試論水電廠電氣一次設備過電壓保護措施

韓春輝

【摘要】無論是人們?nèi)粘Ｉ畹碾娏ο到y(tǒng)，還是水電廠的電力系統(tǒng)，對電壓的承受力都是有限的。一旦電壓超過限度，將會造成電氣設備的嚴重損壞，甚至導致大規(guī)模停電事件發(fā)生，這將會對人們?nèi)粘Ｉ钜约捌髽I(yè)運營造成嚴重影響，帶來巨大的經(jīng)濟損失。為了不影響水電廠其電氣設備的正常運行，需要采取一定的措施來達到對設備的過電壓保護。本文以電力系統(tǒng)中不同類別的過電壓為切入點，闡述其特點，并提出解決設備內(nèi)外過電壓的有效措施，為相關人員提供參考。

【關鍵詞】水電廠；電氣設備；一次設備；過電壓保護

電力系統(tǒng)的工作電壓具有一定極限，在某些特殊情況下，電壓出現(xiàn)異常升高，超過了工作電壓的限度，發(fā)生了電磁擾動現(xiàn)象，則被稱作過電壓。一般電氣設備的絕緣部分除了長期受到工作電壓的侵蝕，還會偶爾經(jīng)受過電壓的傷害。大部分電氣設備在設計時和制造過程中，都為設備配置了一定的承受過電壓的能力，以便電氣設備可以正常運行。然而，這個承受度也是有限的，若過電壓超過幅度過大，將會對電氣設備造成損傷，影響電氣設備的正常運行。

一、過電壓的概念、分類及其特點

（一）概念

過電壓是超過正常工作電壓一定幅度的電壓，這個幅度有大有小，小幅度的過電壓僅會對設備保護部分造成一定的損害，只有長期積累才會造成明顯傷害。但因為電氣設備的管理人員會對設備進行日常維護，因此可以忽略不計。然而，對于那些超過幅度較大的過電壓，將會對設備的絕緣部分造成毀滅性的傷害，失去了絕緣部分的保護，設備電路直接暴露在過電壓的攻擊下，直接造成設備損壞。

（二）分類及其特點

過電壓可以分為內(nèi)部和外部兩類過電壓，其下還可以細分。

1.外部過電壓

外部過電壓多源于自然因素，如雷云放電。按照雷電的發(fā)展階段可以分為雷擊過電壓、感應雷擊過電壓以及流動波過電壓。外部過電壓大小與雷擊程度成正比，雷擊越強，過電壓也就越高。而電氣設備的等級則與過電壓大小沒有關系。

2.內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓的產(chǎn)生原因源自電氣系統(tǒng)的內(nèi)部能量傳遞與轉(zhuǎn)化，可以進一步細化為諧振過電壓、工頻過電壓與操作過電壓。

諧振過電壓是危害性較大的過電壓狀態(tài)，這種過電壓會對電氣設備造成極大的損壞。諧振過電壓能夠直接傷害中低壓電網(wǎng)，使其運行異常。由于諧振過電壓持續(xù)時間長，導致維護措施很難進行。目前針對諧振過電壓的處理，一般都是在設計電路時對可能出現(xiàn)其中的問題級傷害程度進行預估，將諧振過電壓造成的危害盡可能的削弱。

操作過電壓具有偶然性與短暫性，顧名思義，是因為操作原因形成的過電壓。造成操作過電壓的操作，一般是開關操作。操作過電壓沒有確切的規(guī)律，因此很難進行預防和控制。在某些特殊條件下，操作過電壓的電壓數(shù)值會成倍增長。

工頻過電壓通常存在于有一定長度的電氣電路中，多是由于電容效應或電網(wǎng)運行變化引起的。工頻過電壓對于電氣設備的傷害，綜合來講弱于諧振過電壓與操作過電壓。盡管工頻過電壓的持續(xù)時間較長，但其過電壓的倍數(shù)卻不與持續(xù)時間成正比，一般處于設備絕緣部分的承受限度內(nèi)，因此對于電氣設備造成的傷害比較弱，是危險性較小的過電壓狀態(tài)。工頻過電壓只有處于超高壓狀態(tài)時，還有在遠距離輸電時，才會對電氣設備造成比較直接的影響。

二、水電廠對于電氣一次設備的過電壓保護

若要對電氣一次設備進行有效的保護，就要對其結(jié)構(gòu)和用途進行詳細的了解。水電廠的電氣一次設備主要用于發(fā)電、配電以及傳輸高壓電力。其結(jié)構(gòu)主要有發(fā)電機、變電器、變壓器，還有開關及電抗器。

