什么是内部过电压

内部过电压是电力系统中因内部操作或故障引发的瞬态电压升高现象，它区别于外部雷电等引起的过电压，主要源于断路器操作、接地故障、谐振等内部电磁能量剧烈转换。这类过电压可能达到额定电压的数倍，严重威胁电气设备绝缘安全，是电力系统设计、运行与保护中必须深入分析和控制的关键课题。

       当我们谈论电力系统的安全与稳定时，电压的平稳性是基石。然而，在错综复杂的电网中，电压并非总是温顺地保持在额定水平。有一种源自系统内部的“不速之客”——内部过电压，常常在悄无声息间酝酿，并在特定条件下骤然爆发，对设备绝缘构成严峻考验。理解它，不仅是专业工程师的必修课，也是保障我们现代电力生活可靠性的关键一环。

       简单来说，内部过电压是指电力系统由于内部的操作、故障或某些特殊的运行状态，导致电磁能量发生急剧的振荡、积聚与重新分配，从而在系统内部（包括设备、线路等）引起的、持续时间相对短暂但幅值可能很高的电压升高。它与由雷电直击或感应引起的外部过电压（大气过电压）有本质区别，其能量完全来自电网本身。

一、 内部过电压的根源：系统内部的能量剧变

       要理解内部过电压，首先要探究其产生的根源。电力系统是一个由发电机、变压器、输电线路、电缆、电容器、电抗器及各类开关设备构成的巨大电磁能量网络。在稳态运行时，感性与容性元件存储的电磁能量处于动态平衡。一旦这个平衡被突然打破，储存在电感中的磁场能量和电容中的电场能量会相互激烈转换，形成振荡，导致电压在瞬间飙升。这种“打破平衡”的触发事件，主要可以归纳为操作与故障两大类。

二、 核心成因之一：操作过电压

       操作过电压是由系统中开关设备的“分”与“合”操作直接引发的。这并非操作失误，而是开关动作过程中不可避免的物理过程。最常见的包括：

       1. 切空载长线路过电压：当断路器切断一条轻载或空载的远距离输电线路时，线路相当于一个巨大的电容器。断路器触头分离瞬间，电流过零点时电弧熄灭，但线路电容上已经充有电荷，其电压可能处于峰值。由于线路参数（电感、电容）的影响，电荷无处释放，会在线路末端产生反射，形成振荡，导致线路上的电压可能达到电源电压的2至3倍甚至更高。中国电力科学研究院的相关实验研究曾详细记录了这一过程的波形特征。

       2. 切空载变压器过电压：变压器空载时，其励磁电流很小。断路器切断此电流时，可能在电流自然过零点前强制熄弧（截流），迫使储存在变压器绕组电感中的磁场能量突然无处释放，转而向变压器绕组本身的杂散电容充电，从而产生极高的感应电压，对变压器纵绝缘威胁极大。

       3. 合闸（包括重合闸）过电压：将一条带残余电荷的线路（如自动重合闸时故障刚被切除）合闸到电源上，或者仅仅是合上空载线路，都可能因为电压相位不同步、回路参数匹配等原因，产生暂态振荡过程，导致过电压。在特高压交流输电系统中，合闸过电压是决定设备绝缘水平的关键因素之一。

三、 核心成因之二：故障过电压

       当系统发生短路、断线、接地等故障时，也会引发严重的内部过电压。其典型代表是弧光接地过电压。在中性点非有效接地（如不接地或经消弧线圈接地）的系统中，发生单相金属性接地时，非故障相对地电压会升高至线电压，这是工频稳态升高。但如果接地是不稳定的间歇性电弧（如导线对树枝放电），情况就变得复杂。电弧每半个工频周期可能熄灭又重燃，每次重燃都相当于一次对系统电容的再充电过程，从而在系统中激发起高频振荡，可能使非故障相的过电压达到3.5倍相电压甚至更高，并遍及全网。国家电网公司发布的《电力系统过电压保护与绝缘配合导则》对此类过电压有详细的分析与限制要求。

