水电厂电气一次设备过电压保护措施探讨
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【摘 要】水电厂电力系统中普遍存在过电压情况，过电压一旦发生，往往造成电气设备的损害和大面积的停电事故，因此完善的过电压保护措施对于水电厂的运行至关重要。本文分析了电力系统过电压分类和特点，并从三方面探讨了气一次设备过电压保护措施。
【关键词】水电厂；一次设备；过电压；保护
一、电力系统过电压分类和特点
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。
图1
（一）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。
（二）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。
（三）操作过电压
由电网内开关操作引起，特点是具有随机性，但最不利情况下过电压倍数较高。因此30KV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。
（四）谐振过电压
谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大；过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积的停电事故。许多运行经验表明，中低压电网中过电压事故大多数都是由谐振现象所引起的。由于谐振过电压作用时间较长，在选择保护措施方面造成困难。为了尽可能地防止发生谐振过电压，在设计和操作电网时，应事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的串联谐振回路；或采取适当的防止谐振的措施。谐振过电压轻者令到TV的熔断器熔断、匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全的事故。
二、水电厂电气一次设备过电压保护措施探讨
电气一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等。
（一）励磁变压器的过电压保护
目前国际公认的最先进的过电压保护器件是氧化锌压敏电阻（或称非线性电阻ZnO）组成的无间隙避雷器。但在励磁变的过电压保护上存在以下实际问题：
（1）ZnO在额定工况下是不导通动作的，不能长期、连续、频繁地动作，否则会引起ZnO快速老化击穿短路。对100Hz的频繁连续的换相过电压不能用ZnO来吸收。
（2）对其它过电压，是偶发的、短暂的，很适合用ZnO来保护。但按国标GB11032《交流无间隙金属氧化物避雷器》生产的普通避雷器（MOA）仍不能直接用来保护励磁变。因为：MOA均跨接在相与地之间，对相间过电压要经过两只MOA串联限压，残压为相-地的两倍，超出了绝缘的耐受程度，不能有效地保护相间绝缘；国标所列的参数均是针对电力系统额定电压的，而励磁变二次电压随发电机参数而变，套不上标准，买不到合适的定型产品。
对于上述100Hz的频繁、连续的换相过电压，可用阻容吸收器来限制。因为阻容没有“负荷率”和老化的问题，只要电阻的散热功率足够，就可以连续吸收过电压。其原理电路见图。励磁变LB二次绕组任意两相电流突变产生过电压时，都可以经过二极管D1～D6对电容C充电，从而得到缓冲，降低di/dt，减小了过电压。过电压消失后，C上的电荷向电阻R释放，等待下一个周期再次吸收。
二极管D1～D6的作用一是可使三相共用一组R、C，节省体积大、价格高的高压电容；二是防止C上的电荷向励磁回路释放，避免在可控硅换相重叠瞬间两相短路时，C突然放电产生极大的di/dt，损坏可控硅管；三是可以避免电容C和回路电感产生振荡。
本方案的原理电路并不新鲜，一般教科书中早有介绍，但其阻容参数的选择却有一番研究。教科书中选择C容量的出发点是吸收整流变空载拉闸时漏感的磁能，但实际上机端自并励系统的励磁整流变不可能有这种工况，所以这种容量计算在这里就无实际意义。这里要吸收的是可控硅换相时反向恢复电流在励磁变漏感及引线电感中产生的磁能。详细的分析计算比较繁杂，限于篇幅不拟在这里探讨。
（二）放电间隙保护
