冲击过电压的理论与试验一．引言目前，随着科技的发展、经济的需要，输电电压等级越来越高，输电距离越来越长，电网结构也越来越复杂。

而高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。

一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压。

电力系统过电压主要分以下几种类型:大气过电压、工频过电压、操作过电压、谐振过电压。

产生的原因及特点是：大气过电压由直击雷引起，特点是持续时间短暂，冲击性强，与雷击活动强度有直接关系，与设备电压等级无关。

因此220KV以下系统的绝缘水平往往由防止大气过电压决定。

工频过电压由长线路的电容效应及电网运行方式的突然改变引起，特点是持续时间长，过电压倍数不高，一般对设备绝缘危险性不大，但在超高压、远距离输电确定绝缘水平时起重要作用。

操作过电压由电网内开关操作引起，特点是具有随机性，但最不利情况过电压倍数较高。

因此300KV及以上超高压系统的绝缘水平往往由防止操作过电压决定。

谐振过电压:由系统电容及电感回路组成谐振回路时引起，特点是过电压倍数高、持续时间长。

二．冲击过电压的理论基础过电压是指工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的10%，并且持续时间大与1分钟的长时间电压变动现象；过电压的出现通常是负荷投切的结果。

电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。

属于电力系统中的一种电磁扰动现象。

电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。

研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义，过电压分外过电压和内过电压两大类。

外过电压又称雷电过电压、大气过电压。

由大气中的雷云对地面放电而引起的。

分直击雷过电压和感应雷过电压两种。

雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。

直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。

雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。

雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。

直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。

感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。

因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。

通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。

内过电压电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。

有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。

暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。

常见的有：①空载长线电容效应（费兰梯效应）。

在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。

②不对称短路接地。

三相输电线路a 相短路接地故障时，b、c 相上的电压会升高。

③甩负荷过电压，输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。

操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，常见的有：①空载线路合闸和重合闸过电压。

②切除空载线路过电压。

③切断空载变压器过电压。

④弧光接地过电压。

谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。

一般按起因分为：①线性谐振过电压。

②铁磁谐振过电压。

③参量谐振过电压。

波形组成气隙的击穿有一个最低静态击穿电压Ｕｏ，但外加电压不小于Ｕｏ仅是气隙击穿的必要条件，欲使气隙击穿，还必须使该电压持续作用一定的时间。

静态击穿电压Ｕ0 是使气隙击穿的最小电压。

雷电冲击电压分为：全波，截波－－雷电冲击波被某处放电而截断的波形.(1) 全波：非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降 .如图1作图：取峰值＝1.０，０.９－－Ｂ点，０.３－－Ａ点，０.５－－Q点，连ＡＢ线，交１.０于C点，交横轴O1点。

O1C－－波前Ｔ＝(t1-t2)t f＝FO1－－视在波前时间t f／T＝（１.０－０.０）／（０.９－０.３）t f＝Ｔ／０.６＝１.６７Ｔt t－－视在半峰值时间波形有振荡时，取平均曲线。

规定：波形参数为t f＝１.２μｓ±３０％t t＝５０μｓ±２０％峰值允差±３％图1雷电冲击过电压全波波形(2) 截波:截断时间ＴＣ：ＧＨ段截波峰值1.0处：截断前的电压峰值截断时刻电压：截断时实际电压截波电压骤降视在陡度：ＣＤ线斜率电压过零系数规定：ＴＣ＝２～５μｓ电压过零系数０.３（０.２５～０.３５范围内）图2 雷电冲击过电压截波波形对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和击穿时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性．在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下气隙可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下气隙可能不击穿。

伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与击穿时间的关系：Ｕｂ＝ｆ（tb ）其作法为保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。

电压低击穿发生在峰值过后时，峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，即为伏秒特性的点；击穿发生在尚未到峰值时，击穿时电压值作纵坐标。

伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）。

Ψ＝０下包络线，其左方完全不击穿；Ψ＝１上包络线，其右方完全击穿；一般取Ψ＝０.５（５０％曲线）为平均伏秒特性。

在一定波形的冲击电压作用下，外加电压的幅值变化，导致间隙击穿概率为５０％时的电压称为Ｕ50％（不考虑电压作用时间）．Ｕ50％接近伏秒特性带的最下边缘，可用Ｕ50％代替最小冲击放电电压；Ｕ50％放电时间较长，已接近静态放电临界电压值Ｕ0。

波的传播雷击输电线路时，将有大量的电荷沿雷电通道倾注到雷击点，并向线路两侧迅速流动，即电磁波的传播过程称之为行波的传播．在此过程中会产生瞬间的高幅值的过电压。

无损耗单导线线路中的波过程的基本规律及其含义是导线上任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行波之和，前行波电压与电流之比为十Z ，反行波电压与电流之比为一Z雷电波沿架空线传播的速度与光速（3×108m/s ）相同，而在电缆中传播的速度约为上值的1/2～1/3。

