過電壓

電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過電壓的根本原因。過電壓分為外過電壓和內(nèi)過電壓兩大類。研究電力系統(tǒng)中各種過電壓的起因，預(yù)測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。

無論外過電壓還是內(nèi)過電壓，都受許多隨機(jī)因素的影響，需要結(jié)合電力系統(tǒng)具體條件，通過計(jì)算、模擬以及現(xiàn)場實(shí)測等多種途徑取得數(shù)據(jù)，用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行過電壓預(yù)測。

針對過電壓的起因，電力系統(tǒng)必須采取防護(hù)措施以限制過電壓幅值。如安裝避雷線、避雷器、電抗器，開關(guān)觸頭加并聯(lián)電阻等，以合理實(shí)施絕緣配合，確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

過電壓是指工頻下交流電壓均方根值升高，超過額定值的10%，并且持續(xù)時(shí)間大于1分鐘的長時(shí)間電壓變動(dòng)現(xiàn)象；過電壓的出現(xiàn)通常是負(fù)荷投切的結(jié)果，例如：切斷某一大容量負(fù)荷或向電容器組增能（無功補(bǔ)償過剩導(dǎo)致的過電壓）。

電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動(dòng)現(xiàn)象。電工設(shè)備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時(shí)還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。研究各種過電壓的起因，預(yù)測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。

過電壓分外過電壓和內(nèi)過電壓兩大類。

外過電壓 又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起的。分直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種。雷電過電壓的持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電工設(shè)備導(dǎo)電部分時(shí)所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電的導(dǎo)體 ，如架空輸電線路導(dǎo)線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態(tài)的導(dǎo)體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電的導(dǎo)體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達(dá)上百萬伏，會(huì)破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷過電壓是雷閃擊中電工設(shè)備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過電壓。因此，架空輸電線路需架設(shè)避雷線和接地裝置等進(jìn)行防護(hù)。通常用線路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線路的防雷能力。

內(nèi)過電壓 電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過電壓。有暫態(tài)過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。暫態(tài)過電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓 ，又稱工頻電壓升高。常見的有：①空載長線電容效應(yīng)（費(fèi)蘭梯效應(yīng)）。在工頻電源作用下，由于遠(yuǎn)距離空載線路電容效應(yīng)的積累，使沿線電壓分布不等，末端電壓最高。②不對稱短路接地。三相輸電線路a相短路接地故障時(shí) ，b、c 相上的電壓會(huì)升高。③甩負(fù)荷過電壓，輸電線路因發(fā)生故障而被迫突然甩掉負(fù)荷時(shí)，由于電源電動(dòng)勢尚未及時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)而引起的過電壓。操作過電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快持續(xù)時(shí)間較短的過電壓，常見的有：①空載線路合閘和重合閘過電壓。②切除空載線路過電壓。③切斷空載變壓器過電壓。④弧光接地過電壓。諧振過電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲(chǔ)能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。一般按起因分為：①線性諧振過電壓。②鐵磁諧振過電壓。③參量諧振過電壓。

直擊雷過電壓 　雷閃直接擊中電工設(shè)備導(dǎo)電部分時(shí)所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電的導(dǎo)體，如架空輸電線路導(dǎo)線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態(tài)的導(dǎo)體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電的導(dǎo)體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達(dá)上百萬伏，會(huì)破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。

感應(yīng)雷過電壓 　雷閃擊中電工設(shè)備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過電壓。感應(yīng)雷過電壓主要發(fā)生在架空輸電線路上。

輸電線路防雷 　架空輸電線路綿延縱橫，最易遭受雷擊，是引起線路故障的主要原因之一，需架設(shè)避雷線和接地裝置等進(jìn)行防護(hù)。通常用線路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線路防雷能力。耐雷水平是指線路遭受直接雷擊尚不致引起絕緣閃絡(luò)的最大雷電流值（kA）。

輸電線路一旦出現(xiàn)雷電過電壓，還將以流動(dòng)波形式沿線路傳播，侵入變電所以后還可能引起絕緣破壞事故。由線路傳來的雷電過電壓稱為雷電侵入波。需采用避雷器將雷電侵入波削弱到電工設(shè)備絕緣所能承受的限度以內(nèi)。電力系統(tǒng)中常裝設(shè)磁鋼棒、示波器等觀測記錄儀器以積累雷電過電壓資料。

