水電站系統(tǒng)過(guò)電壓的原因及其保護(hù)對(duì)策

張建 況峻峰

摘要：隨著我國(guó)時(shí)代和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的電力工程建設(shè)得到了不斷地發(fā)展，相應(yīng)的電氣設(shè)備也得到了快速的發(fā)展。水電站系統(tǒng)的正常工作與電氣設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行有著不可磨滅的關(guān)系。電氣設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)是當(dāng)前電力工程建設(shè)的重要技術(shù)，過(guò)電壓的存在會(huì)造成電力電網(wǎng)不穩(wěn)定，從而會(huì)造成電氣設(shè)備的損壞，給水電站造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T的傷亡。基于此，為了大力發(fā)展水電站的過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)，保證其中電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，加快我國(guó)水電站系統(tǒng)的建設(shè)，本文分析了水電站系統(tǒng)過(guò)電壓的原因并提出了對(duì)其進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)的方案和措施。

關(guān)鍵詞：水電站系統(tǒng);過(guò)電壓;過(guò)電壓原因;保護(hù)對(duì)策

引言

在我國(guó)水電站系統(tǒng)不斷發(fā)展的背景下，對(duì)其進(jìn)行過(guò)電壓的保護(hù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域以及電力行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。隨著水電站系統(tǒng)電網(wǎng)的復(fù)雜性日益提高，對(duì)其提出科學(xué)有效的過(guò)電壓保護(hù)策略是至關(guān)重要的，這能夠提升水電站系統(tǒng)運(yùn)行的效率性、科學(xué)性和安全性，能夠保證水電站系統(tǒng)電力設(shè)備的正常平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)前關(guān)于水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)還有待發(fā)展和完善，必須要進(jìn)行合理的技術(shù)選型并進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用，才能保證水電站系統(tǒng)在保證安全的前提下高效運(yùn)行，才能大大減少過(guò)電壓對(duì)水電站系統(tǒng)的不良影響，才能保證水電站系統(tǒng)有關(guān)工作人員和電力設(shè)備的安全，才能促進(jìn)水電站系統(tǒng)以及電力行業(yè)的不斷向前發(fā)展。

本文選取了老撾南湃水電站系統(tǒng)作為工程實(shí)例并查閱了很多文獻(xiàn)，總結(jié)和分析了水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)的原因以及解決方法。南湃水電站系統(tǒng)是老撾賽松 本特區(qū)的一個(gè)大型水電站系統(tǒng)，其有兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，都是立軸沖擊式的，其年發(fā)電量能夠達(dá)到4.2億千瓦時(shí)，總?cè)萘磕軌蜻_(dá)到68兆瓦。該水電站在2017年5月8日并入老撾電網(wǎng)開(kāi)始運(yùn)行并由兩臺(tái)機(jī)組完成了72小時(shí)的試運(yùn)行。另外，該水電站一共有三級(jí)電壓供電，分別是11千伏、22千伏和400伏。

1水電站系統(tǒng)過(guò)電壓故障類型和發(fā)生原因

據(jù)了解，水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓的類型有很多，它們都嚴(yán)重影響著水電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行，下面將對(duì)其過(guò)電壓故障的類型和發(fā)生原因一一進(jìn)行討論和分析。

1.1直接耦合型過(guò)電壓

在水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓故障類型中，直接耦合型的過(guò)電壓故障是很普遍的，過(guò)電壓通過(guò)水電站系統(tǒng)接地電阻進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部便形成了水電站直接耦合型過(guò)電壓，其過(guò)電壓幅值的大小和接地電阻的阻值的大小以及接觸電流的大小有直接的關(guān)系。形成直接耦合型過(guò)電壓故障的電壓常常和水電站系統(tǒng)的電氣設(shè)備等直接接觸，雷擊電流就是其中最常見(jiàn)的。在這種類型的水電站系統(tǒng)過(guò)電壓的故障下，會(huì)對(duì)水電站系統(tǒng)的電氣設(shè)備產(chǎn)生很明顯的影響，會(huì)嚴(yán)重影響它們的正常運(yùn)行。

