內(nèi)過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓概況：

由于電力系統(tǒng)中某些內(nèi)部的原因引起的過(guò)電壓稱(chēng)為內(nèi)過(guò)電壓。引起電力系統(tǒng)中出現(xiàn)內(nèi)過(guò)電壓的主要原因有：系統(tǒng)中斷路器(開(kāi)關(guān))的操作、系統(tǒng)中的故障(如接地)以及系統(tǒng)中電感、電容在特定情況下的配合不當(dāng)。根據(jù)過(guò)電壓特點(diǎn)和產(chǎn)生原因的不同，電力系統(tǒng)的內(nèi)過(guò)電壓包括兩類(lèi)，即暫時(shí)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。

操作過(guò)電壓是在電網(wǎng)從一種穩(wěn)態(tài)向另一新穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的，其持續(xù)時(shí)間較短，而暫時(shí)過(guò)電壓基本上與電路穩(wěn)態(tài)相聯(lián)系，其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

暫時(shí)過(guò)電壓包括工頻過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。

由于電力系統(tǒng)中存在儲(chǔ)能元件的電感和電容，所以出現(xiàn)內(nèi)過(guò)電壓的實(shí)質(zhì)是電力系統(tǒng)內(nèi)部電感磁場(chǎng)能量與電容電場(chǎng)能量的振蕩、互換與重新分布，在此過(guò)程中系統(tǒng)中出現(xiàn)高于系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下最高電壓的各種內(nèi)過(guò)電壓。既然內(nèi)過(guò)電壓的能量來(lái)源于電網(wǎng)本身，所以它的幅值與電網(wǎng)的工頻電壓大致上有一定的倍數(shù)關(guān)系。一般將內(nèi)過(guò)電壓的幅值U_m表示成系統(tǒng)的最高運(yùn)行相電壓幅值(標(biāo)么值p.u.)的倍數(shù)，即U_m=Kp.u.。

習(xí)慣上就用此過(guò)電壓倍數(shù)來(lái)表示內(nèi)過(guò)電壓的大小。例：某空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓為1.9倍。這就表明合閘過(guò)電壓的幅值為U_m=-1.9p.u.。

K值與系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式、操作方式、系統(tǒng)容量的大小、系統(tǒng)參數(shù)、中性點(diǎn)運(yùn)行方式、斷路器性能、故障性質(zhì)等諸多因素有關(guān)，并具有明顯的統(tǒng)計(jì)性。我國(guó)電力系統(tǒng)絕緣配合要求內(nèi)過(guò)電壓倍數(shù)不大于表8-1所示數(shù)值。

表8-1                  要求限制的內(nèi)過(guò)電壓倍數(shù)

在正常或故障時(shí)，電力系統(tǒng)中所出現(xiàn)的幅值超過(guò)最大工作相電壓、頻率為工頻(50Hz)的過(guò)電壓稱(chēng)為工頻過(guò)電壓，也稱(chēng)工頻電壓升高，因?yàn)榇祟?lèi)過(guò)電壓表現(xiàn)為工頻電壓下的幅值升高。

工頻過(guò)電壓就其本身過(guò)電壓倍數(shù)的大小來(lái)講，對(duì)系統(tǒng)中正常絕緣的電氣設(shè)備一般是不構(gòu)成危險(xiǎn)的，但是考慮到下列情況，對(duì)工頻過(guò)電壓須予以重視。

(1)工頻電壓升高的大小將直接影響操作過(guò)電壓的實(shí)際幅值。伴隨工頻電壓升高，若同時(shí)出現(xiàn)操作過(guò)電壓，那么操作過(guò)電壓的高頻分量將迭加在升高的工頻電壓之上，從而使操作過(guò)電壓的幅值達(dá)到很高的數(shù)值。

(2)工頻電壓升高的大小影響保護(hù)電器的工作條件和保護(hù)效果。例如避雷器的最大允許工作電壓就是由避雷器安裝處工頻過(guò)電壓值的大小來(lái)決定的，如工頻過(guò)電壓較高，那么避雷器的最大允許電壓也要提高，這樣避雷器的放電電壓和殘壓也將提高，相應(yīng)被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平亦要隨之提高。

