設備的額定電壓等級有220V、380V、3kV、6kV、10kV、35kV、60kV、110kV、154kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV。

4．電能的質(zhì)量指標有哪幾項?簡要說明其內(nèi)容。答：電能的質(zhì)量指標主要是頻率、電壓和波形三項。

（1）頻率：對大型電力系統(tǒng)，頻率的允許范圍為50Hz±0.2Hz，對中小電力系統(tǒng)，頻率的允許范圍是50Hz±0.5Hz。

（2）我國規(guī)定用戶處的電壓容許變化范圍是：1）由35kV及以上電壓供電的用戶：±5％；

2）由10kV及以下電壓供電的高壓用戶和低壓電力用戶：±7％；3）低壓照明用戶：-10％～+5％。

（3）波形：電力系統(tǒng)供電電壓或電流的標準波形是正弦波。

5．電力系統(tǒng)中性點有哪幾種運行方式?各有什么優(yōu)缺點?我國大體上用怎樣的電壓等級范圍?

答：（1）電力系統(tǒng)中性點運行方式

電力系統(tǒng)中性點運行方式有中性點不接地、直接接地、經(jīng)電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地運行方式。其中經(jīng)電阻接地又分經(jīng)高電阻接地、經(jīng)中電阻接地和經(jīng)低電阻接地三種。中性點直接接地、經(jīng)中電阻接地和經(jīng)低電阻接地稱為大接地電流系統(tǒng)；中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高電阻接地稱為小接地電流系統(tǒng)。

1

（2）各運行方式的優(yōu)缺點

小接地電流系統(tǒng)的優(yōu)點：單相接地時，三相間線電壓仍保持對稱和大小不變，對電力用戶的繼續(xù)供電并無影響。缺點：兩個非故障相的對地電壓升高至?3倍，所以在中性點不接地的電力網(wǎng)中，各種設備的對地絕緣應按線電壓設計，才能承受在一相接地時，非故障相對地電壓的升高影響。在中性點不接地的電力網(wǎng)中，一相接地時接地點的接地電流等于正常時相對地電容電流的三倍，經(jīng)消弧線圈接地的電力網(wǎng)中，可以大大減小一相接地時接地點的接地電流，但欠補償時簡單發(fā)生振蕩，引起內(nèi)過電壓。

大接地電流系統(tǒng)的優(yōu)點：單相接地時，非故障相對地電壓保持不變，各種設備的對地絕緣按相電壓設計即可。缺點：可靠性較低，發(fā)生單相接地故障時，故障的送電線路被切斷，因而使用戶的供電中斷。

經(jīng)電阻接地運行方式的優(yōu)點：使接地電容電流向阻性發(fā)展，避免系統(tǒng)振蕩引起過電壓。

缺點：高電阻接地不適用于故障電容電流大于4～5A的網(wǎng)絡，應用

范圍較小。低電阻接地接地時則接地電流較大。

（3）目前我國所用的電壓等級范圍

1）對于6～l0kV系統(tǒng)，主要由電纜線路組成的電網(wǎng)，在電容電流超過7A時，采用電阻接地。在電容電流低于7A，或由架空線組成的電網(wǎng)，則采用不接地的運行方式；

2）6~20kV發(fā)電機或調(diào)相機回路，中性點可采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高電阻接地方式（即經(jīng)過二次側接電阻的接地變壓器接地）；

3）35kV系統(tǒng)，一般均采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式；

4）110kV及以上系統(tǒng)，一般均采用中性點直接接地的方式。在一些多雷山區(qū)，為了提高供電的可靠性，有的110kV系統(tǒng)中性點也采用經(jīng)消弧線圈接地的方式；

5）1kV以下系統(tǒng)，中性點采用不接地的方式運行。380/220V三相四線制電網(wǎng)的中性點，是為了適應受電器取得相電壓的需要而直接接地。

6．如何計算系統(tǒng)單相接地時的電容電流?如何選擇消弧線圈容量?答：（1）線路一相接地電容電流可近似地用以下公式估計：1）對于架空電網(wǎng)

IC=(2.7～3.3)U?-?×10-3（A）

式中的系數(shù)，沒有架空地線時取2.7，有架空地線時取3.3。對于同桿架設的雙回路，電容電流為單回路的1.3～1.6倍。

2）對于電纜電網(wǎng)

IC=0.1U?-?（A）

式中U?-?——電網(wǎng)線電壓（kV）；

l——有直接電連接的這一電壓級電網(wǎng)送電線路的長度（km）。（2）消弧線圈容量的選擇

選擇消弧線圈的容量，應考慮電網(wǎng)五年左右的發(fā)展規(guī)劃，并按過補償方式考慮，其容量按下式計算

S=1.5IC·U?（kVA）

式中IC——電網(wǎng)一相接地電容電流（A）；U?——電網(wǎng)相電壓（kV）。

2

7．電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定是一種什么狀況?穩(wěn)定問題分為哪幾類?

