电气一次设备过电压保护措施研究

吉林蛟河抽水蓄能有限公司 赵玉锋 何晓辉 王天鹤 丁铖俊

通常情况下，水电厂电气一次设备在实际运行期间，为了加强对过电压等相关问题的控制，为电力系统稳定运行提供保障，需要采取有效的措施加强对设备过电压的保护，根据电气一次设备过电压保护相关情况，采取有效的处理措施，最大相对减少过电压对电气一次设备的影响。过电压对电网运行的稳定性有直接影响，不但能导致设备损毁，重则导致大规模停电，对水电厂造成严重的经济损失。因此，相关工作人员需要充实过电压等相关问题，做好日常养护工作的同时，结合设备已发生过电压的位置，采取全面、有效地保护措施。

1 过电压概述

过电压主要指电压明显升高，超出正常运行范围并导致电力系统绝缘或保护设备受损。受诸多因素的影响，电力系统发生超出工作电压范围的情况，电压持续升高，这也是系统中高发的一类电磁扰动现象。设备绝缘长期耐受工作电压，且需要承受相应的过电压，为系统的安全稳定运行夯实基础。对过电压具体原因加以明示，对其幅值进行有效预测，并采取有效的限制措施，是保证系统稳定运行的重点。对其类型进行划分，具体包括内部过电压和外部过电压。

其中，前者主要为系统运行期间断路器的运行状态出现较大的异常，或系统发生故障引发过电压等情况，常见问题有操作过电压、暂态过电压等[1]。其中，后者较为常见，也是过电压的主要类型之一，具体为断路器存在故障问题，或发生短路等情况，导致系统在过渡后处于短暂的稳定状态，同时引发过电压，以工频电压增加为主要表现，也包括多种类型，如远距离用电负荷过电压等。操作过电压在系统运行期间也十分常见，主要指复杂发生一定的变化，进而引发过电压，以衰竭加快、持续时间短为主要特征。谐振过电压为系统储能构件在相应的频率下出现共振，过电压发生风险较大。

外部过电压主要与环境因素相关，例如雷电及大气过电压等，通常为大气环境中的雷云，对地面放电，进而引发过电压。常见类型有直击雷和感应雷两种，均为发生频率较高的过电压类型。其中，直击雷过电电压不会持续较长时间，多数情况下在数10μs，以脉冲为主要特征，也可看作雷电冲击波。该类过电压也是雷闪对电气设备造成一定的冲击，导致导电部位发生一类过电压。直接雷击的表现为架空输电线路被雷闪击中。反击的表现为线路铁塔等被击中，这一过程中电位增加明显，带电导体存在明显的放电作用。另外，该类过电压具有较高的幅值，因此可导致设备严重损毁，容易出现短路接地等情况[2]。感应雷过电压也较为常见，主要为雷闪击中设备附近的地面，在放电的过程中，空间环境下电磁场明显变化，虽然电气设备未直接遭受雷击，但也会产生过电压。

2 过电压产生原因分析

2.1 电力外输线路

电力外输线路是水电厂的重要运行线路，主要采用长距离传输形式。为了确保线路的安全、稳定运行，工作人员需要充分了解电力外输线路过电压的产生原因，做好过电压保护措施。首先，电力系统运行期间，电气一次设备容易出现电磁干扰情况，进而导致设备出现过电压。水电站设备运行时，发电机可能出现励磁情况，进而导致设备过电压[3]。其次，在外输线路运行阶段，因受电容效应、负荷效应等诸多因素的影响，导致线路出现过电压。

2.2 出线设备

出线设备运行过程中，周围气候环境对其有直接影响，雷雨天气时，输电线路受到雷击使线路跳闸，线路经常跳闸必然会影响其运行质量，进而导致过电压。因此，为了减少跳闸情况，工作人员可采用空地加高等方法，尽量远离树林丛林。同时，为了减少出线平台受雷击风险，可以安装避雷设备，主要安装在空门架上。

2.3 主变压器

主变压器运行期间，主变高压侧断路器发生开端空载情况较为常见，且发生频率较高，可形成微弱的电流，严重影响断路器的稳定运行。基于质量守恒定律，磁场能量转化为电能后，绕组上方电容电压数量明显增加，绕组励磁及电压关系密切。

3 过电压对水电厂电气一次设备的影响分析

不同类型、特点的过电压情况对电气一次设备的影响有所不同。对水电厂而言，发配电及输电为电气一次设备的基础功能。电气设备的等级对外部过电压并没有直接的影响，而雷电的强弱程度为主要影响因素，为了降低过电压的危害性，需要采取有效的措施增强设备的综合性能。其中，谐振过电压的危害性较强，中低压电网深受影响，且持续时间较长，修复和处理的难度系数高[4]。为了降低该类过电压的危害，做好前期设计和评价工作十分重要。开关操作是影响操作过电压的主要因素之一，容易导致电压持续增加，进而影响一次设备的稳定运行。而工频过电压通常危害性较强，但是在超高压的运行条件下，同时以远距离输电为主，也会严重影响设备的运行质量。

4 水电厂电气一次设备过电压保护措施

4.1 防设备雷击过电压保护措施

出线设备。出线设备主要采用架空安装的方法，有助于减少雷电击中线路以及绝缘子发生闪络的风险，同时能够减少设备跳闸频率。雷电过电压主要由避雷线及杆顶导致，同时与接地电阻、杆塔高度等因素关系密切。因此，当出线设备以架空出线为主，需要重视杆塔接地的选择，最大限度降低雷电过电压的危害性。另外，针对出线设备的保护还可以采用其他配电设备，如GIS、AIS等[5]。