(3)工頻電壓升高持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(甚至可持續(xù)存在)，對(duì)設(shè)備絕緣及其運(yùn)行性能有重大影響。例如引起油紙絕緣內(nèi)部游離，污穢絕緣子閃絡(luò)、鐵芯過(guò)熱、電暈等。

在各電壓等級(jí)系統(tǒng)中工頻過(guò)電壓都存在，也都會(huì)帶來(lái)上述三個(gè)影響作用，但是對(duì)于超高壓系統(tǒng)，工頻過(guò)電壓顯得尤為重要，這是因?yàn)樵诔邏合到y(tǒng)中：目前在限制與降低和操作過(guò)電壓方面有了較好的措施；輸電線(xiàn)路較長(zhǎng)，工頻電壓升高相對(duì)比較高。因而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的工頻電壓升高對(duì)于決定超高壓系統(tǒng)電氣設(shè)備的絕緣水平將起愈來(lái)愈大的作用。

常見(jiàn)的幾種工頻過(guò)電壓為：空載線(xiàn)路電容效應(yīng)引起的工頻電壓升高；不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，在正常相上的工頻電壓升高；甩負(fù)荷引起的工頻電壓升高。

上述第二種工頻過(guò)電壓已在《電力系統(tǒng)分析》中有關(guān)非全相狀態(tài)下過(guò)電壓的章節(jié)中作了闡述。而一般發(fā)電機(jī)都有快速滅磁保護(hù)，所以發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓是非主要的工頻過(guò)電壓。

空載線(xiàn)路電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓：

輸電線(xiàn)路具有分布參數(shù)，線(xiàn)路有感性阻抗，還有對(duì)地電容。在距離較短的情況下，工程上可用集中參數(shù)的感性阻抗L、r和電容C₁、C₂所組成的π型電路來(lái)等值，如圖8-1(a)所示。一般線(xiàn)路的容抗遠(yuǎn)大于線(xiàn)路的感抗，故在線(xiàn)路末端空載()的情況下，在首端電壓的作用下，回路中流過(guò)的電流為電容性電流。由于線(xiàn)路感性阻抗中L上的電壓和電容C₂上電壓分別超前和滯后90°，r上壓降與同相，又，由此可得到如圖8-1(b)所示的相量圖。

由圖8-1 (b)所示的柑量圖可以看到：空載線(xiàn)路木端電壓值較線(xiàn)路首端電壓值有較大的升高，這就是空載線(xiàn)路的電容效應(yīng)(空載線(xiàn)路總體表現(xiàn)為電容性阻抗)所引起的工頻電壓升高或工頻過(guò)電壓。

對(duì)于距離較長(zhǎng)的線(xiàn)路，一般需要考慮它的分布參數(shù)特性，輸電線(xiàn)路就需要采用如圖8-2所示的π型鏈?zhǔn)诫娐穪?lái)等值。圖中L₀、C₀分別表示線(xiàn)路單位長(zhǎng)度的電感和對(duì)地電容，X為線(xiàn)路上某點(diǎn)到線(xiàn)路末端的距離,為系統(tǒng)電源電壓，X_S為系統(tǒng)電源等值電抗。

根據(jù)如圖8-2所示的分布參數(shù)π型鏈?zhǔn)降戎惦娐罚覀兛梢郧蟮镁€(xiàn)路上距末端X處的電壓為

                    (8-1)

式中  ——系統(tǒng)電源電壓；

Z——線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)波阻抗；

ω——電源角頻率；

v——光速。

由式(8-1)可見(jiàn)：

(1)沿線(xiàn)路的工頻電壓從線(xiàn)路末端開(kāi)始向首端按余弦規(guī)律分布，在線(xiàn)路末端電壓最高。線(xiàn)路末端電壓為

將此式代入式(8-1)就得

                           (8-2)