答：（1）電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定時，系統(tǒng)產(chǎn)生自發(fā)性振蕩，或者各機組間產(chǎn)生猛烈的相對運動，以至于系統(tǒng)的頻率和電壓大幅度變化，不能保證對負荷的正常供電，造成大量用戶停電。

（2）電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題是指當系統(tǒng)受到擾動后能否繼續(xù)保持各發(fā)電機之間同步運行的問題。根據(jù)系統(tǒng)受到擾動的大小及運行參數(shù)變化特性的不同，尋常將系統(tǒng)的穩(wěn)定問題分為三大類，即靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。

靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在運行中受到微小擾動(如短時的負荷波動)后，能夠自動恢復到原有運行狀態(tài)的能力。

暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在運行中受到大的擾動(如切除機組、線路或發(fā)生短路等)后，經(jīng)歷一個短暫的暫態(tài)過程，從原來的運行狀態(tài)過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。

動態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在運行中受到大擾動后，保持各發(fā)電機在較長的動態(tài)過程中不失步，由衰減的同步振蕩過程過渡到穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。

其次章短路電流的計算

1．何謂短路？引起短路的主要原因是什么？發(fā)生短路后可能有什么后果？

答：（1）電力系統(tǒng)短路指電力系統(tǒng)中相與相之間或相與地之間（中性點直接接地系統(tǒng)）通過電弧或其它較小阻抗而形成的一種非正常連接。

（2）發(fā)生短路的原因

1）電氣設備載流部分絕緣損壞。如大氣過電壓，操作過電壓，絕緣老化，機械性損傷，設計、安裝、運行維護不良；

2）意外事件引起的短路。如輸電線路斷線、倒桿、雷擊等；

3）人為事故。如帶負荷拉開或合上隔離開關、帶地線合閘、將掛地線設備投入運行等；4）異物跨接導體。如鳥獸跨接、樹枝跨接等。（3）電力系統(tǒng)短路后的后果

1）短路點電弧可能燒壞設備，甚至引起火災；

2）短路電流產(chǎn)生大量的熱量，引起溫度升高，甚至會損壞絕緣；3）短路電流在導體中產(chǎn)生的電動力，可能使導體發(fā)生變形，甚至損壞；4）系統(tǒng)電壓大幅下降影響用戶的供電，嚴重時甚至破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定；5）短路電流產(chǎn)生的電磁感應會干擾通訊線路，甚至危及設備和人身安全。

2．何謂次暫態(tài)短路電流、沖擊短路電流、短路全電流最大有效值及穩(wěn)態(tài)短路電流？計算這些電流的用途是什么？

答：（1）在第一個周期內(nèi)周期分量的有限值稱為次暫態(tài)短路電流，是校驗斷路器開斷能力的依據(jù)；

（2）短路電流在短路后半個周期(t=0.01s)時，瞬時值達到最大，該最大值稱為沖擊短路電流，是校驗電氣設備動穩(wěn)定能力的依據(jù)；

（3）出現(xiàn)在沖擊短路電流ish處的周期分量有效值和非周期分量的均方根值稱為短路全電流最大有效值，故障切斷時間小于0.1s時，檢驗斷路器的開斷能力；

（4）短路后，非周期分量衰減完，暫態(tài)過程終止，就進入穩(wěn)定狀態(tài)，此時的短路電流稱為穩(wěn)態(tài)短路電流，是短路后計算殘壓的依據(jù)。

3

3．用標么值對元件電抗和短路電流計算有什么好處?如何將任意基準下元件電抗的標么值換算成選定基準下元件電抗的標么值?

答：（1）用標么值對元件電抗和短路電流計算的好處有：

1）用標么值進行計算時，只要選定的基準容量一致，基準電壓按規(guī)定的平均額定電壓選取，按電抗所在電壓級計算所求得的標么值，可適用于其他電壓級；

2）相間電壓的標么值與相電壓的標么值相等；3）三相功率的標么值與單相功率的標么值相等；

4）三相電路的歐姆定律公式I*=U*/X*，功率方程式S*=U*·I*與單相電路一致；

5）當電壓標么值U*=1時，功率的標么值等于電流的標么值，等于電抗標么值的倒數(shù)，即S*=I*=1/X*

（2）任意基準下元件電抗的標么值換算成選定基準下元件電抗標么值的方法：

設XN、UN、SN分別是額定參數(shù)下的標么值，換算成選定基準下元件電抗標么值可按公式

2UNSXXd*??XN*??d2

XdSNUd計算，當UN與Ud相等時，可按公式：

Xd*?XN*?計算。其它基準下元件電抗的標么值換算一樣。

SdSN4．何謂無限大容量電源?無限大容量電源供電的短路暫態(tài)過程有什么特點?如何計算無限大容量電源供電的短路電流?