四、 一种特殊的威胁：谐振过电压

       谐振过电压是内部过电压中持续时间较长、危害极大的一种。它并非由能量的突然释放引起，而是源于系统电感与电容参数在特定频率（通常是工频或谐波频率）下匹配，形成了谐振回路。当系统受到操作或故障的扰动时，微小的能量注入就可能被该谐振回路不断放大，导致电压持续升高。根据谐振频率不同，可分为线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。其中，铁磁谐振因涉及变压器、电压互感器等铁芯设备的非线性电感，尤为常见且难以预测。例如，中性点接地的电磁式电压互感器与线路对地电容在一定条件下就可能激发铁磁谐振，导致三相电压不平衡、仪表指示异常，甚至设备Bza 。

五、 内部过电压的基本特性

       与雷电冲击波相比，内部过电压通常表现出不同的特征：其波形往往是衰减振荡波，振荡频率从几十赫兹到几千赫兹不等；持续时间相对较长，从几个毫秒到数秒（谐振过电压可持续更久）；幅值通常以系统最高运行相电压的倍数来衡量，称为过电压倍数。操作过电压倍数一般在2至4倍之间，特殊情况下可能更高。其具体幅值和波形受系统结构、参数、设备特性、操作时序、故障位置等无数因素影响，具有显著的统计特性。

六、 对电力设备的严峻挑战

       内部过电压的破坏力主要作用于电气设备的绝缘系统。无论是变压器、断路器、互感器还是电缆、GIS（气体绝缘金属封闭开关设备），其绝缘设计都必须能够承受一定水平的内部过电压。过电压可能导致：固体绝缘（如环氧树脂、纸板）发生局部放电并最终击穿；液体绝缘（如变压器油）产生气泡和分解；气体绝缘（如六氟化硫气体）间隙被击穿。绝缘的累积性损伤会降低设备寿命，而直接的击穿则引发停电事故。因此，设备出厂前必须通过严格的冲击电压试验，其中就包括模拟内部过电压的“操作冲击试验”。

七、 分析与研究的核心方法

       由于内部过电压过程的复杂性和随机性，现代电力工程主要依靠两种手段进行研究：一是基于电路理论和电磁暂态理论的数字仿真，如使用电磁暂态程序等专业软件，建立详细的系统模型，模拟各种操作和故障场景，计算过电压的分布与大小；二是在实际系统或实验室中进行现场测试与模拟试验，获取第一手数据，验证仿真结果的准确性并校核模型。这两种方法相辅相成，是制定过电压防护措施的基础。

八、 第一道防线：合理选择系统中性点接地方式

       系统中性点是否接地、以何种方式接地，是影响内部过电压水平，尤其是单相接地故障过电压水平的全局性、根本性措施。中性点直接接地系统能有效限制工频电压升高，使单相接地时非故障相电压不致过高，但短路电流大。中性点经消弧线圈接地则能补偿接地电容电流，有利于电弧自熄，抑制弧光接地过电压。中性点不接地系统虽然供电连续性高，但弧光接地过电压风险最大。设计时需要根据电网电压等级、线路长度、供电可靠性要求等综合权衡。

九、 关键控制设备：避雷器与断路器

       金属氧化物避雷器是现代限制内部过电压的主力设备。它并接在被保护设备旁，其阀片电阻具有优异的非线性特性：在正常工频电压下呈现极高电阻，泄漏电流极小；一旦过电压超过其保护水平，电阻急剧下降，将过电压的能量泄放入地，并将设备端子间的电压钳制在一个安全水平。尤其是针对操作过电压设计的无间隙金属氧化物避雷器，已成为变电站和线路的标准配置。同时，采用性能优良的断路器，如带有并联电阻的断路器或选相合闸断路器，可以从源头抑制操作过电压的产生。并联电阻在分合闸过程中提供一个过渡阻抗，阻尼振荡；选相合闸则能控制触头在电压过零点附近动作，减小扰动。