這表明為αx的余弦函數(shù)，且在x=0(即線(xiàn)路末端)處達(dá)到最大。

(2)線(xiàn)路末端電壓升高程度與線(xiàn)路長(zhǎng)度有關(guān)。線(xiàn)路首端電壓U₁為

                       (8-3)

這表明線(xiàn)路長(zhǎng)度l越長(zhǎng)，線(xiàn)路末端工頻壓比首端升高得越歷害。對(duì)架空線(xiàn)路，α約為

0.06°/km，當(dāng)αl=90°，即U₂=∞此時(shí)線(xiàn)路恰好處于諧振狀態(tài)。實(shí)際的情況是，這種電壓的升高受到線(xiàn)路電阻和電暈損耗的限制，在任何情況下，工頻電壓升高將不會(huì)超過(guò)2.9倍。

(3)空載線(xiàn)路沿線(xiàn)路的電壓分布。通常已知的是線(xiàn)路首端電壓。根據(jù)式(8-2)及式(8-3)可得

             (8-4)

線(xiàn)路上各點(diǎn)電壓分布如圖8-3所示.

(4)工頻電壓升高與電源容量有關(guān)。將式（8-1）中cos(αl+θ)展開(kāi)，并以代入

由式(8-5)可看出，X_S的存在使線(xiàn)路首端電壓升高從而加劇了線(xiàn)路末端工頻電壓的升高。電源容量越小(X_S越大)，工頻電壓升高越嚴(yán)重。當(dāng)電源容量為無(wú)窮大時(shí)，，工頻電壓升高為最小。因此為了估計(jì)最嚴(yán)重的工頻電壓升高，應(yīng)以系統(tǒng)最小電源容量為依據(jù)。在單電源供電的線(xiàn)路中，應(yīng)取最小運(yùn)行方式時(shí)的X_S為依據(jù)。在雙端電源的線(xiàn)路中，線(xiàn)路兩端的斷路器必須遵循一定的操作程序：線(xiàn)路合閘時(shí)，先合電源容量較大的一側(cè)，后合電源容量較小的一側(cè)；線(xiàn)路切除時(shí)，先切電源容量較小的一側(cè)，后切電源容量較大的一側(cè)。這樣的操作能減弱電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓。

既然空載線(xiàn)路工頻電壓升高的根本原因在于線(xiàn)路中電容性電流在感抗上的壓降使得電容上的電壓高于電源電壓，那么通過(guò)補(bǔ)償這種電容性電流，從而削弱電容效應(yīng)，就可以降低這種工頻過(guò)電壓。超高壓線(xiàn)路，由于其工頻電壓升高比較嚴(yán)重，常采用并聯(lián)電抗器來(lái)限制工頻過(guò)電壓。并聯(lián)電抗器視需要可以裝設(shè)在線(xiàn)路的末端、首端或中部。并聯(lián)電抗器降低工頻過(guò)電壓的效果，我們通過(guò)一具體例子加以說(shuō)明。

【例8-1】 某500kV線(xiàn)路，長(zhǎng)度為250km，電源電抗X_S=263.2Ω，線(xiàn)路每單位長(zhǎng)度電感和電容分別為L₀=0.9μH/m，C₀=0.0127nF/m，求線(xiàn)路末端開(kāi)路時(shí)末端的電壓升高。若線(xiàn)路末端接有X_L=1837Ω的并聯(lián)電抗器，求此時(shí)開(kāi)路線(xiàn)路末端的電壓升高。

不接并聯(lián)電抗器時(shí)，末端線(xiàn)路電壓為

接入并聯(lián)電抗器后，末端線(xiàn)路電壓可用下列公式計(jì)算

可見(jiàn)并聯(lián)電抗器接入后可大大降低工頻過(guò)電壓。但是并聯(lián)電抗器的作用不僅是限制工頻電壓升高，還涉及系統(tǒng)穩(wěn)定、無(wú)功平衡、潛供電流、調(diào)相調(diào)壓、自勵(lì)磁及非全相狀態(tài)下的諧振等因素。因而，并聯(lián)電抗器容量及安裝位置的選擇需綜合考慮。