答：（1）無限大容量電源理論上是指系統(tǒng)容量S→∞，系統(tǒng)電抗Xs→0,其出口分界母線的電壓在短路時能保持不變。

在實際電力系統(tǒng)中，某容量很小的支路（該支路中各元件的容量較系統(tǒng)容量小得多，其阻抗比系統(tǒng)阻抗大好多）發(fā)生短路時，引起系統(tǒng)母線電壓的變化很小。

在分析及計算時，為了便利認為該電源是一內(nèi)部阻抗ZG=0（xG=0，rG=0），系統(tǒng)母線電壓為恒定的電源，稱這種電源為無限大容量電源。

（2）無限大容量電源供電的短路暫態(tài)過程的特點是周期短路電流的幅值始終維持不變。（3）無限大容量電源供電的短路電流的計算方法：1）作出計算電路圖；

2）作出對各短路點的等值電路圖；

3）對等值電路圖進行化簡，求出短路回路總電抗X?*；4）進行短路電流的計算。周期短路電流標么值的計算公式：

IP??1X??周期短路電流有效值的有名值等于其標么值乘以電流基準值，公式為

Ip=Ip*·Id=Id/X*

4

對無限大容量電源，穩(wěn)態(tài)短路電流等于周期短路電流。非周期短路電流inp按指數(shù)曲線衰減

tTainp?inp0?e沖擊短路電流的計算公式為：

?

ish=?2Ksh·Ip

其中Ksh為短路電流沖擊系數(shù)，對無限大容量電源Ksh=1.8。

5．如何用運算曲線計算發(fā)電機供電的任意時刻三相短路電流周期分量的有效值?答：用運算曲線計算發(fā)電機供電的任意時刻三相短路電流周期分量的有效值的方法：（1）求短路回路總電抗的計算電抗Xca；1）作出計算電路圖；

2）根據(jù)計算電路圖作出等值電路圖；3）化簡等值電路圖；

4）確定短路回路總電抗X?或X?*；5）按以下公式求出計算電抗

Xca??X??SN?SN?X?X?或ca???2UavSd（2）查所需周期短路電流有效值的標么值Ipt*1）按電源性質(zhì)及求得的計算電抗Xca*選擇運算曲線；2）次暫態(tài)短路電流I?的標么值I*?，查t=0時曲線；3）穩(wěn)態(tài)短路電流I?的標么值I?*，查t=4時曲線；

4）需要其它時刻短路電流Ipt*時，查t時的曲線。若所查時刻t，沒有曲線可采用插值法對于Xca*>3時，按無限大系統(tǒng)計算。

8．如圖2-42所示電力系統(tǒng)，計算K點三相短路時，每回輸電線路上的I?、ish、I0.2和I∞，并計算未故障母線I段上的殘壓。(提醒：I段母線的殘壓即I段母線對短路點的電壓)

24

0.5250.14510.360.349350.1450.525

圖2-42第8題計算用圖

圖2-8-1等值電路圖

4

0.52517

109110.30.07250.37250.3280.780.874

圖2-8-2等值電路化簡（一）圖2-8-3等值電路化簡（二）圖2-8-4等值電路化簡（三）

答：

5

3）k點次暫態(tài)短路電流有名值I?=0.900+2.407=3.307kA

k點沖擊短路電流ish=?2KshI?，變壓器后短路時Ksh=1.85，則，

ish=?2×1.85×3.307=8.664kA

k點穩(wěn)態(tài)短路電流有名值I∞=0.778+1.744=2.522kA

11．如圖2-45所示電力系統(tǒng)，已知K1短路時短路點的I?＝2.51kA，求K2點三相短路時短路點的I?。

11K1

21.75

K2

圖2-45第11題計算用圖

圖2-11-1等值電路圖答：

（1）網(wǎng)絡化簡

1）畫等值電路圖，各電抗按順序編號，如圖2-11-1。2）電抗1、2串聯(lián)電抗合并為X3，如圖2-11-2。（2）參數(shù)計算1）各元件參數(shù)：取Sd=500MVA，Ud=Uav系統(tǒng)及雙回路線電抗X1：

