南湃水電站系統(tǒng)過電壓的原因分析與保護(hù)措施

周 愨，方禮全，劉 勇

（北方國際合作股份有限公司，北京100040）

1 電站概述及電氣主接線形式

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾賽松本特區(qū)，電站裝有兩臺立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，總?cè)萘?6 MW，年發(fā)電量4.2億kW·h。電站于2017年5月8日2臺機(jī)組相繼完成72 h試運行后并入老撾電網(wǎng)進(jìn)行運行。

南湃水電站115 kV開關(guān)站主接線采用單母線帶旁路母線的接線方式，出線通過兩回115 kV接入中部電網(wǎng)的ThongKoun2變電站（圖1）。南湃水電站廠用電共分11 kV、22 kV及400 V 3級電壓供電，廠用電11 kV系統(tǒng)共分兩段母線，I、II段母線經(jīng)主變Tr1、Tr2降壓至11 kV，22 kV母線接地方外來22 kV電源，作為全廠備用電源，系統(tǒng)電源正常時帶電備用，外來備用廠用變高壓側(cè)斷路器52 PS在分閘位置。400 V系統(tǒng)共有兩段母線， I段母線由廠用變ST1降壓變壓器降至400 V供電；Ⅱ段母線由廠用變ST2降壓變壓器降至400 V供電；外來備用電源經(jīng)22 kV母線和備用變ST3降壓至400 VⅡ段母線供電，柴油發(fā)電機(jī)GD1作為400 V I段母線的緊急備用電源（圖2）。

圖1

圖2

2 事件經(jīng)過

事情發(fā)生前，2號機(jī)組為檢修態(tài)；1號機(jī)組為發(fā)電態(tài)，帶負(fù)荷43 MW；廠用電運行方式為ST1帶Ι段、Ⅱ段400 V母線運行。

2017年 6月 23日 04：22，上位機(jī)報：115 kV故障錄波裝置啟動動作，115 kV故障錄波裝置啟動動作復(fù)歸；1號機(jī)組勵磁系統(tǒng)異常信號動作，1號機(jī)組勵磁系統(tǒng)異常信號復(fù)歸；2號充電屏控制故障動作，2號直流屏交流母線故障動作，2號直流屏交流輸入電源異常動作，2號直流屏交流一路過壓動作；低壓氣系統(tǒng)報故障，中壓系統(tǒng)報故障，滲漏排水系統(tǒng)報故障，主變報冷卻器控制電源故障。至6月23日04：26，4 h內(nèi)全廠廠用電系統(tǒng)反復(fù)報電源故障。

當(dāng)值運行人員發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象后，立即通過中控室計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)查看，發(fā)現(xiàn)115 kV系統(tǒng)電壓為134.67 kV，11 kV系統(tǒng)電壓為12.88 kV；機(jī)組發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變高壓側(cè)斷路器、115 kV出線斷路器均處于合閘位置，1號機(jī)組仍處于發(fā)電狀態(tài)。為安全起見，運行人員立即同NCC（老撾電網(wǎng)調(diào)度）聯(lián)系停機(jī)，并向電站總工匯報現(xiàn)場情況。04：26對1號機(jī)組執(zhí)行了正常停機(jī)命令；同時，將廠用電切換至22 kV外來備用變ST3帶I段、II段400 V母線運行的方式。

04：32，1號機(jī)組出口斷路器跳開后，上位機(jī)操作跳開115 kV L1出線側(cè)斷路器、 115 kV L2出線側(cè)斷路器、115 kV 1號主變側(cè)斷路器、115 kV 2號主變側(cè)斷路器；同時，再次聯(lián)系NCC（老撾電網(wǎng)調(diào)度）和Thongkoun2變電站斷開對側(cè)斷路器CB3與CB4。

04：46，1號機(jī)組停機(jī)完成后，現(xiàn)場設(shè)備排查，均無異常情況。

05：38，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，經(jīng)過例行檢查后，于當(dāng)日06：18并網(wǎng)發(fā)電，并滿負(fù)荷運行，400 V廠用電帶電方式也隨即恢復(fù)原狀。