1.2電感耦合型過(guò)電壓

同樣，在水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓故障類型中，電感耦合型的過(guò)電壓故障也是非常普遍的。由于水電站外部電流的流動(dòng)產(chǎn)生了相應(yīng)的磁場(chǎng)效應(yīng)，雷擊會(huì)在水電站系統(tǒng)的輸電線路中產(chǎn)生一個(gè)很大的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)和水電站的電氣設(shè)備之間會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，會(huì)使得電氣設(shè)備的電荷集中在一起，從而使得設(shè)備出現(xiàn)很大的電勢(shì)差，這樣便產(chǎn)生了電感耦合型過(guò)電壓。該類型的過(guò)電壓故障很明顯是跟輸電線路的電流變化率息息相關(guān)的，它們之間是一個(gè)正相關(guān)的關(guān)系，即輸電線路中的電流變化率越大那么過(guò)電壓就會(huì)越大。但是如果輸電線路中的電流變化率太小的話也會(huì)形成很大的過(guò)電壓。

1.3電容耦合型過(guò)電壓

在水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓故障類型中，電容耦合型的過(guò)電壓故障出現(xiàn)的頻率是很低的，但是也一定要對(duì)這種類型的過(guò)電壓故障引起重視。因?yàn)槿绻娬鞠到y(tǒng)的電容耦合效應(yīng)太大的話，必然會(huì)對(duì)水電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，會(huì)使得的電氣設(shè)備的內(nèi)部出現(xiàn)大量的電荷聚集的現(xiàn)象，由于電容效應(yīng)的存在，會(huì)使得設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)很大的電位差并出現(xiàn)放電的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)低點(diǎn)位的水電站電氣設(shè)備的元器件造成很大的沖擊影響。

1.4水電站系統(tǒng)過(guò)壓產(chǎn)生的原因

上述對(duì)過(guò)電壓故障的分類中，分別闡述了水電站過(guò)電壓故障產(chǎn)生的原因，下面將從水電站系統(tǒng)的整體上對(duì)該系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電壓的原因進(jìn)行分析和討論。對(duì)于水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓產(chǎn)生的根本原因可以分為兩個(gè)方面，即水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓作用和水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓。水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓作用指的是該系統(tǒng)電氣設(shè)備出現(xiàn)線路故障、開(kāi)關(guān)浪涌電壓和部件靜電放電等對(duì)系統(tǒng)造成的影響;水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓作用指的是該系統(tǒng)的外部環(huán)境出現(xiàn)一些電壓作用，比較常見(jiàn)的就是雷擊放電作用。這兩種過(guò)電壓作用一起導(dǎo)致了水電站系統(tǒng)過(guò)電壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，這會(huì)嚴(yán)重影響水電站系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和高效性的運(yùn)行。

2水電站系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)的體系

水電站系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)的體系可以分為兩種，分別是水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系和水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓保護(hù)體系，下面將分別對(duì)這兩種體系進(jìn)行研究和探討。

2.1水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓保護(hù)體系

為了防止外部電流和電壓對(duì)水電站系統(tǒng)電氣設(shè)備造成影響，從而提出了水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓保護(hù)體系的概念，其主要是通過(guò)對(duì)外部電壓和電流采取隔絕措施而避免了水電站系統(tǒng)外部產(chǎn)生的電容效應(yīng)和電感效應(yīng)的過(guò)電壓作用。水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓保護(hù)體系主要由三部分構(gòu)成，分別是水電站外部的引下線、接閃器和外部的接地系統(tǒng)。這些外部的保護(hù)設(shè)備必須要滿足相應(yīng)的規(guī)范和要求，引下線要在水電站系統(tǒng)外部過(guò)電壓保護(hù)體系的周圍均勻排布;接閃器要在水電站系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全覆蓋的安裝;接地系統(tǒng)要格外注意接地電阻的連接并對(duì)外部保護(hù)體系形成有效的防護(hù)。

2.2水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系

據(jù)了解，水電站系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓主要有三種表現(xiàn)形式，分別是諧振過(guò)電壓、暫態(tài)過(guò)電壓以及在操作過(guò)程中出現(xiàn)的操作過(guò)電壓。對(duì)于水電站系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓的保護(hù)體系有三個(gè)重點(diǎn)，下面將對(duì)其進(jìn)行概括和討論。

