桥巩水电站的过电压保护措施

刘慧琳，王汉斌

（1.广西大学 电气工程学院，南宁 530004；2.广西电力工业勘察设计研究院，南宁 530023）

1 概述

电力系统中普遍存在过电压的情况。根据引发原因主要有以下几种：谐振过电压、操作过电压和雷电过电压。如当系统内开关操作或系统出现事故时，电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，在状态转变过程中，由于系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布，就可能在某些设备上，甚至在全部系统中出现很高的过电压。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，完善的过电压保护方案、合理的绝缘配合和可靠的电气装置接地，不仅对发电厂、变电站安全、经济、可靠的运行以及人身安全至关重要，同时也影响到电力系统安全、可靠、稳定的运行。本文结合桥巩水电站工程的实际情况，介绍了该电站过电压保护的主要设计问题以及采取的技术措施。

2 桥巩水电站的过电压保护

广西桥巩水电站位于广西来宾市境内红水河上，是一座以发电为主，兼有航运等综合利用效益的大型水电站，共装设8台单机容量为57 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量456 MW，采用220 kV电压等级接入系统，220 kV进线四回，出线共三回，其中两回出线至拟建中的220 kV宾阳变电所，第三回需结合南宁电网、来宾电网“十一五”发展规划，根据负荷和电网发展适时确定并建设。本电站为日调节水电站，电站建成后将并入广西电网运行，汛期带基荷运行，枯水期承担调峰任务。

发电机电压接线采用两机一变扩大单元接线，220 kV侧接线采用双母线接线。8台机分别与4台变压器组成4个两机一变扩大单元接线。

2.1 过电压保护

桥巩水电站属亚热带气候，夏季雷雨活动较为频繁，年平均雷暴日数为90 d，属多雷活动地区，因此必须加强对直击雷和雷电侵入波的过电压防护。

该电站设置有户外敞开式开关站，直击雷的保护主要采用避雷线和避雷针进行保护。开关站共有三回220 kV出线，均全线架设避雷线。避雷线一直架设至站内出线构架上；开关站进线构架至尾水平台出线塔也架设避雷线。220 kV进出线构架上装设避雷针，避雷针下面布置深埋接地极。对于设置在厂房尾水平台上的主变及其它高压配电设备的直击雷保护，考虑结合厂房的布置，装设避雷线或避雷针进行保护。

对于雷电侵入波的保护，主要采取避雷器保护。开关站在母线上装设了ZnO避雷器，其距离最远的一组线路出口距离约为150 m，满足保护距离要求；另根据规范要求，在尾水平台主变高压侧也装设了一组ZnO避雷器，同时每台主变中性点装设避雷器和一套保护间隙；发电机出口至主变低压侧采用共箱封闭母线，为防止静电耦合过电压及雷击厂房反击电压对主变低压线圈绝缘的危害，每台主变低压侧装设一组避雷器。在发电机出口断路器与发电机之间装设了阻容式过电压吸收装置，能有效防止真空断路器操作过电压对发电机绝缘的危害，同时可限制雷电侵入波的陡度。

主厂房、副厂房及船闸、泄水闸等建筑物均为钢筋混凝土结构，可利用混凝土内的钢筋焊接成网并可靠地与主接地网连接进行防雷。为了防止雷击厂房或避雷线（针）对主变及其它电气设备的反击过电压，必须加强分流措施，将厂房梁柱内的主钢筋可靠连通，并引下与主地网连接牢固。同时，尾水平台避雷线（针）与主接地网的地下连接点至主变压器接地线与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度按大于15 m设置，避雷线（针）与主接地网的地下连接点应在2处以上，以加强分流。

要特别提到的是，发电机出口断路器柜安装的复合式过电压保护器（见图1）。FGB型复合式过电压保护器是阻容吸收器和避雷器的有机结合，是有效保护操作过电压和大气过电压的专用设备，具备阻容吸收器和避雷器的双重功能，保证电气设备的安全正常运行[1]。