3 事件分析

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)及記錄分析，并與NCC（老撾電網(wǎng)調(diào)度）核實：本次事件起因為雷雨天氣，造成老撾中部電網(wǎng)異常波動，致系統(tǒng)電壓突然升高，最高峰值達(dá)136.57 kV，廠用電最高峰值達(dá)454.4 V，非電站設(shè)備故障引起。同時，當(dāng)值運行人員出于設(shè)備安全考慮，避免事故擴(kuò)大，將機(jī)組人為停機(jī)，屬于正常操作。

老撾電網(wǎng)分北部電網(wǎng)、中一區(qū)電網(wǎng)、中二區(qū)電網(wǎng)及南部電網(wǎng)4個部分，目前各地區(qū)電網(wǎng)并未全部連通形成大網(wǎng)，加上電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)不夠完善，導(dǎo)致穩(wěn)定性極差。根據(jù)老撾國家電力公司相關(guān)資料顯示，目前全國輸電網(wǎng)絡(luò)仍未實現(xiàn)全面覆蓋，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)仍無電力供應(yīng)；北部地區(qū)和南部地區(qū)仍需要從泰國、越南和中國進(jìn)口電力。同時相關(guān)數(shù)據(jù)證實，目前國內(nèi)輸配電線路主要由115 kV和22 kV高壓輸電線路和0.4 kV配電線路組成，而230 kV輸電線路目前只在北部電網(wǎng)部分投運，其余還在建設(shè)期間，并未形成全國骨架。此外，近年來老撾全國配電損耗率一直居高不下，多年以來配電網(wǎng)絡(luò)損耗率達(dá)12.02%以上，反映出老撾電網(wǎng)線路設(shè)備老化，電網(wǎng)亟需更新升級。

老撾中部電網(wǎng)高壓輸電線路基本位于丘陵地帶，雨季期間，極易出現(xiàn)線路故障，造成所在區(qū)域發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷的事故發(fā)生。同時老撾中部電網(wǎng)容量偏小，且水電站為基荷電源。非計劃停機(jī)將對整個電網(wǎng)造成波動，從而影響相鄰電站，導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，進(jìn)一步加劇電網(wǎng)波動。

4 處理措施

經(jīng)過此次事件分析，并通過與周邊相鄰電站調(diào)研得知，老撾電網(wǎng)極易受特殊天氣影響，造成電網(wǎng)異常波動（過壓、過頻、欠頻）。而過電壓對全廠電氣設(shè)備危害巨大，其破壞性會直接影響整個電站設(shè)備及人員安全。因此，為確保全廠電氣設(shè)備安全和正常運行，需要采取相應(yīng)保護(hù)措施，使電站電氣設(shè)備在安全條件下運行。

由于此次事件主要是由電網(wǎng)異常引起的，為避免類似事件造成對電站設(shè)備危害，從老撾電網(wǎng)特殊性和電站綜合效益角度出發(fā)，采取在站內(nèi)增加過頻、過電壓和欠頻保護(hù)。

（1）欠頻保護(hù) 47 Hz、0.5 s，動作于跳閘。

（2）過頻保護(hù) 51.6 Hz、0.5 s，動作于跳閘。

（3）過電壓保護(hù) 1.15 Un（132.5 kV）、1 s，動作于跳閘。

事件發(fā)生時，將系統(tǒng)與電網(wǎng)解列即可。所以保護(hù)主要增加在聯(lián)絡(luò)線即115 kV出線保護(hù)上。保護(hù)動作后，115 kV 兩條出線解列，機(jī)組進(jìn)入甩負(fù)荷程序，自動調(diào)節(jié)。同時，當(dāng)115 kV電壓過高跳閘后，運行人員通知ThongKoun2變電站斷開對側(cè)斷路器CB3、CB4，以免損壞出線避雷器和電壓互感器。

