什么是分频过电压

分频过电压是电力系统中一种特定频率的暂态过电压现象，它通常发生在含有串联补偿电容的输电线路中。当系统发生故障并被切除后，残余的电磁能量会在电感与电容之间发生低频振荡，从而产生频率远低于工频的过电压。这种现象对电气设备绝缘构成威胁，是高压输电系统设计与运行中必须深入分析和防范的关键问题之一。

       在高压与超高压交流输电领域，工程师们始终在与各种形式的过电压作斗争。其中，有一种过电压现象因其独特的产生机理和潜在的破坏性，长期以来备受关注，它就是分频过电压。不同于我们熟知的雷电过电压或操作过电压，分频过电压是一种频率远低于系统工频（50赫兹或60赫兹）的暂态过电压。它的出现，往往与输电线路中一项重要的技术——串联补偿技术紧密相连。理解分频过电压，不仅关乎电力系统的安全稳定，更是现代大容量、远距离输电技术发展的必然要求。

       分频过电压的基本定义与物理本质

       分频过电压，学术上有时也称为次同步谐振或低频暂态过电压，其核心特征在于电压振荡的频率。在工频为50赫兹的系统中，分频过电压的频率可能在5赫兹到25赫兹之间；在60赫兹系统中，则对应在6赫兹到30赫兹之间。这种低频振荡并非由外部冲击直接引起，而是系统内部电感、电容元件在特定扰动（如故障切除）后，其储能发生能量交换时产生的自由振荡。其物理本质是一个二阶电阻、电感、电容电路在欠阻尼条件下的零输入响应。当线路中的串联补偿电容与线路及电源的等效电感构成谐振回路，并且该回路的固有谐振频率低于工频时，一旦受到扰动激发，就会产生持续的分频振荡电压。

       串联补偿技术：诱因与背景

       要深入理解分频过电压，必须先了解串联补偿技术。为了提升长距离输电线路的输送能力和系统稳定性，工程师常在输电线中串联接入电容器组，用以补偿线路的感性电抗，这就是串联补偿。根据中国电力行业标准《串联电容器补偿装置设计规范》中的阐述，该技术能有效提高线路的输电极限，改善电压分布。然而，这项技术如同一把双刃剑。引入的集中电容与线路分布电感、发电机变压器的电感共同构成了复杂的谐振网络。当系统参数匹配时，就可能为低频振荡提供“温床”。国际大电网会议的相关技术报告也多次指出，串联补偿度的选择必须综合考虑系统稳定性和次同步振荡风险，其中就包含了分频过电压问题。

       典型的发生场景与激发条件

       分频过电压并非在系统正常运行时随机出现，它需要特定的“触发事件”。最常见也是最危险的场景，是输电线路发生短路故障随后被保护装置快速切除的过程。当故障发生时，系统电压电流发生剧变，线路上的电磁能量储存状态被打破。故障切除瞬间，故障点被隔离，但线路上储存的磁能（主要在线路电感中）和电能（主要在串联补偿电容中）不会立刻消失。这些残余能量会在电感与电容之间来回振荡。如果系统阻尼不足（即电阻耗能较小），这种振荡就会持续衰减，其振荡频率由电感与电容的值共同决定，当这个频率低于工频时，便表现为分频过电压。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》中，将此类由操作暂态过程引发的谐振过电压列为重点防范对象。

       频率特性的深度剖析

       分频过电压的频率是其最显著的特征，也是分析的关键。其频率计算公式源自于电感、电容谐振回路的固有公式。对于一个简单的串联电阻、电感、电容回路，其自由振荡的角频率等于一除以根号下电感与电容的乘积。在实际的复杂电力系统中，等效电感和电容是多参数的聚合，包括发电机暂态电抗、变压器漏抗、线路感抗以及串联补偿电容的容抗等。因此，实际的分频频率是系统在该运行方式下的一个整体属性。研究表明，分频频率通常为工频的几分之一，例如三分之一工频或二分之一工频的过电压较为常见，其危害性也因其持续时间和幅值的不同而有所差异。