GIS需要配备较长的架空线路，且需要在出线连接部位安装相应的避雷设备，同时要注意不可将避雷设备安装在母线上。无论是单芯电缆还是三芯电缆，对电缆段和避雷器连接的一端进行接地处理。AIS装置的保护作用主要体现在对35～220kV进线段，并且也需要安装避雷设备，除了特殊情况外避免在母线上直接安装。除此之外，AIS装置的应用要加强对接地端、电缆金属外皮接触情况的关注，减少意外发生风险。

励磁变压器（如图1所示）。因为外部电压相对特殊，所以无间隙避雷针在过电压保护中较为常用，在励磁变压器运行期间，还需要加强对其他影响因素的分析。为了减少短路的发生，需要确保氧化锌具备较好的电阻特性。短路的主要发生原因之一为非线性电阻老化，需要加强对吸收限度的管控，避免出现过大的连续电压。目前所采用的避雷器绝缘性能有待提高，难以发挥保护作用，并且在形成电压时极易导致变压器损毁，对参数合理调整十分必要，做好保护措施。对于120Hz的过电压，可采用组容器有效限制，确保电阻发挥散热作用，有效吸收电压，且通常不会导致老化等质量问题。

图1 励磁变压器

放电间隙。为了加强对放电间隙的保护，设置相应的防雷装置具有重要意义，该类装置的结构相对简单，且运维管理的难度较低，但是自行灭弧较为困难。放电间隙保护装置具有较多的结构形式，如角形、球形、棒形等，各有优势和不足。其中，棒形结构具有秒伏的特点，难以和设备绝缘达到较好的配合效果；球形虽然具备较好的保护作用，秒伏特性稳定，但是容易导致端头损毁，电极之间的距离较大，所以保护动作的准确性较差。角形结构能够弥补上述两种结构的不足，目前在过电压防护中十分常用。另外，防设备雷击还需要加强对其他相关装置的使用，如防雷接地、电容器组等，有助于进一步减少过电压对设备的干扰。

4.2 防设备内部过电压保护措施

负荷突变过电压。对水电厂而言，在电气设备使用的过程中，在突发事故的影响下，可能导致其一次电气设备的电压水平显著升高，进而对设备负荷产生较大的影响，过电压的发生风险较高，所以需要重点预防负荷变化引发的过电压。在设备两侧可以加设励磁系统，有效控制其中枢反应，同时在采取预防措施的同时，还需要重点控制输电线路的电容效应，或者采用空载线路投切等方法，减少负荷变化引发过电压的发生风险，为设备的稳定运行提供支持。

接地故障。通常在电路系统运行的过程中，接地故障较为常见，多表现为单相接地。故障的发生、发展主要受电压水平影响。对原因进行分析：当避雷装置出现接地情况后，电气设备的电压值显著增加，所以做好保护措施十分必要。当单相接地发生后，过电压数值整体偏低，所以要充分考虑单相接地的运行状态和实际电压数值，在此基础上合理选择避雷器。另外，采取接地故障保护措施时，中性点接地故障也是需要考虑的重要因素。通常选择单相接地避雷的过程中，需要充分考虑电网运行的电压情况，加强对直接接地过电压的控制。

谐振过电压。在系统运行的过程中，受诸多因素干扰，容易引发谐振过电压，如过电压时间、回路特点等。由于系统本身缺乏稳定性，当过电压出现的时间较长，必然会导致其运行质量下降。因此，相关工作人员需要加以重视，采取有效的保护措施。针对该类过电压的处理方法较多，如适当增加电阻，加设消谐装置等。

4.3 其他保护措施

主变压器。空载变压器对断路器的整体功能有直接影响。小电感电流是主变高压测电流的主要特点，断路器的灭弧性能较好，主变压器出现过电压的风险较大。以能量守恒定律为依据，当设备电磁能向电能转化的过程中，其电容电压增加明显，对绕组电容和主变电压的影响较大。如果过电压出现在空切变压器中，电压数值明显增高，可将直接接地的方法用于主变高压侧，有助于减少雷击对主变低压侧的影响，进一步保障设备的稳定运行。

针对100Hz频繁、连续的换相过电压，可采用阻容吸收器进行有效限制。因为阻容不会导致负荷率及老化问题，只要确保电阻的散热充足，实现对过电压的连续吸收。

另外，工作人员还需要注意水电厂发电机、用电开关的安装。对发电机进行安装的过程中，可借助并联电容器。同时，还需要加强对氧化锌电阻的利用，有助于进一步降低过电压，使一次电气设备的绝缘性能得到提高。在开关选择方面，以真空断路器为主，同时内部需要架设氧化锌装置，提高电流的控制效果，减少过电压情况的发生。针对发电机中性点，可选择中性点经接地变压器的接地方法。接地变能够有效将过电压限制在一定的范围内，进而有效降低发电机中性点绝缘水平。除此之外，中性点可以采用经接地变压器的接地方式，对于提高回路的阻尼率作用明显，过电压的幅值明显降低，陡度也会下降，减少过电压的发生，加强对设备的保护。

5 结语

过电压在水电厂电气一次设备运行期间较为常见，全面分析原因并做好保护、预防措施十分重要，为水电厂的稳定运行夯实基础。过电压具有一定的危害性，不但可导致设备毁坏，同时还可带来较大的经济损失。因此，为了确保水电厂的稳定运行，应制定科学、可行的过电压保护措施，提高电气一次设备的运行质量。相关工作人员应充分认识到过电压保护的重要性，不断提高维护和管理水平，为水电厂的稳定运行夯实基础。