操作過電壓

電力系統(tǒng)由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的過電壓。常見的操作過電壓有以下幾種。

①空載線路合閘與重合閘過電壓：輸電線路具有電感和電容性質(zhì)。空載線路合閘時(shí)簡化的等值電路原理如圖1所示。圖1中L為電源和線路的等值電感，C為線路的等值電容，e（t）為交流電源。當(dāng)開關(guān) K突然合上時(shí)，在回路中會(huì)發(fā)生以角頻率的高頻振蕩過渡過程，電容C（即線路）上的電壓U_C(t）可能達(dá)到最大值，E_m為交流電源電壓幅值。如果合閘前電容C上還有初始電壓，合閘后振蕩過程中的過電壓還可能達(dá)到3E_m，線路自動(dòng)重合閘時(shí)就會(huì)有這種情況。

②切除空載線路過電壓：空載線路屬于電容性負(fù)載。由于切斷過程中交流電弧的重燃而引起更劇烈的電磁振蕩，使線路出現(xiàn)過電壓。t1時(shí)刻工頻電流熄滅，此時(shí)線路仍保持殘余電壓；t2-t3時(shí)高頻電弧第一次重燃又熄滅，使線路電壓經(jīng)過振蕩達(dá)到-3Em；t4-t5時(shí)電弧第二次重燃并熄滅，使線路電壓達(dá)到5Em。如此推演，直至電弧不再重燃、電流最終切斷為止。切除電容器等其他電容性負(fù)載，都會(huì)因電弧重燃而引起上述過程的過電壓。

③切斷空載變壓器過電壓：變壓器是電感性負(fù)載，同時(shí)對地還有等值電容。當(dāng)斷路器K突然切斷電流時(shí)，電流變化率甚大，使變壓器上產(chǎn)生甚高的感應(yīng)過電壓。電流切斷以后，變壓器中殘余的電磁能又向?qū)Φ仉娙軨充電，形成振蕩過程，因而出現(xiàn)過電壓，稱為截流過電壓。斷路器操作切除其他電感性負(fù)載也會(huì)出現(xiàn)類似的過電壓。

④弧光接地過電壓：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地電弧間歇重燃現(xiàn)象而引起的過電壓。接地電弧每次經(jīng)過零點(diǎn)都要經(jīng)歷熄滅和重燃的過程。較小的電弧電流可以自行熄滅，不致重燃。較大的電弧電流則會(huì)穩(wěn)定地重燃，必須靠開關(guān)操作才能切斷。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，單相接地電流是電容性的，一般超過10A，電弧既不容易自行熄滅，又不足以穩(wěn)定重燃，因而發(fā)生間歇重燃現(xiàn)象。電弧每次間歇重燃都引起系統(tǒng)電磁振蕩，并且前后過程互相影響，振蕩逐次加強(qiáng)，使系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓。

電工設(shè)備的絕緣強(qiáng)度必須能夠承受一定幅值的操作過電壓。主要采取開關(guān)觸頭加并聯(lián)電阻的方法限制操作過電壓的幅值，同時(shí)還可以用避雷器加以防護(hù)。通常用一個(gè)單極性的沖擊波來等效操作過電壓的最大峰值，以進(jìn)行電工設(shè)備的耐壓試驗(yàn)。

暫時(shí)過電壓

由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓。暫時(shí)過電壓主要是工頻振蕩，持續(xù)時(shí)間較長，衰減過程較慢，故又稱工頻電壓升高。常見的暫時(shí)過電壓有以下幾種。

①空載長線電容效應(yīng)（費(fèi)蘭梯效應(yīng)）：輸電線路具有電感、電容等分布參數(shù)特性。在工頻電源作用下，遠(yuǎn)距離空載線路由于電容效應(yīng)逐步積累，使沿線電壓分布不相等，末端電壓最高。超高壓輸電線路長度大于300km時(shí)，應(yīng)考慮電容效應(yīng)引起的空載線路末端電壓升高。

②不對稱短路接地：三相輸電線路a相短路接地故障時(shí)，b、c相上的電壓會(huì)升高，其數(shù)值可達(dá)相電壓U_ph的α倍：U_b=U_c=αU_ph

α 稱為接地系數(shù)，與故障點(diǎn)處系統(tǒng)的零序電抗X0和正序電抗X1的比值有關(guān)：

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)(X0/X1≤3），α約為1.3；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)│X0/X1│趨于無窮大時(shí)，α 趨于1。

