劉慧琳，王漢斌

（1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，南寧 530023）

1 概述

電力系統(tǒng)中普遍存在過電壓的情況。根據(jù)引發(fā)原因主要有以下幾種：諧振過電壓、操作過電壓和雷電過電壓。如當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)操作或系統(tǒng)出現(xiàn)事故時(shí)，電力系統(tǒng)將由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的振蕩、互換及重新分布，就可能在某些設(shè)備上，甚至在全部系統(tǒng)中出現(xiàn)很高的過電壓。過電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設(shè)備的損害和大面積的停電事故。

因此，完善的過電壓保護(hù)方案、合理的絕緣配合和可靠的電氣裝置接地，不僅對發(fā)電廠、變電站安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行以及人身安全至關(guān)重要，同時(shí)也影響到電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。本文結(jié)合橋鞏水電站工程的實(shí)際情況，介紹了該電站過電壓保護(hù)的主要設(shè)計(jì)問題以及采取的技術(shù)措施。

2 橋鞏水電站的過電壓保護(hù)

廣西橋鞏水電站位于廣西來賓市境內(nèi)紅水河上，是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)等綜合利用效益的大型水電站，共裝設(shè)8臺(tái)單機(jī)容量為57 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量456 MW，采用220 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，220 kV進(jìn)線四回，出線共三回，其中兩回出線至擬建中的220 kV賓陽變電所，第三回需結(jié)合南寧電網(wǎng)、來賓電網(wǎng)“十一五”發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)負(fù)荷和電網(wǎng)發(fā)展適時(shí)確定并建設(shè)。本電站為日調(diào)節(jié)水電站，電站建成后將并入廣西電網(wǎng)運(yùn)行，汛期帶基荷運(yùn)行，枯水期承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)。

發(fā)電機(jī)電壓接線采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線，220 kV側(cè)接線采用雙母線接線。8臺(tái)機(jī)分別與4臺(tái)變壓器組成4個(gè)兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線。

2.1 過電壓保護(hù)

橋鞏水電站屬亞熱帶氣候，夏季雷雨活動(dòng)較為頻繁，年平均雷暴日數(shù)為90 d，屬多雷活動(dòng)地區(qū)，因此必須加強(qiáng)對直擊雷和雷電侵入波的過電壓防護(hù)。

該電站設(shè)置有戶外敞開式開關(guān)站，直擊雷的保護(hù)主要采用避雷線和避雷針進(jìn)行保護(hù)。開關(guān)站共有三回220 kV出線，均全線架設(shè)避雷線。避雷線一直架設(shè)至站內(nèi)出線構(gòu)架上；開關(guān)站進(jìn)線構(gòu)架至尾水平臺(tái)出線塔也架設(shè)避雷線。220 kV進(jìn)出線構(gòu)架上裝設(shè)避雷針，避雷針下面布置深埋接地極。對于設(shè)置在廠房尾水平臺(tái)上的主變及其它高壓配電設(shè)備的直擊雷保護(hù)，考慮結(jié)合廠房的布置，裝設(shè)避雷線或避雷針進(jìn)行保護(hù)。

對于雷電侵入波的保護(hù)，主要采取避雷器保護(hù)。開關(guān)站在母線上裝設(shè)了ZnO避雷器，其距離最遠(yuǎn)的一組線路出口距離約為150 m，滿足保護(hù)距離要求；另根據(jù)規(guī)范要求，在尾水平臺(tái)主變高壓側(cè)也裝設(shè)了一組ZnO避雷器，同時(shí)每臺(tái)主變中性點(diǎn)裝設(shè)避雷器和一套保護(hù)間隙；發(fā)電機(jī)出口至主變低壓側(cè)采用共箱封閉母線，為防止靜電耦合過電壓及雷擊廠房反擊電壓對主變低壓線圈絕緣的危害，每臺(tái)主變低壓側(cè)裝設(shè)一組避雷器。在發(fā)電機(jī)出口斷路器與發(fā)電機(jī)之間裝設(shè)了阻容式過電壓吸收裝置，能有效防止真空斷路器操作過電壓對發(fā)電機(jī)絕緣的危害，同時(shí)可限制雷電侵入波的陡度。

主廠房、副廠房及船閘、泄水閘等建筑物均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可利用混凝土內(nèi)的鋼筋焊接成網(wǎng)并可靠地與主接地網(wǎng)連接進(jìn)行防雷。為了防止雷擊廠房或避雷線（針）對主變及其它電氣設(shè)備的反擊過電壓，必須加強(qiáng)分流措施，將廠房梁柱內(nèi)的主鋼筋可靠連通，并引下與主地網(wǎng)連接牢固。同時(shí)，尾水平臺(tái)避雷線（針）與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)至主變壓器接地線與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)，沿接地體的長度按大于15 m設(shè)置，避雷線（針）與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)應(yīng)在2處以上，以加強(qiáng)分流。

要特別提到的是，發(fā)電機(jī)出口斷路器柜安裝的復(fù)合式過電壓保護(hù)器（見圖1）。FGB型復(fù)合式過電壓保護(hù)器是阻容吸收器和避雷器的有機(jī)結(jié)合，是有效保護(hù)操作過電壓和大氣過電壓的專用設(shè)備，具備阻容吸收器和避雷器的雙重功能，保證電氣設(shè)備的安全正常運(yùn)行[1]。

