電力系統在特定條件下所出現的超過(guò)工作電壓的異常電壓升高。過(guò)電壓屬于電力系統中的一種電磁擾動(dòng)現象。電工設備的絕緣長(cháng)期耐受著(zhù)工作電壓，同時(shí)還必須能夠承受一定幅度的過(guò)電壓，這樣才能保證電力系統安全可靠地運行。
　　電力系統中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因。過(guò)電壓分為外過(guò)電壓和內過(guò)電壓兩大類(lèi),具體分類(lèi)見(jiàn)表1。研究電力系統中各種過(guò)電壓的起因，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對于電工設備制造和電力系統運行都具有重要意義。各種過(guò)電壓幅值和持續時(shí)間范圍如圖1所示。

 

 

　　無(wú)論外過(guò)電壓還是內過(guò)電壓，都受許多隨機因素的影響，需要結合電力系統具體條件，通過(guò)計算、模擬以及現場(chǎng)實(shí)測等多種途徑取得數據，用概率統計方法進(jìn)行過(guò)電壓預測。
　　針對過(guò)電壓的起因，電力系統必須采取防護措施以限制過(guò)電壓幅值。如安裝避雷線(xiàn)、避雷器、電抗器，開(kāi)關(guān)觸頭加并聯(lián)電阻等，以合理實(shí)施絕緣配合，確保電力系統安全運行。
　　外過(guò)電壓 　又稱(chēng)雷電過(guò)電壓、大氣過(guò)電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起的。分直擊雷過(guò)電壓和感應雷過(guò)電壓兩種。雷電過(guò)電壓的持續時(shí)間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，所以常稱(chēng)為雷電沖擊波。
　　直擊雷過(guò)電壓 　雷閃直接擊中電工設備導電部分時(shí)所出現的過(guò)電壓。雷閃擊中帶電的導體，如架空輸電線(xiàn)路導線(xiàn)，稱(chēng)為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態(tài)的導體，如輸電線(xiàn)路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電的導體放電稱(chēng)為反擊。直擊雷過(guò)電壓幅值U_m可由下式估算：

式中I₀為地面測得的雷電流幅值,單位為kA;Z₀為雷閃放電通道的等值波阻抗（見(jiàn)自然功率），約300Ω；R為雷擊點(diǎn)的接地電阻，單位為Ω。直擊雷過(guò)電壓幅值可達上百萬(wàn)伏，會(huì )破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障。
　　感應雷過(guò)電壓 　雷閃擊中電工設備附近地面，在放電過(guò)程中由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過(guò)電壓。感應雷過(guò)電壓主要發(fā)生在架空輸電線(xiàn)路上，其幅值U_m可由下式估計：

式中h為導線(xiàn)懸掛高度,單位為m；s為雷擊點(diǎn)與導線(xiàn)間的水平距離，單位為m；K為比例系數。當s>65m時(shí),K≈25。感應雷過(guò)電壓幅值約300～400kV，只對35kV及以下電壓等級的電力系統絕緣強度有危險。
　　輸電線(xiàn)路防雷 　架空輸電線(xiàn)路綿延縱橫，最易遭受雷擊,是引起線(xiàn)路故障的主要原因之一,需架設避雷線(xiàn)和接地裝置等進(jìn)行防護。通常用線(xiàn)路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線(xiàn)路防雷能力。耐雷水平是指線(xiàn)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)。雷擊跳閘率是指折合為標準條件下(100km線(xiàn)路,40雷電日／年)雷擊引起的線(xiàn)路跳閘次數(次/百公里·年)。中國220～330kV線(xiàn)路雷擊跳閘率實(shí)際運行統計約為0.39～0.16次/百公里·年。
　　輸電線(xiàn)路一旦出現雷電過(guò)電壓，還將以流動(dòng)波形式沿線(xiàn)路傳播，侵入變電所以后還可能引起絕緣破壞事故。由線(xiàn)路傳來(lái)的雷電過(guò)電壓稱(chēng)為雷電侵入波。需采用避雷器將雷電侵入波削弱到電工設備絕緣所能承受的限度以?xún)取?
　　電力系統中常裝設磁鋼棒、示波器等觀(guān)測記錄儀器以積累雷電過(guò)電壓資料。
　　內過(guò)電壓 　電力系統內部運行方式發(fā)生改變而引起的過(guò)電壓。為了滿(mǎn)足正常運行的需要，或者被迫切除故障,電力系統會(huì )經(jīng)常通過(guò)斷路器操作改變運行方式。電力系統可以看作是一個(gè)由許多電感、電容等性質(zhì)的元件所組成的復雜電路。斷路器操作會(huì )使電力系統從一種電磁狀態(tài)過(guò)渡為另一種電磁狀態(tài)。在這種過(guò)渡過(guò)程中會(huì )出現電磁振蕩，電磁能與靜電能在電感性與電容性的元件中以電路固有頻率交替轉化，以致使電工設備上出現過(guò)電壓。用斷路器操作變電所空母線(xiàn)(可看作由電容和電感組成),它也會(huì )產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓(1.8～2.0倍)。交流電弧的電流每次經(jīng)過(guò)零點(diǎn)都有熄滅和重燃的過(guò)程。通過(guò)斷路器操作切斷電流，或者系統發(fā)生電弧電流接地──弧光接地，在電流最終切斷之前有時(shí)還可能出現多次電弧熄滅與重燃，加劇了電磁振蕩過(guò)程，使過(guò)電壓更為嚴重。上述原因產(chǎn)生的過(guò)電壓稱(chēng)為操作過(guò)電壓，是電力系統內部過(guò)電壓的一種主要類(lèi)型。操作過(guò)電壓的持續時(shí)間約為幾百微秒至幾毫秒，它的峰值也具有脈沖性質(zhì)，稱(chēng)為操作沖擊波。
　　電力系統內部過(guò)電壓還有暫時(shí)過(guò)電壓。暫時(shí)過(guò)電壓還包括諧振過(guò)電壓。
　　電力系統內部過(guò)電壓的能量來(lái)源于系統本身。它的幅值以工作電壓為基礎而增長(cháng)。通常用系統工作電壓(對地的)幅值U

