電氣一次設(shè)備過電壓保護(hù)措施研究

吉林蛟河抽水蓄能有限公司 趙玉鋒 何曉輝 王天鶴 丁鋮俊

通常情況下，水電廠電氣一次設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行期間，為了加強(qiáng)對過電壓等相關(guān)問題的控制，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，需要采取有效的措施加強(qiáng)對設(shè)備過電壓的保護(hù)，根據(jù)電氣一次設(shè)備過電壓保護(hù)相關(guān)情況，采取有效的處理措施，最大相對減少過電壓對電氣一次設(shè)備的影響。過電壓對電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有直接影響，不但能導(dǎo)致設(shè)備損毀，重則導(dǎo)致大規(guī)模停電，對水電廠造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，相關(guān)工作人員需要充實(shí)過電壓等相關(guān)問題，做好日常養(yǎng)護(hù)工作的同時，結(jié)合設(shè)備已發(fā)生過電壓的位置，采取全面、有效地保護(hù)措施。

1 過電壓概述

過電壓主要指電壓明顯升高，超出正常運(yùn)行范圍并導(dǎo)致電力系統(tǒng)絕緣或保護(hù)設(shè)備受損。受諸多因素的影響，電力系統(tǒng)發(fā)生超出工作電壓范圍的情況，電壓持續(xù)升高，這也是系統(tǒng)中高發(fā)的一類電磁擾動現(xiàn)象。設(shè)備絕緣長期耐受工作電壓，且需要承受相應(yīng)的過電壓，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。對過電壓具體原因加以明示，對其幅值進(jìn)行有效預(yù)測，并采取有效的限制措施，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)。對其類型進(jìn)行劃分，具體包括內(nèi)部過電壓和外部過電壓。

其中，前者主要為系統(tǒng)運(yùn)行期間斷路器的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)較大的異常，或系統(tǒng)發(fā)生故障引發(fā)過電壓等情況，常見問題有操作過電壓、暫態(tài)過電壓等[1]。其中，后者較為常見，也是過電壓的主要類型之一，具體為斷路器存在故障問題，或發(fā)生短路等情況，導(dǎo)致系統(tǒng)在過渡后處于短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，同時引發(fā)過電壓，以工頻電壓增加為主要表現(xiàn)，也包括多種類型，如遠(yuǎn)距離用電負(fù)荷過電壓等。操作過電壓在系統(tǒng)運(yùn)行期間也十分常見，主要指復(fù)雜發(fā)生一定的變化，進(jìn)而引發(fā)過電壓，以衰竭加快、持續(xù)時間短為主要特征。諧振過電壓為系統(tǒng)儲能構(gòu)件在相應(yīng)的頻率下出現(xiàn)共振，過電壓發(fā)生風(fēng)險較大。

外部過電壓主要與環(huán)境因素相關(guān)，例如雷電及大氣過電壓等，通常為大氣環(huán)境中的雷云，對地面放電，進(jìn)而引發(fā)過電壓。常見類型有直擊雷和感應(yīng)雷兩種，均為發(fā)生頻率較高的過電壓類型。其中，直擊雷過電電壓不會持續(xù)較長時間，多數(shù)情況下在數(shù)10μs，以脈沖為主要特征，也可看作雷電沖擊波。該類過電壓也是雷閃對電氣設(shè)備造成一定的沖擊，導(dǎo)致導(dǎo)電部位發(fā)生一類過電壓。直接雷擊的表現(xiàn)為架空輸電線路被雷閃擊中。反擊的表現(xiàn)為線路鐵塔等被擊中，這一過程中電位增加明顯，帶電導(dǎo)體存在明顯的放電作用。另外，該類過電壓具有較高的幅值，因此可導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，容易出現(xiàn)短路接地等情況[2]。感應(yīng)雷過電壓也較為常見，主要為雷閃擊中設(shè)備附近的地面，在放電的過程中，空間環(huán)境下電磁場明顯變化，雖然電氣設(shè)備未直接遭受雷擊，但也會產(chǎn)生過電壓。

2 過電壓產(chǎn)生原因分析

2.1 電力外輸線路

電力外輸線路是水電廠的重要運(yùn)行線路，主要采用長距離傳輸形式。為了確保線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，工作人員需要充分了解電力外輸線路過電壓的產(chǎn)生原因，做好過電壓保護(hù)措施。首先，電力系統(tǒng)運(yùn)行期間，電氣一次設(shè)備容易出現(xiàn)電磁干擾情況，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)過電壓。水電站設(shè)備運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)勵磁情況，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備過電壓[3]。其次，在外輸線路運(yùn)行階段，因受電容效應(yīng)、負(fù)荷效應(yīng)等諸多因素的影響，導(dǎo)致線路出現(xiàn)過電壓。

2.2 出線設(shè)備

出線設(shè)備運(yùn)行過程中，周圍氣候環(huán)境對其有直接影響，雷雨天氣時，輸電線路受到雷擊使線路跳閘，線路經(jīng)常跳閘必然會影響其運(yùn)行質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致過電壓。因此，為了減少跳閘情況，工作人員可采用空地加高等方法，盡量遠(yuǎn)離樹林叢林。同時，為了減少出線平臺受雷擊風(fēng)險，可以安裝避雷設(shè)備，主要安裝在空門架上。