基準電流Id=Sd/(?3·Ud)=500/(?3×115)=2.51kA已知K1短路時短路點的I?＝2.51kA，則X1=Id/I?=1變壓器：X2=(Ud%/100)·Sd/SN=(10.5/100)×500/30=1.752）電抗1、2串聯(lián)電抗合并X3=X1+X2=1+1.75=2.75（3）K2點三相短路時短路點的I?K2點三相短路時短路點的I*?=1/2.75

基準電流Id=Sd/(?3·Ud)=500/(?3×10.5)=27.5kAK2點三相短路時短路點的I?=27.5/2.75=10kA

22.75

圖2-11-2

K2

等值電路化簡

11

第三章導體的發(fā)熱、電動力效應

1．引起導體和電器發(fā)熱的原因是什么?答：引起導體和電器發(fā)熱的原因是：

（1）電阻損耗：由電阻引起，是損耗的主要形式；

（2）磁滯損耗：由交變磁場的作用引起，針對鐵磁材料零配件；

（3）渦流損耗：由交變磁場的作用引起，磁性或非磁性導電材料零配件均有；（4）介質(zhì)損耗：由強電場的作用引起，針對絕緣材料。

2．導體和電器的發(fā)熱有哪兩種類型?各有什么特點?對導體和電器的工作可能造成什么影響?

答：（1）導體和電器的發(fā)熱類型有：

1）長期發(fā)熱狀態(tài)。正常時，導體長期流過工作電流引起的發(fā)熱；

特點：工作電流和發(fā)熱是持續(xù)的，溫度升高到某一值時，發(fā)熱與散熱將達到平衡。2）短時發(fā)熱狀態(tài)。短路時，導體短時間流過短路電流引起的發(fā)熱。

特點：①導體中流過短路電流數(shù)值大，但持續(xù)的時間很短，一般為零點幾秒到幾秒鐘（斷路器全開斷時間）。

②導體的溫度在短時間內(nèi)上升很快，短路電流產(chǎn)生的熱量幾乎來不及向周邊散熱，可以看作絕熱過程。

③導體溫度變化很大，導體電阻值R、導體的比熱容C不能看作常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。（2）對導體和電器的工作可能造成的影響：①使導體材料的機械強度顯著下降；②破壞接觸連接部分的工作；③顯著降低導體絕緣材料的絕緣強度。

3．為什么要規(guī)定導體和電器的發(fā)熱允許溫度?長期發(fā)熱允許溫度和短時發(fā)熱允許溫度是如何具體規(guī)定的?

答：（1）規(guī)定導體和電器的發(fā)熱允許溫度的原因：導體和電器的溫度超過發(fā)熱允許溫度將引起好多不良后果。

1）降低機械強度。導體的溫度超過一定允許值后，會導致導體材料退火，使機械強度顯著下降。在短路電流產(chǎn)生的電動力作用下將引起導體變形，甚至使導體結構損壞。如鋁和銅在溫度分別超過100℃和150℃后，其抗拉強度急劇下降。

2）影響接觸電阻。觸頭和連接部位由于溫度過高，表面會猛烈氧化并產(chǎn)生一層電阻率很高的氧化層薄膜，從而使接觸電阻增加，導致溫度進一步升高，形成惡性循環(huán)，直至燒紅、松動甚至熔化。

3）降低絕緣強度。溫度超過允許值時，絕緣材料將加速老化，喪失原有的機械性能和絕緣性能，甚至引起絕緣擊穿、直至燒毀。

（2）長期發(fā)熱允許溫度和短時發(fā)熱允許溫度的具體規(guī)定。

1）長期發(fā)熱允許溫度的具體規(guī)定。采用螺栓連接時，電器設備正常工作溫度不應超過70℃。計及太陽輻射影響時，鋼芯鋁鉸線及管形導體，按不超過80℃考慮。導體的接觸面處采用搪錫處理具有可靠的過渡覆蓋層時，可按不超過85℃考慮。

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2）短時發(fā)熱允許溫度的具體規(guī)定。硬鋁及鋁錳合金不超過200℃，硬銅不超過300℃。

4．導體和電器正常發(fā)熱計算的目的是什么?滿足怎樣的條件可保證它們在正常運行時的發(fā)熱溫度不超過允許值?

答：（1）導體和電器正常發(fā)熱計算的目的：根據(jù)電器及導體的工作和發(fā)熱狀況，計算可能達到的最高工作溫度，選擇適合的額定電流。

（2）保證在正常運行時，發(fā)熱溫度不超過允許值的條件是：額定電流小于允許載流量。

5．導體和電器短路時發(fā)熱計算的目的是什么?滿足怎樣的條件可使它們在短路時保證是熱穩(wěn)定的?