③甩負(fù)荷過電壓：輸電線路因發(fā)生故障而被迫突然甩掉負(fù)荷時(shí)，由于電源電動(dòng)勢尚未及時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)而引起的一種暫時(shí)過電壓。此外，電力系統(tǒng)工頻或非工頻的諧振，以及非線性鐵磁諧振等也都屬于暫時(shí)過電壓。

電工設(shè)備的絕緣強(qiáng)度一般應(yīng)能承受暫時(shí)過電壓。超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路需安裝并聯(lián)電抗器補(bǔ)償線路電容效應(yīng)，以降低暫時(shí)過電壓。

諧振過電壓

電力系統(tǒng)中電感、電容等儲(chǔ)能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。諧振過電壓一般按起因分為以下3種。

①線性諧振過電壓：構(gòu)成諧振回路的電工設(shè)備的電感、電容等參數(shù)是常數(shù)，不隨電壓或電流而變化。例如輸電線路的電感和電容，線路串聯(lián)補(bǔ)償用電容器，鐵心具有線性勵(lì)磁特性的消弧線圈等。諧振過電壓主要因串聯(lián)諧振的電路原理而產(chǎn)生。當(dāng)系統(tǒng)在某種接線方式下形成了電感、電容串聯(lián)回路，回路自振頻率又恰好與電源頻率相等或接近時(shí)就會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，使電工設(shè)備出現(xiàn)過電壓。

②鐵磁諧振過電壓：諧振回路中的電感元件因鐵心的磁飽和現(xiàn)象，使電感參數(shù)隨電流（磁通）而變化，成為非線性電感。例如，電磁式電壓互感器就是這種元件。非線性電感與電容串聯(lián)而激發(fā)起的一種諧振現(xiàn)象稱為鐵磁諧振，它會(huì)使電氣設(shè)備出現(xiàn)過電壓。由于發(fā)生鐵磁諧振回路中的電感不是常數(shù)，回路的諧振頻率也不是單一值。同一回路既可能產(chǎn)生工頻的基波諧振，又可能產(chǎn)生高次諧波（如2、 3、5次諧波）或分諧波（如1/2、1/3、1/5次諧波）諧振。

③參量諧振過電壓：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)等效電感參量發(fā)生周期性變化，若連接容性負(fù)載，如空載輸電線路，會(huì)與電容形成諧振，甚至在無勵(lì)磁的情況下，也能使發(fā)電機(jī)端電壓不斷上升，形成過電壓。這種現(xiàn)象又稱作發(fā)電機(jī)自勵(lì)過電壓。參量諧振所需要的能量是由機(jī)械功通過周期性的改變電感參量而提供的。

增大諧振回路的阻尼是限制諧振過電壓的主要措施。還應(yīng)力求從系統(tǒng)運(yùn)行方式上避免可能發(fā)生的諧振過電壓。

諧振過電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲(chǔ)能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。

一般按起因分為：

①線性諧振過電壓。

②鐵磁諧振過電壓。

③參量諧振過電壓。

操作過電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快持續(xù)時(shí)間較短的過電壓，常見的有：

①空載線路合閘和重合閘過電壓。

②切除空載線路過電壓。

③切斷空載變壓器過電壓。

④弧光接地過電壓 。

過電壓一般分成兩大類：雷電過電壓和內(nèi)部過電壓。

雷電過電壓與氣象條件有關(guān)，是外部原因造成的，因此又稱之為大氣過電壓或外部過電壓。

雷電過電壓一般分成：直接雷擊過電壓、雷電反擊過電壓、感應(yīng)雷過電壓和雷電侵入波過電壓。

在輸電線路附近有雷云，當(dāng)雷云處于先導(dǎo)放電階段，先導(dǎo)通道中的電荷對輸電線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)，將與雷云異性的電荷由導(dǎo)線兩端拉到靠近先導(dǎo)放電的一段導(dǎo)線上成為束縛電荷。雷云在主放電階段先導(dǎo)通道中的電荷迅速中和，這時(shí)輸電線路導(dǎo)線上原有束縛電荷立即轉(zhuǎn)為自由電荷，自由電荷向?qū)Ь€兩側(cè)流動(dòng)而造成的過電壓為感應(yīng)過電壓。