2.3 主變壓器

主變壓器運(yùn)行期間，主變高壓側(cè)斷路器發(fā)生開端空載情況較為常見，且發(fā)生頻率較高，可形成微弱的電流，嚴(yán)重影響斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行。基于質(zhì)量守恒定律，磁場能量轉(zhuǎn)化為電能后，繞組上方電容電壓數(shù)量明顯增加，繞組勵磁及電壓關(guān)系密切。

3 過電壓對水電廠電氣一次設(shè)備的影響分析

不同類型、特點(diǎn)的過電壓情況對電氣一次設(shè)備的影響有所不同。對水電廠而言，發(fā)配電及輸電為電氣一次設(shè)備的基礎(chǔ)功能。電氣設(shè)備的等級對外部過電壓并沒有直接的影響，而雷電的強(qiáng)弱程度為主要影響因素，為了降低過電壓的危害性，需要采取有效的措施增強(qiáng)設(shè)備的綜合性能。其中，諧振過電壓的危害性較強(qiáng)，中低壓電網(wǎng)深受影響，且持續(xù)時間較長，修復(fù)和處理的難度系數(shù)高[4]。為了降低該類過電壓的危害，做好前期設(shè)計和評價工作十分重要。開關(guān)操作是影響操作過電壓的主要因素之一，容易導(dǎo)致電壓持續(xù)增加，進(jìn)而影響一次設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。而工頻過電壓通常危害性較強(qiáng)，但是在超高壓的運(yùn)行條件下，同時以遠(yuǎn)距離輸電為主，也會嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。

4 水電廠電氣一次設(shè)備過電壓保護(hù)措施

4.1 防設(shè)備雷擊過電壓保護(hù)措施

出線設(shè)備。出線設(shè)備主要采用架空安裝的方法，有助于減少雷電擊中線路以及絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的風(fēng)險，同時能夠減少設(shè)備跳閘頻率。雷電過電壓主要由避雷線及桿頂導(dǎo)致，同時與接地電阻、桿塔高度等因素關(guān)系密切。因此，當(dāng)出線設(shè)備以架空出線為主，需要重視桿塔接地的選擇，最大限度降低雷電過電壓的危害性。另外，針對出線設(shè)備的保護(hù)還可以采用其他配電設(shè)備，如GIS、AIS等[5]。

GIS需要配備較長的架空線路，且需要在出線連接部位安裝相應(yīng)的避雷設(shè)備，同時要注意不可將避雷設(shè)備安裝在母線上。無論是單芯電纜還是三芯電纜，對電纜段和避雷器連接的一端進(jìn)行接地處理。AIS裝置的保護(hù)作用主要體現(xiàn)在對35～220kV進(jìn)線段，并且也需要安裝避雷設(shè)備，除了特殊情況外避免在母線上直接安裝。除此之外，AIS裝置的應(yīng)用要加強(qiáng)對接地端、電纜金屬外皮接觸情況的關(guān)注，減少意外發(fā)生風(fēng)險。

勵磁變壓器（如圖1所示）。因?yàn)橥獠侩妷合鄬μ厥猓詿o間隙避雷針在過電壓保護(hù)中較為常用，在勵磁變壓器運(yùn)行期間，還需要加強(qiáng)對其他影響因素的分析。為了減少短路的發(fā)生，需要確保氧化鋅具備較好的電阻特性。短路的主要發(fā)生原因之一為非線性電阻老化，需要加強(qiáng)對吸收限度的管控，避免出現(xiàn)過大的連續(xù)電壓。目前所采用的避雷器絕緣性能有待提高，難以發(fā)揮保護(hù)作用，并且在形成電壓時極易導(dǎo)致變壓器損毀，對參數(shù)合理調(diào)整十分必要，做好保護(hù)措施。對于120Hz的過電壓，可采用組容器有效限制，確保電阻發(fā)揮散熱作用，有效吸收電壓，且通常不會導(dǎo)致老化等質(zhì)量問題。

圖1 勵磁變壓器

放電間隙。為了加強(qiáng)對放電間隙的保護(hù)，設(shè)置相應(yīng)的防雷裝置具有重要意義，該類裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單，且運(yùn)維管理的難度較低，但是自行滅弧較為困難。放電間隙保護(hù)裝置具有較多的結(jié)構(gòu)形式，如角形、球形、棒形等，各有優(yōu)勢和不足。其中，棒形結(jié)構(gòu)具有秒伏的特點(diǎn)，難以和設(shè)備絕緣達(dá)到較好的配合效果；球形雖然具備較好的保護(hù)作用，秒伏特性穩(wěn)定，但是容易導(dǎo)致端頭損毀，電極之間的距離較大，所以保護(hù)動作的準(zhǔn)確性較差。角形結(jié)構(gòu)能夠彌補(bǔ)上述兩種結(jié)構(gòu)的不足，目前在過電壓防護(hù)中十分常用。另外，防設(shè)備雷擊還需要加強(qiáng)對其他相關(guān)裝置的使用，如防雷接地、電容器組等，有助于進(jìn)一步減少過電壓對設(shè)備的干擾。