答：（1）導體和電器短路時發(fā)熱計算的目的：校驗短路時發(fā)熱的穩(wěn)定。

（2）在短路時，保證是熱穩(wěn)定的條件是：當短路過程終止時的溫度?k不大于導體材料短時發(fā)熱的最高允許溫度?al，即

?k≤?al

則認為該導體在此短路條件下是熱穩(wěn)定的。

或者，導體短時熱穩(wěn)定條件是：截面大于最小截面Smin?（Qk短路電流熱效應值）

2電器的短時熱穩(wěn)定條件是：Qk?Itt

1CKfQk，

（It——t秒內(nèi)允許通過的短時熱電流(或短時耐受電流)。）6．如何計算短路電流周期分量和非周期分量的熱效應?答：短路電流周期分量的熱效應的計算：Qp?短路電流非周期分量的熱效應的計算：Qnp?tk12[(I??)2?10I02.5t?It2]

Ta(I??)2?A(?al??0)

R7．導體的允許載流量是如何確定的?有哪些措施能提高導體的允許載流量?答：導體的允許載流量：Ial??A?al?R（?al長期發(fā)熱最高允許溫度；?al允許溫升；?0導體或電器實際溫度）為了提高導體的載流能力，可采取以下措施：

（1）導體材料宜采用電阻率小的材料，如鋁、鋁合金、銅等；

（2）提高導體的長期發(fā)熱允許溫度?al；如鋁導體接頭螺栓連接時?al為70℃，改為超聲搪錫方法則可提高到85℃；

（3）提高導體的散熱能力。導體的散熱能力與導體的形狀、布置方式及散熱方式有關。1）導體形狀：散熱表面積大為好。在一致截面積的條件下，扁矩形截面的周長大，故導體截面形狀宜采用扁矩形或槽形，以獲得較大的散熱表面積。

2）布置方式：使散熱效果最正確。矩形截面導體豎放比平放散熱效果好；兩半槽組成的槽形截面，立縫置于鉛垂面比水平面的散熱效果好。

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3）散熱方式：傳導、對流和輻射。傳導：置于液體介質(zhì)中或由液體內(nèi)冷的導體，主要是傳導散熱；對流：置于室外或采用強制通風的導體，主要是對流散熱；輻射：由溫度高的物體向周邊的自然散熱過程。置于室內(nèi)空氣中的導體，輻射和對流是它的主要散熱方式。由于油漆的輻射系數(shù)較大，所以室內(nèi)硬母線都涂上油漆：A相-黃色、B相-綠色、C相-紅色。這樣除了加強散熱，還便于相序的識別。

8．電動力對導體和電器的運行有哪些危害?

答：正常工作時，電流不是很大，電動力也不大，短路時電動力很大，產(chǎn)生的危害也很大：（1）由于電動力作用，電器產(chǎn)生振動；

（2）載流導體變形，損壞載流部件或損壞絕緣部件（3）電磁繞組變形，損壞電器設備，如變壓器繞組。

9．三一致平面布置的平行導體短路時，哪一相受到的電動力最大?其數(shù)值應如何計算?答：當三相母線安裝于同一平面時，中間相母線所受的電動力最大（約比邊相母線受力大7％）。在三相短路沖擊電流作用下，中間相母線所受的最大電動力為

2F?0.173KxishL（N）a式中：ish——三相短路沖擊電流，kA；

L——兩支持絕緣子之間的一段母線長度，稱為跨距，m；a——相鄰兩相導體的中心距離，m。

10．硬母線的動穩(wěn)定條件是什么?若校驗時動穩(wěn)定條件不能被滿足，可采取哪些措施加以解決?

答：硬母線滿足動穩(wěn)定的條件是：

??≤?al

式中：?al——母線材料的允許應力，Pa。

??——母線受到的最大相間應力。

若計算結果是??>?al，則必需設法減小??。方法是減小絕緣子跨距，令??＝?al，得

Lmax?10?alW10?alW7.6???alWa(m)

1f?ish20.173isha式中：ish——沖擊短路電流，kA；a——母線相間距離，m；W——母線截面形狀系數(shù)，m3。

為避免水平放置的矩形母線因本身重量而過分彎曲，要求絕緣子跨距不得超過1.5～2.0m。絕緣子跨距一般等于配電裝置間隔的寬度。

11．大電流母線為什么常用全連式分相封閉母線?

答：由于大電流母線常用的全連式分相封閉母線具有以下優(yōu)點：

（1）運行可靠性高。母線被封裝在里面，避免了外界自然環(huán)境對母線及其絕緣子的粉塵污染，消除了母線相間短路的可能性。