所谓保护间隙，是由两个金属电极构成的一种简单的防雷保护装置。其中一个电极固定在绝缘子上，与带电导线相接，另一个电极通过辅助间隙与接地装置相接，两个电极之间保持规定的间隙距离。保护间隙构造简单，维护方便，但其自行灭弧能力较差。其间隙的结构有棒型、球型和角型三种。棒型间隙的伏秒特性较陡，不易与设备的绝缘特性配合；球型间隙虽然伏秒特性最平坦，保护性能也很好，但它与棒型间隙一样，都存在着间隙端头易烧伤的缺点，烧伤后间隙距离增大，不能保证动作的准确性；角型间隙放电时，电弧会沿羊角迅速向上移动而被拉长，因而容易自行灭弧，间隙不会严重烧伤，所以，近年来角型间隙被广泛用于配电线路和配电设备的防雷保护。
由于保护间隙的间隙距离较小（8～25mm），易为昆虫、鸟类或其他外物偶然碰触而引起短路，因此常在接地引下线上串接一个小角型辅助间隙。在正常情况下，保护间隙对地是绝缘的，并且绝缘强度低于所保护线路的绝缘水平，因此，当线路遭到雷击时，保护间隙首先因过电压而被击穿，将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护线路和电气设备的作用。
防雷保护间隙的结构应满足以下要求：（1）间隙距离应符合要求，并稳定不变。（2）间隙放电时，应能够防止电弧跳到其他设备上。（3）能防止间隙的支持绝缘子损坏。（4）间隙正常动作时，能防止电极烧坏。（5）电极应镀锌或采取其他防锈蚀的措施。（6）主、辅间隙之间的距离应尽量小，最好三相共用一个辅助间隙。
（三）出线过电压保护
1.GIS配电装置出线过电压保护配置
对于连接GIS管道的架空线路，其进线段保护长度应不小于2km。
图2
如图2所示，220kV及以下GIS配电装置架空线路的出线连接处，应装设出线侧避雷器F1，母线上不应安装母线避雷器。220kV及以下GIS配电装置的电缆或混合出线的过电压保护。220kV、110kV进线有电缆段的GIS变电所，在电缆段与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器（FMO1），其接地端应与电缆的金属外皮连接。对三芯电缆，末端的金属外皮应与GIS管道金属外壳连接接地；对单芯电缆，应经金属氧化物电缆护层保护器（FC）接地。电缆末端至变压器或GIS 一次回路的任何电气部分间的最大电气距离不超过130米或虽超过。对连接电缆段的2km架空线路应架设避雷线作为进线段保护。35kV及以下进线有电缆段的GIS变电所，在电缆段与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器（FMO1），其接地端应与电缆的金属外皮连接。若电缆末端至变压器或GIS一次回路的任何电气部分间的最大电气距离不超过50米。进线全长为电缆的GIS变电站连接处是否需装设金属氧化物避雷器，应视电缆另一端有无雷电过电压波侵入的可能，经校验确定。220kV及以下GIS配电装置的出线侧避雷器宜安装在GIS外部。
2.AIS配电装置出线过电压保护配置
对于35kV～220kV架空线路，应有进线段保护，新建35kV～220kV变电站出线应装设出线侧避雷器，出线侧避雷器的安装位置应选择在变电站内。现有35kV～220kV变电站出线应加装出线侧避雷器，出线侧避雷器的安装位置宜选择在变电站内（支架上、门型构架上），若无条件，可选择安装在出线终端塔上。
图3
若变电站全部出线都配置了避雷器，母线上可不安装避雷器，但应校核极端运行方式（如一线一变）下的保护距离，不满足要求时，应安装母线避雷器。 220kV及以下架空线路与电缆混合线路，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器F1，其接地端应与电缆金属外皮连接。对单芯电缆（如图3a所示），金属外皮应经电缆护层保护器Fc接地，对三芯电缆（如图3b所示），两端的金属外皮应直接接地。若电缆长度超过50m时，应在变电站侧的电缆终端装设避雷器F2（长电缆经校核雷冲击波衰减满足绝缘配置要求的，可不装设F2）。
参考文献：
[1]刘青，张玉峰.220kVGIS变电站雷电过电压防护措施的研究[J].高压电器，2008，44（4）.
[2]叶辉，刘祖高.水电厂电气一次设备过电压保护措施探讨[J].电源技术应用，2013（12）.