输电线路的长度总是有限的，当雷电波传到其末端时，线路的电感、电容的参数会发生变化。

我们将参数发生变化的点称为节点．波在节点的运动规律将发生变化，即产生了折射和反射现象。

行波的折射和反射规律：电压折射系数α和反射系数β,其大小由与节点相连的导线波阻抗ZI 和Z2决定。

当z2＝2I 时，α＝1，β＝0，这表明电压折射波等于入射波，而电压反射波为零．即不发生任何折、反射现象，实际上这是均匀导线的情况。

当Z2>Z1时α>1,β>0，电压为正反射，折射电压高于入射电压；当Z2<Z1时，α<1,β<0 ，电压为负反射，折射电压低于入射电压。

三．冲击过电压试验冲击电压是一种非周期性快速变化的脉冲电压。

因此测量冲击电压的仪表和测量系统必须具有良好的瞬变响应特性。

冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面，目前最常用的测量冲击高电压的装置有：分压器一示波器；分压器一峰值电压表；测量球隙。

冲击分压器一示波器测量系统是测量冲击高电压的主要装置。

它不仅能测出冲击电压的峰值，还能显示及记录其波形。

整个测量系统包括：从试品到分压器高压端的高压引线、分压器、把分压器与示波器连接起来的同轴电缆和示波器。

试验电路按试验设备，试品及测量装置的实际布置，可分为下述三个基本电路(参见图3)： a.主电路：包括冲击电压发生器，附加调波元件及试品；b.测量电路；c.截断波电路(产生截波用)。

d 1d xv t ==传播速度图3 典型的冲击试验电路图C g—发生器电容；C L—负荷电容；C t—试品等值电容；L t—试品等值电感；R si—串联电阻(波前电阻)；R se—外部串联电阻(或波前电阻)；R p—并联电阻(波尾电阻)；Z c—截断电路中的附加阻抗；Z1—分压器高压臂阻抗；Z2—分压器低压臂阻抗示波器记录按GB 1094.3—85中的规定应记录：a.外施电压波形；b.至少一个瞬变现象的波形。

即至少需要两个独立的记录通道。

必须记录外施电压的波形，至于记录其它瞬变现象，可根据所采用的故障探测方法来选择。

为了便于对试验结果进行分析及使全试验电压下和降低电压的波形图便于比较，最好利用示波器上合适的衰减器，使相对应的波形图均具有相同的幅值。

电压波形记录a.波形测定在调节试验电路参数时，需要详细的记录电压波形；全波波形需记录：波前部分，一般示波器扫描时间可选择为10μs之内(中性点试验时可以更长一些)；波尾部分，应能计算出半值时间，有时还需记录出第一个反峰值。

截波波形需记录：从零至第一个反峰值出现后的整个波形，示波器扫描可选择在10μs左右。

b.试验波形记录主要是为了记录波形的峰值，并且尽可能记录较长时间的波形变化情况，通常示波器扫描时间可选择为：对于全波，不小于50μs；对于截波，10～25μs。

在正常试验中，一般采用一个时间来记录波形是足够的，但试验出现疑问时，为了便于判断，则可能需要几种不同扫描时间的记录。

分析波形，做出伏秒特性曲线四．雷击过电压的预防措施雷闪雷鸣是一种自然现象，雷电的电压很高，瞬时电流强度很大，因此，一次雷电的放电时间虽然只有0．01S左右，但其释放出的能量却大得惊人。

雷电放电时，可使电气设备绝缘击穿，建筑物造成破坏，家用电器击毁，人体及牲畜死亡或受伤等。

雷电入射波到达线路末端结点处会发生全反射，线路的开路末端电压将增大至雷电行波电压的2倍，严重威胁线路的绝缘安全，必须设置避雷器等防雷保护措施。

避雷针保护作用的原理能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通过避雷针及接地装置泄入大地而防止避雷针周围的设备受到雷击。

保护范围避雷针是防止直击雷的有效措施。

一定高度的避雷针（线）下面，有一个安全区域，此区域内的物体基本上不受雷击。

我们把这个安全区域叫做避雷针的保护范围。

如图所示。

2h h x ≥P h h r x x )(-= 2h h x < P h h r x x )25.1(-=h:避雷针高度，m x h ：被保护物高度，m P ：高度影响系数1P m,30=≤h h 5.5P m,120m 30=≤<h防雷装置防雷装置由接闪器、引下线和接地体三部分组成，其作用是防止直接雷击或将雷电流引入大地，以保证人身及建（构）筑物安全。