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。過電壓屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電工設備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時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)安全可靠地運行。
　　電力系統(tǒng)中電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化是產生過電壓的根本原因。過電壓分為外過電壓和內過電壓兩大類,具體分類見表1。研究電力系統(tǒng)中各種過電壓的起因，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設備制造和電力系統(tǒng)運行都具有重要意義。各種過電壓幅值和持續(xù)時間范圍如圖1所示。

 

 

　　無論外過電壓還是內過電壓，都受許多隨機因素的影響，需要結合電力系統(tǒng)具體條件，通過計算、模擬以及現(xiàn)場實測等多種途徑取得數(shù)據(jù)，用概率統(tǒng)計方法進行過電壓預測。
　　針對過電壓的起因，電力系統(tǒng)必須采取防護措施以限制過電壓幅值。如安裝避雷線、避雷器、電抗器，開關觸頭加并聯(lián)電阻等，以合理實施絕緣配合，確保電力系統(tǒng)安全運行。
　　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雷過電壓兩種。雷電過電壓的持續(xù)時間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，所以常稱為雷電沖擊波。
　　直擊雷過電壓 　雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電的導體，如架空輸電線路導線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態(tài)的導體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電的導體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值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（見自然功率），約300Ω；R為雷擊點的接地電阻，單位為Ω。直擊雷過電壓幅值可達上百萬伏，會破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障。
　　感應雷過電壓 　雷閃擊中電工設備附近地面，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備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過電壓。感應雷過電壓主要發(fā)生在架空輸電線路上，其幅值U_m可由下式估計：

式中h為導線懸掛高度,單位為m；s為雷擊點與導線間的水平距離，單位為m；K為比例系數(shù)。當s>65m時,K≈25。感應雷過電壓幅值約300～400kV，只對35kV及以下電壓等級的電力系統(tǒng)絕緣強度有危險。
　　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,需架設避雷線和接地裝置等進行防護。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線路,40雷電日／年)雷擊引起的線路跳閘次數(shù)(次/百公里·年)。中國220～330kV線路雷擊跳閘率實際運行統(tǒng)計約為0.39～0.16次/百公里·年。
　　輸電線路一旦出現(xiàn)雷電過電壓，還將以流動波形式沿線路傳播，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備絕緣所能承受的限度以內。
　　電力系統(tǒng)中常裝設磁鋼棒、示波器等觀測記錄儀器以積累雷電過電壓資料。
　　內過電壓 　電力系統(tǒng)內部運行方式發(fā)生改變而引起的過電壓。為了滿足正常運行的需要，或者被迫切除故障,電力系統(tǒng)會經(jīng)常通過斷路器操作改變運行方式。電力系統(tǒng)可以看作是一個由許多電感、電容等性質的元件所組成的復雜電路。斷路器操作會使電力系統(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過渡為另一種電磁狀態(tài)。在這種過渡過程中會出現(xiàn)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(xiàn)過電壓。用斷路器操作變電所空母線(可看作由電容和電感組成),它也會產生很高的操作過電壓(1.8～2.0倍)。交流電弧的電流每次經(jīng)過零點都有熄滅和重燃的過程。通過斷路器操作切斷電流，或者系統(tǒng)發(fā)生電弧電流接地──弧光接地，在電流最終切斷之前有時還可能出現(xiàn)多次電弧熄滅與重燃，加劇了電磁振蕩過程，使過電壓更為嚴重。上述原因產生的過電壓稱為操作過電壓，是電力系統(tǒng)內部過電壓的一種主要類型。操作過電壓的持續(xù)時間約為幾百微秒至幾毫秒，它的峰值也具有脈沖性質，稱為操作沖擊波。
　　電力系統(tǒng)內部過電壓還有暫時過電壓。暫時過電壓還包括諧振過電壓。
　　電力系統(tǒng)內部過電壓的能量來源于系統(tǒng)本身。它的幅值以工作電壓為基礎而增長。通常用系統(tǒng)工作電壓(對地的)幅值U