的倍數K·U

來(lái)表示。K值約為1.3～4.0，其大小與系統參數、斷路器性能、中性點(diǎn)接地方式等一系列因素有關(guān)。
　　操作過(guò)電壓 　電力系統由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的過(guò)電壓。常見(jiàn)的操作過(guò)電壓有以下幾種。
　?、倏蛰d線(xiàn)路合閘與重合閘過(guò)電壓：輸電線(xiàn)路具有電感和電容性質(zhì)?？蛰d線(xiàn)路合閘時(shí)簡(jiǎn)化的等值電路原理如圖2所示。

過(guò)電壓

 

　　圖2中L為電源和線(xiàn)路的等值電感，C為線(xiàn)路的等值電容,e（t）為交流電源。當開(kāi)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(guò)渡過(guò)程,電容C（即線(xiàn)路）上的電壓U_C(t)可能達到最大值,即

=2E_m,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(guò)程中的過(guò)電壓

還可能達到3E_m,線(xiàn)路自動(dòng)重合閘時(shí)就會(huì )有這種情況。
　?、谇谐蛰d線(xiàn)路過(guò)電壓：空載線(xiàn)路屬于電容性負載。由于切斷過(guò)程中交流電弧的重燃而引起更劇烈的電磁振蕩,使線(xiàn)路出現過(guò)電壓。其原理如圖3所示。

t₁時(shí)刻工頻電流熄滅，此時(shí)線(xiàn)路仍保持殘余電壓U_c＝＋E_m；t₂-t₃時(shí)高頻電弧第一次重燃又熄滅，使線(xiàn)路電壓經(jīng)過(guò)振蕩達到-3E_m；t₄-t₅時(shí)電弧第二次重燃并熄滅，使線(xiàn)路電壓達到5E_m。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載，都會(huì )因電弧重燃而引起上述過(guò)程的過(guò)電壓。
　?、矍袛嗫蛰d變壓器過(guò)電壓:變壓器是電感性負載,同時(shí)對地還有等值電容。當斷路器K突然切斷電流時(shí),電流變化率

甚大,使變壓器上產(chǎn)生甚高的感應過(guò)電壓

。電流切斷以后,變壓器中殘余的電磁能

又向對地電容C充電，形成振蕩過(guò)程，因而出現過(guò)電壓,稱(chēng)為截流過(guò)電壓。其波形如圖4所示。斷路器操作切除其他電感性負載也會(huì )出現類(lèi)似的過(guò)電壓。

過(guò)電壓

 

　?、芑」饨拥剡^(guò)電壓：中性點(diǎn)不接地系統發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于接地電弧間歇重燃現象而引起的過(guò)電壓。接地電弧每次經(jīng)過(guò)零點(diǎn)都要經(jīng)歷熄滅和重燃的過(guò)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 )穩定地重燃，必須靠開(kāi)關(guān)操作才能切斷。中性點(diǎn)不接地系統,單相接地電流是電容性的,一般超過(guò)10A,電弧既不容易自行熄滅,又不足以穩定重燃,因而發(fā)生間歇重燃現象。電弧每次間歇重燃都引起系統電磁振蕩，并且前后過(guò)程互相影響，振蕩逐次加強，使系統出現過(guò)電壓。
　　弧光接地過(guò)電壓最高可達 3.5U