图1 发电机出口断路器柜配置图

但在实际运用中，该电站4号机组72 h试运行过程中，发电机断路器柜中安装的FGB-10Z型复合式过电压保护器发生爆炸现象。复合式过电压保护器的作用主要是限制雷电过电压、真空断路器操作过电压以及电力系统中可能出现的各种暂态过电压，在相间和相地之间都连接有一定比例的ZnO电阻片或带火花间隙，利用其放电间隙把系统与避雷器及阻容回路进行隔离，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用，避免发生短路、爆炸等故障。但实际工程中发生的情况说明，复合式过电压保护器承受过电压时，虽然通过了大电流，但过电压时间短暂，过电压保护器还是起到了保护作用，真空断路器此时没有发生系统操作时保护器短路爆炸事故，不会损坏。但在若干次承受过电压之后，复合式过电压保护器保护间隙的耐受电压能力下降，放电间隙的绝缘性能降低。在工频过电压下有放电现象，其放电间隙当时已经不能保证正常的隔离效果。长时间因为泄漏电流阻性分量大以及由此带来的劣化现象和功率损耗问题，所以才逐步造成了保护器在各种操作和故障的瞬态过电压下发生爆炸。

由此可见，一方面，对真空开关开断产生的操作过电压，专用的保护设备是阻容吸收器，但其不能防雷和其它高幅值的过电压。另一方面，避雷器即使进行了组合式设计，依然不能达到完全防止有危害操作过电压的理想效果。

由于现有的复合式过电压保护器运行很不可靠，为保障人身和设备安全，设计变更中，已经取消发电机断路器柜及电抗器厂用进线柜内的复合式过电压保护器FGB-10Z。取消后，每面发电机断路器柜内安装3台ZnO避雷器YH5W-13.5/31替代，表1给出了该避雷器的具体参数；而电抗器厂用进线柜内不再安装替代设备。

表1 避雷器具体参数kV

表2 电气设备的耐受电压值 kV

表3 避雷器主要技术参数 kV

2.2 绝缘配合

桥巩电站电气设备安装点海拔高度不超过1 000 m，设备外绝缘环境污秽等级按Ⅱ级，爬电比距为2.0 cm/kV。

各电压等级电压设备布置安全距离按大于或等于规程最小空气间隙进行设计[2]。

220 kV开关站设备，220 kV主变压器及发电机均采用金属氧化物避雷器或阻容式过电压吸收装置来限制操作过电压和保护设备免受雷电过电压伤害，并选择专用避雷器来保护变压器中性点。发电机中性点装设单相接地变压器加高电阻装置接地，采用故障瞬时跳闸保护，发电机定子线圈交流耐压试验值按《水轮发电机组安装技术规范》要求确定[3]。

各电压等级电气设备相对地计算用最大操作过电压采用的标么值如下：13.8 kV为4；220 kV电气设备3.0。相间操作过电压取：1.4倍相对地过电压[4]。对超过电气设备耐受电压值的任何过电压，避雷器均应能进行保护。电气设备首端绝缘水平与雷电过电压的绝缘配合系数即全波额定雷电冲击耐压与保护避雷器标称放电电流残压的比值按1.4倍考虑[5]。各电气设备的耐受电压值及保护避雷器参数分别见表2和表3。

3 结语

电气设备在运行中产生的过电压及其危害性日益得到重视，根据各种过电压的性质而采取相应的保护措施也成为电气设计中需要愈加重视的问题。本文针对桥巩水电站过电压保护的设计问题做了较全面的总结，希望能对其他工程起到借鉴作用。也希望各种过电压保护装置生产厂家及研发领域能加强研发和技术改进，提高产品整体的绝缘性能和密封性能，以防止有意外因素对产品的损坏。并在投运之前，进行试验及定期检测。确保经多次承受过电压后产品的各项技术参数仍然能够满足设计要求。

[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册[M].北京:水利电力出版社,1982.

[2]DL/T 5186-2004水力发电厂机电设计规范[S].北京:中国电力出版社,2004.

[3] GB/T 8564-2003水轮发电机组安装技术规范[S].北京:中国标准出版社,2004.

[4]DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京:中国电力出版社,1997.

[5] GB 11032-2000交流无间隙金属氧化物避雷器[S].北京:中国标准出版社,2000.