       对电气设备构成的独特威胁

       分频过电压的危害性体现在多个层面。首先，对于设备绝缘而言，其威胁方式与工频过电压不同。许多电气设备（如变压器、互感器、避雷器）的绝缘设计主要针对工频电压及其谐波。低频电压作用下，绝缘材料的介电特性、局部放电起始电压都会发生变化，可能导致在工频下安全的绝缘在分频过电压下发生击穿。其次，对于带有铁芯的设备如变压器，低频过电压可能导致铁芯磁通饱和，励磁电流急剧增大，引发过热和振动。再者，分频电压可能与工频电压叠加，产生幅值更高的复合电压，对设备造成严重冲击。国内多个高压实验室的试验数据均表明，低频耐压试验是考核设备绝缘性能的重要一环。

       与发电机轴系扭振的耦合风险

       这是一个极具破坏性的衍生风险。当分频过电压引起的低频电流流入发电机定子绕组时，会在气隙中产生低频旋转磁场。如果这个磁场的频率与发电机转子轴系某个机械扭振模式的频率互补（即两者之和等于工频），就会引发“次同步谐振”。此时，电气系统与机械系统发生能量交换，可能导致发电机大轴产生剧烈的扭振，积累巨大的应力，在极端情况下曾造成过发电机大轴断裂的严重事故。国内外电力史上均有此类教训，这使得对分频过电压的研究必须扩展到机电耦合的领域。

       主要的分析计算与仿真方法

       准确分析分频过电压需要借助专业的计算工具和方法。时域仿真法是当前最主流和精确的手段，通过建立包含详细发电机、控制系统、输电网络和串联补偿装置的电磁暂态模型，模拟故障发生与切除的全过程，从而直接观测暂态电压波形并分析其频率成分。频域分析法，如复转矩系数法，则擅长分析系统在特定频率下的阻尼特性，用于预测是否可能发生持续的分频振荡。此外，还有基于特征值分析的小信号稳定分析法。在实际工程中，如特高压工程系统调试前，通常会使用专业的电磁暂态程序进行大量的仿真计算，以评估分频过电压风险并制定对策。

       影响过电压幅值与持续时间的核心因素

       分频过电压的严重程度，主要体现在其幅值和衰减时间上。影响这两个指标的因素众多。首先是系统参数，包括串联补偿度（电容值大小）、线路长度（影响电感值）和电源的等效阻抗。补偿度越高，越容易产生低频振荡，且频率越低。其次是故障条件，包括故障类型（单相接地、两相短路等）、故障位置（距补偿装置的距离）和故障切除时间。切除时间越慢，系统积累的故障前能量越多，可能激发的振荡能量也越大。最后是系统的阻尼特性，主要由线路电阻、负荷以及可能的阻尼装置决定，阻尼越大，振荡衰减越快，过电压持续时间越短。

       工程中常用的监测与辨识技术

       为了防范于未然，在可能发生分频过电压的线路上部署监测系统至关重要。现代监测技术主要基于高采样率的故障录波装置或专用的电能质量监测装置。这些装置能够实时记录故障前后的三相电压、电流波形。通过对录波数据进行快速傅里叶变换或小波变换等信号处理，可以精确提取出电压信号中的低频分量，辨识其频率和幅值。先进的在线监测系统还能与保护控制设备联动，当检测到危险的分频振荡模式时，可发出预警甚至启动抑制措施。这些实时数据也是事后进行事故分析和模型校核的宝贵资料。

       抑制与防护策略之一：优化串联补偿装置设计

       从源头上降低风险，优化串联补偿装置自身设计是根本策略。一种广泛应用的技术是在串联电容器组两端并联一个金属氧化物避雷器。该避雷器在正常工作电压下呈高阻态，不影响电容功能；当电容器两端因分频振荡出现高电压时，避雷器迅速动作导通，吸收能量，从而限制过电压并增强阻尼。另一种方案是采用晶闸管控制的串联补偿装置或静止同步串联补偿器等柔性交流输电系统设备。这些装置能够快速、平滑地调节等效容抗，不仅避免了固定电容带来的谐振风险，还能主动提供正阻尼，抑制振荡的发生。

       抑制与防护策略之二：加装专用阻尼装置

       当系统分析表明存在分频过电压风险，且通过参数调整难以完全避免时，加装专用的阻尼装置是有效的工程措施。最常见的是一种称为“阻塞滤波器”的装置，它被并联在串联补偿电容器的两端。该滤波器被调谐在可能出现的危险分频频率附近，呈现低阻抗通路，从而为振荡电流提供一个高阻尼的泄放通道，使其能量被迅速消耗在滤波器的电阻中。此外，也有研究与应用在发电机中性点加装次同步谐振阻尼装置，通过注入反向电流来抵消定子中的分频电流，从而从源头抑制振荡。