的倍數(shù)K·U

來表示。K值約為1.3～4.0，其大小與系統(tǒng)參數(shù)、斷路器性能、中性點接地方式等一系列因素有關。
　　操作過電壓 　電力系統(tǒng)由于進行斷路器操作或發(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。空載線路合閘時簡化的等值電路原理如圖2所示。

過電壓

 

　　圖2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。當開關 K突然合上時，在回路中會發(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,合閘后振蕩過程中的過電壓

還可能達到3E_m,線路自動重合閘時就會有這種情況。
　　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。其原理如圖3所示。

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

甚大,使變壓器上產生甚高的感應過電壓

。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，形成振蕩過程，因而出現(xiàn)過電壓,稱為截流過電壓。其波形如圖4所示。斷路器操作切除其他電感性負載也會出現(xiàn)類似的過電壓。

過電壓

 

　?、芑」饨拥剡^電壓：中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，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穩(wěn)定地重燃，必須靠開關操作才能切斷。中性點不接地系統(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，使系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓。
　　弧光接地過電壓最高可達 3.5U

,U

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

。電力系統(tǒng)中性點經(jīng)過消弧線圈接地，當發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)消弧線圈的電感電流抵消一部分系統(tǒng)電容電流，使故障點電弧電流減小，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電壓。主要采取開關觸頭加并聯(lián)電阻的方法限制操作過電壓的幅值，同時還可以用避雷器加以防護。通常用一個單極性的沖擊波來等效操作過電壓的最大峰值，以進行電工設備的耐壓試驗。
　　暫時過電壓 　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到某種暫時穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓。暫時過電壓主要是工頻振蕩，持續(xù)時間較長，衰減過程較慢，故又稱工頻電壓升高。常見的暫時過電壓有以下幾種。
　　①空載長線電容效應（費蘭梯效應）：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，遠距離空載線路由于電容效應逐步積累，使沿線電壓分布不相等，末端電壓最高。線路首端電壓U₁與末端電壓U₂的關系為

式中l為線路長度，α 為相位系數(shù)。K₁₂隨線路長度的變化如表2。

過電壓

 

　　超高壓輸電線路長度大于300km時,應考慮電容效應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, b、c相上的電壓會升高，其數(shù)值可達相電壓U_ph的α倍：

U_b＝U_s＝αU_ph

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

中性點接地系統(tǒng)(X₀/X₁≤3),α約為1.3；中性點不接地系統(tǒng)，當│X₀/X₁│趨于無窮大時，α 趨于

。
　　③甩負荷過電壓：輸電線路因發(fā)生故障而被迫突然甩掉負荷時，由于電源電動勢尚未及時自動調節(jié)而引起的一種暫時過電壓。
　　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過電壓。
　　電工設備的絕緣強度一般應能承受暫時過電壓。超高壓遠距離輸電線路需安裝并聯(lián)電抗器補償線路電容效應，以降低暫時過電壓。
　　諧振過電壓 　電力系統(tǒng)中電感、電容等儲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。
　?、倬€性諧振過電壓：構成諧振回路的電工設備的電感、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)補償用電容器，鐵心具有線性勵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生。當系統(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就會發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，使電工設備出現(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，它會使電氣設備出現(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。同一回路既可能產生工頻的基波諧振，又可能產生高次諧波（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振過電壓：發(fā)電機轉動時等效電感參量發(fā)生周期性變化，若連接容性負載，如空載輸電線路，會與電容形成諧振，甚至在無勵磁的情況下，也能使發(fā)電機端電壓不斷上升，形成過電壓。這種現(xiàn)象又稱作發(fā)電機自勵過電壓。參量諧振所需要的能量是由機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。還應力求從系統(tǒng)運行方式上避免可能發(fā)生的諧振過電壓。
　　參考書目
　解廣潤主編：《電力系統(tǒng)過電壓》，水利電力出版社，北京，1985。
　陳維賢著：《內過電壓基礎》，電力工業(yè)出版社，北京，1981。
　張偉鈸、高玉明編：《電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合》，清華大學出版社，北京，1988。
　劉繼著：《電氣裝置的過電壓保護》，水利電力出版社，北京，1986。