首先，水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系的第一個(gè)重點(diǎn)是關(guān)于該系統(tǒng)中控室以及計(jì)算機(jī)室等的放置問(wèn)題。這兩個(gè)位置是水電站系統(tǒng)中過(guò)電壓的影響比較明顯的位置，它們的布局問(wèn)題會(huì)影響這水電站系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果。該系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系要圍繞核心位置進(jìn)行排布，并保證留出足夠的安全距離。為了減小雷擊過(guò)電壓對(duì)于該系統(tǒng)整體的不良影響，需要把水電站廠房以及壩區(qū)等位置進(jìn)行連接，通常就是用導(dǎo)線連接從而使它們成為等電位提，從而能夠控制地電位反擊故障。

其次，水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系的第二個(gè)重點(diǎn)是要注意系統(tǒng)內(nèi)部等位體的連接問(wèn)題。為了能夠滿足水電站系統(tǒng)內(nèi)部的多級(jí)保護(hù)，需要對(duì)把系統(tǒng)內(nèi)部的等位體進(jìn)行連接，要避免電感效應(yīng)和電磁效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)水電站產(chǎn)生影響，要增加雷電過(guò)壓設(shè)備的數(shù)量，減小雷擊過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，使水電站的過(guò)電壓一直在合理的范圍內(nèi)。

最后，水電站系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓保護(hù)體系的第三個(gè)重點(diǎn)是要加強(qiáng)防雷保護(hù)設(shè)備的應(yīng)用。水電站系統(tǒng)內(nèi)要配備足夠多的防雷設(shè)備，還要對(duì)他們進(jìn)行相應(yīng)過(guò)電壓測(cè)試和定期的維護(hù)和檢修，要始終使它們對(duì)水電站系統(tǒng)具有良好的過(guò)電壓保護(hù)性能。

3水電站系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的應(yīng)用

在水電站系統(tǒng)對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)的應(yīng)用有很多，結(jié)合工程實(shí)例下面將對(duì)主要的五種進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

3.1氧化鋅避雷器

在水電站系統(tǒng)電氣設(shè)備過(guò)電壓的保護(hù)過(guò)程中，避雷器是對(duì)于雷電過(guò)電壓重要的保護(hù)設(shè)備，避雷器主要安裝在大地和輸電導(dǎo)線之間，與水電站系統(tǒng)中需要保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，同樣也是該系統(tǒng)中預(yù)防過(guò)電壓的必要措施。當(dāng)輸電線路傳入水電站的電壓超過(guò)避雷器保護(hù)的最高電壓后，避雷器會(huì)發(fā)生放電將此高壓傳到大地，從而對(duì)水電站電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。氧化鋅避雷器是避雷器最常用的設(shè)備之一，其主要是減小大氣過(guò)電壓的影響對(duì)水電站系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。氧化鋅避雷器本身的阻值特別高，但是當(dāng)有大氣過(guò)電壓時(shí)，其阻值會(huì)降低，回路就會(huì)被導(dǎo)通，電路中的電荷也會(huì)被導(dǎo)出，從而使得電氣設(shè)備殘留電壓降低，當(dāng)設(shè)備的電壓恢復(fù)后，氧化鋅避雷器就會(huì)回到最初的阻值，從而減小了過(guò)電壓對(duì)水電站系統(tǒng)的影響。

3.2氧化鋅壓敏電阻

在水電站系統(tǒng)電氣設(shè)備過(guò)電壓的保護(hù)過(guò)程中，氧化鋅壓敏電阻也是系統(tǒng)過(guò)電壓的保護(hù)設(shè)備，其同樣也是利用元器件阻值的變化形成的電流來(lái)控制水電站系統(tǒng)設(shè)備的電壓差，從而對(duì)水電站系統(tǒng)實(shí)行過(guò)壓保護(hù)。氧化鋅壓敏電阻已經(jīng)在很多水電工程中得到了應(yīng)用，比如說(shuō)葛洲壩水電工程和南湃水電站工程等，該保護(hù)方法能提高對(duì)水電站系統(tǒng)保護(hù)的作用，也能夠很好保護(hù)水電站有關(guān)工作人員的人身安全。

3.3放電間隙保護(hù)