十、 针对谐振过电压的专项治理

       治理谐振过电压需“对症下药”。常用措施包括：改变系统运行方式，破坏可能形成谐振的参数条件；在电压互感器一次侧中性点加装消谐装置（如非线性电阻），增大谐振回路的阻尼；采用电容式电压互感器替代电磁式电压互感器，从根本上消除铁磁谐振的可能；在系统中性点加装小电阻或专用消弧装置，改变系统的零序参数。

十一、 设计阶段的根本预防：绝缘配合

       绝缘配合是一个系统工程概念，其核心是在考虑经济性的前提下，合理确定电力系统中各种设备的绝缘强度，以及限制过电压的措施（如避雷器保护水平），使得设备绝缘能够承受系统可能出现的各种过电压。它像一套量身定制的“盔甲”，确保设备既不会因为“盔甲”过重（绝缘水平过高）而浪费投资，也不会因为“盔甲”过薄（绝缘水平不足）而在过电压冲击下损坏。国际电工委员会和各国标准组织都制定了详细的绝缘配合标准与规程。

十二、 新能源接入带来的新挑战

       随着大规模风电、光伏等分布式新能源通过电力电子变流器接入电网，系统特性发生了深刻变化。这些变流器控制的电源惯量小，响应速度快，其开关频率（通常为数千赫兹）可能激发新型的高频谐振过电压。同时，大量电缆的使用改变了配电网的容性参数，可能加剧某些操作过电压。这对传统的过电压分析方法和防护措施提出了新课题，需要研究适应高比例电力电子装备电网的过电压机理与抑制技术。

十三、 内部过电压的监测与诊断

       为了掌握系统内部过电压的真实情况，评估防护措施的有效性，以及进行事故分析，在线监测变得越来越重要。通过安装专用的过电压监测装置，可以实时记录系统过电压事件的波形、幅值、时间等信息。结合故障录波器和电能质量监测数据，能够对过电压事件进行精准诊断，判断其类型、追溯其源头，为系统的安全运行与优化提供数据支撑。

十四、 典型案例的警示意义

       历史上，因内部过电压引发的重大事故并不鲜见。例如，某超高压变电站曾因切断空载长线路产生严重过电压，导致多台断路器外绝缘闪络。又如，某地区配电网因铁磁谐振过电压，在数小时内连续烧毁十几台电压互感器。这些案例无一不深刻揭示了内部过电压的巨大破坏力，以及进行全面系统分析、采取恰当防护措施的极端必要性。对典型案例进行复盘研究，是提升工程实践水平的重要途径。

十五、 标准与规程的指导作用

       在电力行业，内部过电压的分析、防护与绝缘配合工作，必须严格遵循国家及行业标准。中国国家标准《绝缘配合》系列、能源行业标准《电力系统过电压与绝缘配合导则》等文件，明确了各类系统在不同电压等级下的过电压水平要求、绝缘耐受水平以及保护设备的选用原则。这些标准凝聚了多年的科研与实践经验，是工程设计、设备制造和运行维护的权威依据。

十六、 未来发展趋势与展望

       面向未来更智能、更复杂的电网，内部过电压的研究将朝着更精准、更主动、更协同的方向发展。基于大数据和人工智能的过电压预测与风险评估技术有望实现；开发响应更快、能量吸收能力更强的新型限压器件；实现过电压防护装置与系统控制（如柔 流输电系统装置）的协同优化；深入研究极端工况（如新能源大规模脱网）下的复杂过电压连锁反应。目标是构建一个即使面对内部剧烈电磁暂态也能保持坚韧的电力系统。

       总而言之，内部过电压是深植于电力系统固有特性中的一种电磁暂态现象。它看不见摸不着，却时刻潜伏在每一次开关动作和可能的故障背后。从理解其物理本质，到分析其复杂成因，再到设计多层次、针对性的防护体系，是一套完整而严谨的技术链条。对内部过电压的持续探索与有效驾驭，是保障电网这只“电力巨兽”平稳运行、支撑现代社会光明与动力的不可或缺的技术基石。只有敬畏其力量，掌握其规律，才能筑牢电力安全的长城。