4.2 防設(shè)備內(nèi)部過電壓保護(hù)措施

負(fù)荷突變過電壓。對水電廠而言，在電氣設(shè)備使用的過程中，在突發(fā)事故的影響下，可能導(dǎo)致其一次電氣設(shè)備的電壓水平顯著升高，進(jìn)而對設(shè)備負(fù)荷產(chǎn)生較大的影響，過電壓的發(fā)生風(fēng)險較高，所以需要重點(diǎn)預(yù)防負(fù)荷變化引發(fā)的過電壓。在設(shè)備兩側(cè)可以加設(shè)勵磁系統(tǒng)，有效控制其中樞反應(yīng)，同時在采取預(yù)防措施的同時，還需要重點(diǎn)控制輸電線路的電容效應(yīng)，或者采用空載線路投切等方法，減少負(fù)荷變化引發(fā)過電壓的發(fā)生風(fēng)險，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

接地故障。通常在電路系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，接地故障較為常見，多表現(xiàn)為單相接地。故障的發(fā)生、發(fā)展主要受電壓水平影響。對原因進(jìn)行分析：當(dāng)避雷裝置出現(xiàn)接地情況后，電氣設(shè)備的電壓值顯著增加，所以做好保護(hù)措施十分必要。當(dāng)單相接地發(fā)生后，過電壓數(shù)值整體偏低，所以要充分考慮單相接地的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際電壓數(shù)值，在此基礎(chǔ)上合理選擇避雷器。另外，采取接地故障保護(hù)措施時，中性點(diǎn)接地故障也是需要考慮的重要因素。通常選擇單相接地避雷的過程中，需要充分考慮電網(wǎng)運(yùn)行的電壓情況，加強(qiáng)對直接接地過電壓的控制。

諧振過電壓。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，受諸多因素干擾，容易引發(fā)諧振過電壓，如過電壓時間、回路特點(diǎn)等。由于系統(tǒng)本身缺乏穩(wěn)定性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)的時間較長，必然會導(dǎo)致其運(yùn)行質(zhì)量下降。因此，相關(guān)工作人員需要加以重視，采取有效的保護(hù)措施。針對該類過電壓的處理方法較多，如適當(dāng)增加電阻，加設(shè)消諧裝置等。

4.3 其他保護(hù)措施

主變壓器。空載變壓器對斷路器的整體功能有直接影響。小電感電流是主變高壓測電流的主要特點(diǎn)，斷路器的滅弧性能較好，主變壓器出現(xiàn)過電壓的風(fēng)險較大。以能量守恒定律為依據(jù)，當(dāng)設(shè)備電磁能向電能轉(zhuǎn)化的過程中，其電容電壓增加明顯，對繞組電容和主變電壓的影響較大。如果過電壓出現(xiàn)在空切變壓器中，電壓數(shù)值明顯增高，可將直接接地的方法用于主變高壓側(cè)，有助于減少雷擊對主變低壓側(cè)的影響，進(jìn)一步保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

針對100Hz頻繁、連續(xù)的換相過電壓，可采用阻容吸收器進(jìn)行有效限制。因?yàn)樽枞莶粫?dǎo)致負(fù)荷率及老化問題，只要確保電阻的散熱充足，實(shí)現(xiàn)對過電壓的連續(xù)吸收。

另外，工作人員還需要注意水電廠發(fā)電機(jī)、用電開關(guān)的安裝。對發(fā)電機(jī)進(jìn)行安裝的過程中，可借助并聯(lián)電容器。同時，還需要加強(qiáng)對氧化鋅電阻的利用，有助于進(jìn)一步降低過電壓，使一次電氣設(shè)備的絕緣性能得到提高。在開關(guān)選擇方面，以真空斷路器為主，同時內(nèi)部需要架設(shè)氧化鋅裝置，提高電流的控制效果，減少過電壓情況的發(fā)生。針對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，可選擇中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器的接地方法。接地變能夠有效將過電壓限制在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)而有效降低發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)絕緣水平。除此之外，中性點(diǎn)可以采用經(jīng)接地變壓器的接地方式，對于提高回路的阻尼率作用明顯，過電壓的幅值明顯降低，陡度也會下降，減少過電壓的發(fā)生，加強(qiáng)對設(shè)備的保護(hù)。

5 結(jié)語

過電壓在水電廠電氣一次設(shè)備運(yùn)行期間較為常見，全面分析原因并做好保護(hù)、預(yù)防措施十分重要，為水電廠的穩(wěn)定運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。過電壓具有一定的危害性，不但可導(dǎo)致設(shè)備毀壞，同時還可帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了確保水電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)制定科學(xué)、可行的過電壓保護(hù)措施，提高電氣一次設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。相關(guān)工作人員應(yīng)充分認(rèn)識到過電壓保護(hù)的重要性，不斷提高維護(hù)和管理水平，為水電廠的穩(wěn)定運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。