（一）勵磁變壓器

過電壓保護器一般為無間隙避雷器，針對勵磁變壓器的保護需要考慮多個問題。首先是氧化鋅的電阻能力，在一般情況下，氧化鋅的電阻不會導通，也會發(fā)生連續(xù)性動作，以免使非線性電阻發(fā)生老化，從而導致短路。非線性電阻的吸收能力也有限，100MHz的連續(xù)過電壓即為最高吸收限度。

其次是氧化鋅對于多數(shù)過電壓的吸收，國家制定了相關的標準和規(guī)范對勵磁變壓器的過電壓保護進行控制。一般的避雷器對于勵磁變壓器的保護效果是非常有限的，這是由于普通避雷器的絕緣程度較低，在產(chǎn)生過電壓時會對絕緣部分造成傳統(tǒng)效果，從而直接傷及勵磁變壓器，所謂的絕緣效果對于勵磁變壓器來說只是空談。若要行以有效的保護，就要調(diào)整參數(shù)。需要注意的是，二次電壓會隨著參數(shù)的變化也隨之發(fā)生改變，目前市面上還沒有定性的產(chǎn)品。

當前，對于100MHz幻想過電壓，通常是使用組容器來為其造成一定的阻礙，限制其最終造成的傷害，這也是參考了阻容器是少數(shù)不會發(fā)生老化現(xiàn)象的限制性設備這一優(yōu)越性而做出的選擇。組容器在特殊條件下，其里側(cè)繞組發(fā)生過電壓現(xiàn)象，二極管向電容充電，通過緩沖方式削弱了過電壓的沖擊。待過電壓現(xiàn)象小時候，電容將電荷釋放至電阻，以便下一次過電壓來臨時做再次吸收。

（二）放電間隙

對于間隙的保護，通常是采用簡單的防雷裝置進行保護，這種保護裝置一般是由2個金屬電極組合而成，一頭連接帶電導線并固定于絕緣子上，另一頭穿過輔助間隙連接至接地裝置，2個電極之間具有一定的間隙距離。這種保護裝置的構(gòu)造非常簡單，維護起來沒有一點難度，唯一的缺點是很難進行自行滅弧。保護裝置的間歇結(jié)構(gòu)有三種：棒形、球形、角形。三種形狀的結(jié)構(gòu)各有各的優(yōu)點和缺點。棒形具有非常陡的伏秒特性，很難與設備的絕緣要求達成完美的配合；球形雖然伏秒特性比其他二者都要平坦的多，保護性能也不差，但是就端頭易發(fā)生燒傷這一缺點上，與棒形一樣的明顯，一旦發(fā)生燒傷后，電極之間的間歇距離就會擴大，從而影響動作準確性。相對這兩種形狀的保護裝置，角形綜合了二者的優(yōu)點同時有沒有二者的明顯缺點，近年來于過電壓防護領域中有了比較廣泛的應用。

（三）出線過電壓

針對出線過電壓的電器一次設備保護，一般采用GIS配電器和AIS配電器兩種裝置。

1.GIS配電器

連接GIS的架空線路長度至少要2000米以上才行，出線連接處必須避雷器，但要注意的是，母線上不能安裝避雷器。對于110千伏和220千伏的日常電壓，電纜段和架空線路應與金屬避雷器連接，另一端接地。對于單芯和三芯電纜，同樣要保證GIS金屬外殼接地。

2.AIS配電器

AIS配電器對35千伏-220千伏架空線路的進線段進行保護，出線處于變電站內(nèi)裝置避雷器。若無變電站，則可以安裝于出線段的終端塔之上。同GIS配電器一樣，母線上禁止安裝避雷器，除非特殊情況下才可以進行安裝。AIS同樣要注意接地端與電纜金屬外皮的接觸。

結(jié)語

水電站中電器一次設備的性能平穩(wěn)與否直接關系到水電廠的正常運行，過電壓造成的電網(wǎng)不穩(wěn)定，輕則燒毀電氣設備，重則造成大規(guī)模停電，會為水電廠帶來巨大的經(jīng)濟損失。針對復雜多樣的過電壓類型，需要采取合適的措施進行保護。只有為電氣一次設備提供平穩(wěn)的工作電壓，才能盡可能少的損耗其壽命，從而保證電氣設備的長期運行。

參考文獻

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