5 經(jīng)驗總結(jié)

（1）據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)中由電氣設(shè)備絕緣損壞而發(fā)生事故的次數(shù)約占總事故次數(shù)的50 %以上，其中由于過電壓使絕緣損壞的情況所占比重較大。過電壓分外部過電壓和內(nèi)部過電壓兩大類。

（2）外部過電壓又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電引起的。又分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓2種。直擊雷電過電壓的持續(xù)時間極短，約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電氣設(shè)備導(dǎo)電部分時所出現(xiàn)的過電壓。雷閃擊中帶電導(dǎo)體，如架空輸電線路導(dǎo)線，稱為直接雷擊。雷閃擊中處于接地狀態(tài)的導(dǎo)體時，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電導(dǎo)體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達(dá)上百萬伏，會破壞電氣設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷過電壓是雷閃擊中電氣設(shè)備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電氣設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過電壓。

本站對外部過電壓防護(hù)技術(shù)由1整套防雷裝置構(gòu)成，主要包括避雷器、引下線、接地系統(tǒng)。避雷器作為雷電過電壓保護(hù)的重要設(shè)備之一，安裝在導(dǎo)線和大地之間，與被保護(hù)電氣設(shè)備成并聯(lián)狀態(tài)，是用來預(yù)防過電壓的重要措施之一。當(dāng)由線路傳入電站的不正常電壓沖擊波超過避雷器保護(hù)水平時，避雷器首先放電，并將高壓沖擊電流引入大地，利用接地裝置限制電壓幅值，保護(hù)電氣設(shè)備不受損壞。引下線是針對雷電直接擊中的情況而設(shè)置，連接避雷器和接地裝置，將避雷器接到的雷電流泄放到接地裝置后再引入大地。雷電擊帶來的能量主要集中在水電站建筑外墻旁，本站所有室內(nèi)電氣設(shè)備都與引下線的立柱保持3 m以上的距離，避免了雷電沖擊的影響。另外在115 kV線路保護(hù)裝置中增加過電壓保護(hù)也在一定程度上避免了過電壓對站內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的不良影響。

（3）內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)中斷路器運行方式發(fā)生改變時或系統(tǒng)故障引起的過電壓。有暫態(tài)過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。

暫態(tài)過電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達(dá)到某種暫時穩(wěn)定的情況下所出現(xiàn)的過電壓 ，又稱工頻電壓升高。常見的有：①遠(yuǎn)距離線路空載電容效應(yīng)，②三相不對稱短路接地，③甩負(fù)荷過電壓。操作過電壓是由于負(fù)載突變而引起的衰減較快持續(xù)時間較短的過電壓。諧振過電壓是電力系統(tǒng)中非線性儲能元件在工頻或某頻率下發(fā)生共振所造成的過電壓。

本站內(nèi)部過電壓防護(hù)技術(shù)采用綜合防過電壓措施：①分區(qū)屏蔽不同電磁兼容區(qū)，連接所有的鋼結(jié)構(gòu)建筑，如高壓室和控制室等并保證良好接地；②數(shù)據(jù)通信的電纜采用屏蔽性良好的光纜，以降低過電壓產(chǎn)生的電磁感應(yīng)的影響；③采用良好屏蔽性的、外殼鍍銅的鋼板進(jìn)行設(shè)備的屏蔽；④發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置設(shè)置過電壓保護(hù)。這些措施的實施在很大程度上減少了過電壓對水電站設(shè)備的危害。

6 結(jié)語

近年來，老撾經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，電力需求急劇增長。同時老撾國內(nèi)電網(wǎng)正處于升級更新階段，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，作為維護(hù)電氣設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的一部分，過電壓保護(hù)是當(dāng)前研究的方向和基礎(chǔ)。過電壓保護(hù)措施為電氣設(shè)備、出線設(shè)備及斷路器等提供了穩(wěn)定的保護(hù)，從而保證電站設(shè)備安全穩(wěn)定運行。