在水電站系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)上，放電間隙保護(hù)是一種應(yīng)用很普遍的保護(hù)方式，其一般需要放置兩個(gè)金屬電極，它們起著完全不同的作用，其中一個(gè)是為了與絕緣子進(jìn)行連接，而另一個(gè)金屬電極通常與水電站接地系統(tǒng)進(jìn)行連接。在水電站系統(tǒng)過(guò)電壓的作用下，可以很好地調(diào)控放電間隙的影響。放電間隙保護(hù)主要有兩種保護(hù)裝置，分別是球型放電間隙保護(hù)裝置和棒型放電間隙保護(hù)裝置。球型放電間隙保護(hù)裝置對(duì)具有平緩的伏秒特性，從這方面說(shuō)它對(duì)過(guò)電壓具有很好的保護(hù)性，但是它容易出現(xiàn)端頭燒傷的問(wèn)題，這又會(huì)不利于過(guò)壓保護(hù)的有效性;棒型放電間隙保護(hù)裝置在水電站系統(tǒng)中用得比較少，因?yàn)樗c該系統(tǒng)的電氣設(shè)備的匹配度不高，另外它具有較高的伏秒特性曲率，這也不利于過(guò)壓保護(hù)的有效性。

3.4防雷保護(hù)

防雷保護(hù)對(duì)于水電站系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)是非常重要的，因?yàn)樵撓到y(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓?jiǎn)栴}很大程度上就是雷擊造成的。雷擊對(duì)水電站系統(tǒng)整體運(yùn)行的合理性和安全性影響很大，其主要通過(guò)電感耦合等形式對(duì)系統(tǒng)中的電氣設(shè)備造成危害。在實(shí)際工程包括南湃水電站工程等的防雷保護(hù)中，主要有兩種防雷保護(hù)裝置，分別是閥型避雷器和加裝電路進(jìn)線保護(hù)裝置。閥型避雷器能夠減少雷擊對(duì)水電站系統(tǒng)的影響，可以增加該系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，也能夠降低過(guò)電壓對(duì)人體的危害;加裝電路進(jìn)線保護(hù)裝置能夠降低侵入波對(duì)水電站系統(tǒng)電氣設(shè)備的不利影響，同時(shí)也能夠增強(qiáng)其對(duì)過(guò)電壓的接受程度，這兩種裝置都能促進(jìn)水電站系統(tǒng)的正常安全的運(yùn)行。

3.5勵(lì)磁變壓器過(guò)壓保護(hù)

在水電站系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)上，勵(lì)磁變壓器過(guò)壓保護(hù)同樣也是一種應(yīng)用很普遍的保護(hù)方式，它一般選用無(wú)間隙避雷器來(lái)對(duì)水電站系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。但是我國(guó)還沒(méi)有定性的關(guān)于變壓器系統(tǒng)的勵(lì)磁變壓器產(chǎn)品，對(duì)于100赫茲的過(guò)壓在我們國(guó)家通常會(huì)采用阻容器作為過(guò)壓保護(hù)設(shè)備，這主要是因?yàn)樽枞萜鞑蝗菀桌匣?，只要?duì)其進(jìn)行科學(xué)有效保護(hù)，就能使得它的電阻正常工作，這就能夠保證其對(duì)水電站系統(tǒng)設(shè)備的過(guò)壓保護(hù)。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水電站系統(tǒng)作為我們國(guó)家電力行業(yè)重要的系統(tǒng)之一，必須要不斷促進(jìn)它的發(fā)展。對(duì)于水電站系統(tǒng)容易出現(xiàn)過(guò)電壓的問(wèn)題，必須要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的過(guò)電壓保護(hù)，本文分析了水電站系統(tǒng)過(guò)壓?jiǎn)栴}產(chǎn)生的原因及主要的過(guò)壓故障類型，并提出了相應(yīng)的過(guò)電壓保護(hù)體系和過(guò)電壓保護(hù)方式。做好水電站系統(tǒng)中電氣設(shè)備的過(guò)壓保護(hù)，有利于水電站工程安全有效的運(yùn)行，也有利于電力行業(yè)的不斷向前發(fā)展，同時(shí)也能夠促進(jìn)我們國(guó)家區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加快推動(dòng)國(guó)家的現(xiàn)代化進(jìn)程。

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作者簡(jiǎn)介：

張建（1986-），男，漢族，四川南部縣人，本科，助理工程師，主要從事水電站運(yùn)行工作。

況峻峰（1985-）男，漢族，四川南部縣人，大專 ，助理工程師，主要從事水電維護(hù)工作。