圖1 發(fā)電機(jī)出口斷路器柜配置圖

但在實(shí)際運(yùn)用中，該電站4號(hào)機(jī)組72 h試運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)斷路器柜中安裝的FGB-10Z型復(fù)合式過電壓保護(hù)器發(fā)生爆炸現(xiàn)象。復(fù)合式過電壓保護(hù)器的作用主要是限制雷電過電壓、真空斷路器操作過電壓以及電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種暫態(tài)過電壓，在相間和相地之間都連接有一定比例的ZnO電阻片或帶火花間隙，利用其放電間隙把系統(tǒng)與避雷器及阻容回路進(jìn)行隔離，對相間和相對地的過電壓均能起到可靠的限制作用，避免發(fā)生短路、爆炸等故障。但實(shí)際工程中發(fā)生的情況說明，復(fù)合式過電壓保護(hù)器承受過電壓時(shí)，雖然通過了大電流，但過電壓時(shí)間短暫，過電壓保護(hù)器還是起到了保護(hù)作用，真空斷路器此時(shí)沒有發(fā)生系統(tǒng)操作時(shí)保護(hù)器短路爆炸事故，不會(huì)損壞。但在若干次承受過電壓之后，復(fù)合式過電壓保護(hù)器保護(hù)間隙的耐受電壓能力下降，放電間隙的絕緣性能降低。在工頻過電壓下有放電現(xiàn)象，其放電間隙當(dāng)時(shí)已經(jīng)不能保證正常的隔離效果。長時(shí)間因?yàn)樾孤╇娏髯栊苑至看笠约坝纱藥淼牧踊F(xiàn)象和功率損耗問題，所以才逐步造成了保護(hù)器在各種操作和故障的瞬態(tài)過電壓下發(fā)生爆炸。

由此可見，一方面，對真空開關(guān)開斷產(chǎn)生的操作過電壓，專用的保護(hù)設(shè)備是阻容吸收器，但其不能防雷和其它高幅值的過電壓。另一方面，避雷器即使進(jìn)行了組合式設(shè)計(jì)，依然不能達(dá)到完全防止有危害操作過電壓的理想效果。

由于現(xiàn)有的復(fù)合式過電壓保護(hù)器運(yùn)行很不可靠，為保障人身和設(shè)備安全，設(shè)計(jì)變更中，已經(jīng)取消發(fā)電機(jī)斷路器柜及電抗器廠用進(jìn)線柜內(nèi)的復(fù)合式過電壓保護(hù)器FGB-10Z。取消后，每面發(fā)電機(jī)斷路器柜內(nèi)安裝3臺(tái)ZnO避雷器YH5W-13.5/31替代，表1給出了該避雷器的具體參數(shù)；而電抗器廠用進(jìn)線柜內(nèi)不再安裝替代設(shè)備。

表1 避雷器具體參數(shù)kV

表2 電氣設(shè)備的耐受電壓值 kV

表3 避雷器主要技術(shù)參數(shù) kV

2.2 絕緣配合

橋鞏電站電氣設(shè)備安裝點(diǎn)海拔高度不超過1 000 m，設(shè)備外絕緣環(huán)境污穢等級(jí)按Ⅱ級(jí)，爬電比距為2.0 cm/kV。

各電壓等級(jí)電壓設(shè)備布置安全距離按大于或等于規(guī)程最小空氣間隙進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

220 kV開關(guān)站設(shè)備，220 kV主變壓器及發(fā)電機(jī)均采用金屬氧化物避雷器或阻容式過電壓吸收裝置來限制操作過電壓和保護(hù)設(shè)備免受雷電過電壓傷害，并選擇專用避雷器來保護(hù)變壓器中性點(diǎn)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)裝設(shè)單相接地變壓器加高電阻裝置接地，采用故障瞬時(shí)跳閘保護(hù)，發(fā)電機(jī)定子線圈交流耐壓試驗(yàn)值按《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》要求確定[3]。

各電壓等級(jí)電氣設(shè)備相對地計(jì)算用最大操作過電壓采用的標(biāo)么值如下：13.8 kV為4；220 kV電氣設(shè)備3.0。相間操作過電壓?。?.4倍相對地過電壓[4]。對超過電氣設(shè)備耐受電壓值的任何過電壓，避雷器均應(yīng)能進(jìn)行保護(hù)。電氣設(shè)備首端絕緣水平與雷電過電壓的絕緣配合系數(shù)即全波額定雷電沖擊耐壓與保護(hù)避雷器標(biāo)稱放電電流殘壓的比值按1.4倍考慮[5]。各電氣設(shè)備的耐受電壓值及保護(hù)避雷器參數(shù)分別見表2和表3。

3 結(jié)語

電氣設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生的過電壓及其危害性日益得到重視，根據(jù)各種過電壓的性質(zhì)而采取相應(yīng)的保護(hù)措施也成為電氣設(shè)計(jì)中需要愈加重視的問題。本文針對橋鞏水電站過電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)問題做了較全面的總結(jié)，希望能對其他工程起到借鑒作用。也希望各種過電壓保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家及研發(fā)領(lǐng)域能加強(qiáng)研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)，提高產(chǎn)品整體的絕緣性能和密封性能，以防止有意外因素對產(chǎn)品的損壞。并在投運(yùn)之前，進(jìn)行試驗(yàn)及定期檢測。確保經(jīng)多次承受過電壓后產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊[M].北京:水利電力出版社,1982.

[2]DL/T 5186-2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2004.

[3] GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[4]DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].北京:中國電力出版社,1997.

[5] GB 11032-2000交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.