,U

為系統最大工作相電壓幅值。使用消弧線(xiàn)圈可將弧光接地過(guò)電壓限制到3.0～3.2U

。電力系統中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地，當發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)消弧線(xiàn)圈的電感電流抵消一部分系統電容電流，使故障點(diǎn)電弧電流減小，易于自行熄滅，避免多次重燃。
　　電工設備的絕緣強度必須能夠承受一定幅值的操作過(guò)電壓。主要采取開(kāi)關(guān)觸頭加并聯(lián)電阻的方法限制操作過(guò)電壓的幅值，同時(shí)還可以用避雷器加以防護。通常用一個(gè)單極性的沖擊波來(lái)等效操作過(guò)電壓的最大峰值，以進(jìn)行電工設備的耐壓試驗。
　　暫時(shí)過(guò)電壓 　由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程以后重新達到某種暫時(shí)穩定的情況下所出現的過(guò)電壓。暫時(shí)過(guò)電壓主要是工頻振蕩，持續時(shí)間較長(cháng)，衰減過(guò)程較慢，故又稱(chēng)工頻電壓升高。常見(jiàn)的暫時(shí)過(guò)電壓有以下幾種。
　?、倏蛰d長(cháng)線(xiàn)電容效應（費蘭梯效應）：輸電線(xiàn)路具有電感、電容等分布參數特性。在工頻電源作用下，遠距離空載線(xiàn)路由于電容效應逐步積累，使沿線(xiàn)電壓分布不相等，末端電壓最高。線(xiàn)路首端電壓U₁與末端電壓U₂的關(guān)系為

式中l為線(xiàn)路長(cháng)度，α 為相位系數。K₁₂隨線(xiàn)路長(cháng)度的變化如表2。

過(guò)電壓

 

　　超高壓輸電線(xiàn)路長(cháng)度大于300km時(shí),應考慮電容效應引起的空載線(xiàn)路末端電壓升高。
　?、诓粚ΨQ(chēng)短路接地:三相輸電線(xiàn)路a相短路接地故障時(shí), b、c相上的電壓會(huì )升高，其數值可達相電壓U_ph的α倍：

U_b＝U_s＝αU_ph

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

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

。
　?、鬯ω摵蛇^(guò)電壓：輸電線(xiàn)路因發(fā)生故障而被迫突然甩掉負荷時(shí)，由于電源電動(dòng)勢尚未及時(shí)自動(dòng)調節而引起的一種暫時(shí)過(guò)電壓。
　　此外，電力系統工頻或非工頻的諧振，以及非線(xiàn)性鐵磁諧振等也都屬于暫時(shí)過(guò)電壓。
　　電工設備的絕緣強度一般應能承受暫時(shí)過(guò)電壓。超高壓遠距離輸電線(xiàn)路需安裝并聯(lián)電抗器補償線(xiàn)路電容效應，以降低暫時(shí)過(guò)電壓。
　　諧振過(guò)電壓 　電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線(xiàn)方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過(guò)電壓。諧振過(guò)電壓一般按起因分為以下3種。
　?、倬€(xiàn)性諧振過(guò)電壓：構成諧振回路的電工設備的電感、電容等參數是常數，不隨電壓或電流而變化。例如輸電線(xiàn)路的電感和電容，線(xiàn)路串聯(lián)補償用電容器，鐵心具有線(xiàn)性勵磁特性的消弧線(xiàn)圈等。諧振過(guò)電壓主要因串聯(lián)諧振的電路原理而產(chǎn)生。當系統在某種接線(xiàn)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)諧振現象，使電工設備出現過(guò)電壓。
　?、阼F磁諧振過(guò)電壓：諧振回路中的電感元件因鐵心的磁飽和現象，使電感參數隨電流（磁通）而變化，成為非線(xiàn)性電感。例如，電磁式電壓互感器就是這種元件。非線(xiàn)性電感與電容串聯(lián)而激發(fā)起的一種諧振現象稱(chēng)為鐵磁諧振，它會(huì )使電氣設備出現過(guò)電壓。由于發(fā)生鐵磁諧振回路中的電感不是常數，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。
　?、蹍⒘恐C振過(guò)電壓：發(fā)電機轉動(dòng)時(shí)等效電感參量發(fā)生周期性變化，若連接容性負載，如空載輸電線(xiàn)路，會(huì )與電容形成諧振，甚至在無(wú)勵磁的情況下，也能使發(fā)電機端電壓不斷上升，形成過(guò)電壓。這種現象又稱(chēng)作發(fā)電機自勵過(guò)電壓。參量諧振所需要的能量是由機械功通過(guò)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(guò)電壓的主要措施。還應力求從系統運行方式上避免可能發(fā)生的諧振過(guò)電壓。
　　參考書(shū)目
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　張偉鈸、高玉明編：《電力系統過(guò)電壓與絕緣配合》，清華大學(xué)出版社，北京，1988。
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