       抑制与防护策略之三：调整系统运行方式与控制保护

       在不改变硬件设备的情况下，通过优化系统运行方式和改进控制保护逻辑也能有效防控风险。运行方式上，可以通过调整电网接线、改变发电厂开机方式等手段，改变系统的等效阻抗，从而避开容易引发分频谐振的参数匹配点。在保护控制方面，可以配置专门的分频过电压保护或次同步谐振保护。这类保护通过实时监测电压电流的频率成分，一旦识别到危险的分频振荡模式，便迅速动作，其动作逻辑可能包括瞬时跳闸、自动调整串联补偿度或快速投入阻尼电阻等。现代继电保护装置的强大运算能力为实施此类复杂保护提供了可能。

       在特高压输电系统中的特殊考量

       随着我国特高压交流输电工程的快速发展，分频过电压问题有了新的特点和更高的关注度。特高压线路输送容量大、距离长，串联补偿技术几乎是必备选项，且补偿度通常较高。同时，特高压系统网络结构复杂，可能存在的谐振模式更多。中国电力科学研究院在相关技术研究中指出，特高压系统的分频过电压分析必须考虑更详细的设备模型，特别是特高压变压器的非线性励磁特性，以及线路的分布参数频率特性。在特高压工程调试阶段，分频过电压试验是必做项目，通过现场实测来验证仿真结果的准确性，并确保防护措施的有效性。

       与其它类型过电压的对比与关联

       将分频过电压置于过电压家族的谱系中观察，能更清晰地认识其定位。它与工频过电压有本质区别，后者是频率为工频的稳态或暂态电压升高，主要由空载长线路的电容效应或不对称接地引起。它也不同于操作过电压，后者通常是由断路器操作激发的高频或高频衰减振荡，频率可达数百至数千赫兹。分频过电压与铁磁谐振过电压在频率上可能有相似之处，但产生机理不同，铁磁谐振是由变压器、电压互感器等铁芯设备的非线性电感与系统电容匹配引发。理解这些区别，有助于在实际中正确诊断过电压类型并采取针对性措施。

       标准与规程中的相关规定

       分频过电压的防控是电力行业标准体系的重要组成部分。在国家标准《绝缘配合》系列标准中，对暂时过电压（包括工频和谐振过电压）的允许值和持续时间做出了规定，分频过电压作为谐振过电压的一种，其限值需参照执行。电力行业标准《电力系统暂态过电压在线测量与记录系统技术导则》则对包含分频分量在内的暂态过电压的测量方法提出了技术要求。此外，在重大工程的设计规范，如《特高压交流输电系统过电压与绝缘配合导则》中，都对分频过电压的仿真计算、限制措施和试验验证提出了明确和详细的规定，指导工程实践。

       未来研究方向与技术展望

       随着以新能源为主体的新型电力系统建设推进，分频过电压的研究面临新挑战。大规模电力电子设备（如风电、光伏逆变器）接入，改变了系统的谐振特性，可能引发新型的宽频带振荡，其中包含分频分量。未来研究将更侧重于电力电子化电网下的分频振荡机理与抑制方法。同时，基于人工智能和大数据技术的振荡模式在线识别与预警系统正在发展，有望实现更快速、更精准的风险防控。此外，新一代宽频带测量技术将为捕捉和分析分频暂态过程提供更高质量的数据支撑，推动该领域从“事后分析”向“事前预警”和“事中控制”的智能化方向发展。

       综上所述，分频过电压是一个涉及电磁暂态、机电耦合、设备绝缘和系统控制的综合性技术课题。它揭示了电力系统在追求更高传输效率与更强稳定性过程中必须面对的深层次矛盾。从机理分析、仿真计算、监测辨识到防护抑制，对这一问题的持续研究和工程实践，充分体现了电力科技工作者严谨求实的科学精神和守护电网安全的永恒使命。只有深刻理解并妥善驾驭这种特殊的过电压现象，才能确保现代大电网在复杂工况下依然坚如磐石，为经济社会发展输送稳定可靠的动力源泉。