過電壓

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%，並且持續時間大於1分鐘的長時間電壓變動現象；過電壓的出現通常是負荷投切的瞬間的結果。正常使用時在感性或容性負載接通或斷開情況下發生。

基本介紹

• 中文名：過電壓
• 外文名：over voltage
• 主要分類：外過電壓和內過電壓
• 出現時間：負荷投切的瞬間的結果

基本介紹

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%，並且持續時間大於1分鐘的長時間電壓變動現象；過電壓的出現通常是負荷投切的結果，例如：切斷某一大容量負荷或向電容器組增能（無功補償過剩導致的過電壓）。

電力系統在特定條件下所出現的超過工作電壓的異常電壓升高，屬於電力系統中的一種電磁擾動現象。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安全可靠地運行。研究各種過電壓的起因，預測其幅值，並採取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對於電工設備製造和電力系統運行都具有重要意義。

過電壓種類

主要分類

過電壓分外過電壓和內過電壓兩大類。

外過電壓 又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷雲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。雷電過電壓的持續時間約為幾十微秒，具有脈衝的特性，故常稱為雷電衝擊波。直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現的過電壓。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於接地狀態的導體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以後又對帶電的導體放電稱為反擊。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。感應雷過電壓是雷閃擊中電工設備附近地面，在放電過程中由於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。因此，架空輸電線路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的防雷能力。

二次過電壓保護器

電流互感器過電壓保護器

內過電壓 電力系統內部運行方式發生改變而引起的過電壓。有暫態過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。暫態過電壓是由於斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以後重新達到某種暫時穩定的情況下所出現的過電壓 ，又稱工頻電壓升高。常見的有：①空載長線電容效應（費蘭梯效應）。在工頻電源作用下，由於遠距離空載線路電容效應的積累，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 ，b、c 相上的電壓會升高。③甩負荷過電壓，輸電線路因發生故障而被迫突然甩掉負荷時，由於電源電動勢尚未及時自動調節而引起的過電壓。操作過電壓是由於進行斷路器操作或發生突然短路而引起的衰減較快持續時間較短的過電壓，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中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發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。

過電壓保護器

過電壓保護器

過電壓起因

電力系統中電路狀態和電磁狀態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。研究電力系統中各種過電壓的起因，預測其幅值，並採取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對於電工設備製造和電力系統運行都具有重要意義。

無論外過電壓還是內過電壓，都受許多隨機因素的影響，需要結合電力系統具體條件，通過計算、模擬以及現場實測等多種途逕取得數據，用機率統計方法進行過電壓預測。

針對過電壓的起因，電力系統必須採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，開關觸頭加並聯電阻等，以合理實施絕緣配合，確保電力系統安全運行。

過電壓型式

直擊雷過電壓 　雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現的過電壓。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於接地狀態的導體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以後又對帶電的導體放電稱為反擊。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，在放電過程中由於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）。

輸電線路一旦出現雷電過電壓，還將以流動波形式沿線路傳播，侵入變電所以後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。需採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。

過電壓

電壓和浪涌過電壓保護電路圖

操作過電壓

電力系統由於進行斷路器操作或發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所示。圖中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，在迴路中會發生以角頻率的高頻振盪過渡過程，電容C（即線路）上的電壓U_C(t）可能達到最大值，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，合閘後振盪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。

空載線路合閘與重合閘過電壓

②切除空載線路過電壓：空載線路屬於電容性負載。由於切斷過程中交流電弧的重燃而引起更劇烈的電磁振盪，使線路出現過電壓。t1時刻工頻電流熄滅，此時線路仍保持殘餘電壓；t2-t3時高頻電弧第一次重燃又熄滅，使線路電壓經過振盪達到-3Em；t4-t5時電弧第二次重燃並熄滅，使線路電壓達到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載，都會因電弧重燃而引起上述過程的過電壓。

切除空載線路過電壓

過電壓

③切斷空載變壓器過電壓：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。電流切斷以後，變壓器中殘餘的電磁能又向對地電容C充電，形成振盪過程，因而出現過電壓，稱為截流過電壓。斷路器操作切除其他電感性負載也會出現類似的過電壓。

④弧光接地過電壓：中性點不接地系統發生單相接地故障時，由於接地電弧間歇重燃現象而引起的過電壓。接地電弧每次經過零點都要經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定地重燃，必須靠開關操作才能切斷。中性點不接地系統，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，又不足以穩定重燃，因而發生間歇重燃現象。電弧每次間歇重燃都引起系統電磁振盪，並且前後過程互相影響，振盪逐次加強，使系統出現過電壓。

過電壓保護電路

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。主要採取開關觸頭加並聯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衝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

由於斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以後重新達到某種暫時穩定的情況下所出現的過電壓。暫時過電壓主要是工頻振盪，持續時間較長，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、電容等分布參數特性。在工頻電源作用下，遠距離空載線路由於電容效應逐步積累，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於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，其數值可達相電壓U_ph的α倍：U_b=U_c=αU_ph

α 稱為接地係數，與故障點處系統的零序電抗X0和正序電抗X1的比值有關：

中性點接地系統(X0/X1≤3），α約為1.3；中性點不接地系統，當│X0/X1│趨於無窮大時，α 趨於1。

③甩負荷過電壓：輸電線路因發生故障而被迫突然甩掉負荷時，由於電源電動勢尚未及時自動調節而引起的一種暫時過電壓。此外，電力系統工頻或非工頻的諧振，以及非線性鐵磁諧振等也都屬於暫時過電壓。

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並聯電抗器補償線路電容效應，以降低暫時過電壓。

過電壓

諧振過電壓

電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發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：構成諧振迴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。例如輸電線路的電感和電容，線路串聯補償用電容器，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諧振的電路原理而產生。當系統在某種接線方式下形成了電感、電容串聯迴路，迴路自振頻率又恰好與電源頻率相等或接近時就會發生串聯諧振現象，使電工設備出現過電壓。

②鐵磁諧振過電壓：諧振迴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而激發起的一種諧振現象稱為鐵磁諧振，它會使電氣設備出現過電壓。由於發生鐵磁諧振迴路中的電感不是常數，迴路的諧振頻率也不是單一值。同一迴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。

③參量諧振過電壓：發電機轉動時等效電感參量發生周期性變化，若連線容性負載，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，也能使發電機端電壓不斷上升，形成過電壓。這種現象又稱作發電機自勵過電壓。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。

增大諧振迴路的阻尼是限制諧振過電壓的主要措施。還應力求從系統運行方式上避免可能發生的諧振過電壓。

過電壓