试论水电厂电气一次设备过电压保护措施

韩春辉

【摘要】无论是人们日常生活的电力系统，还是水电厂的电力系统，对电压的承受力都是有限的。一旦电压超过限度，将会造成电气设备的严重损坏，甚至导致大规模停电事件发生，这将会对人们日常生活以及企业运营造成严重影响，带来巨大的经济损失。为了不影响水电厂其电气设备的正常运行，需要采取一定的措施来达到对设备的过电压保护。本文以电力系统中不同类别的过电压为切入点，阐述其特点，并提出解决设备内外过电压的有效措施，为相关人员提供参考。

【关键词】水电厂；电气设备；一次设备；过电压保护

电力系统的工作电压具有一定极限，在某些特殊情况下，电压出现异常升高，超过了工作电压的限度，发生了电磁扰动现象，则被称作过电压。一般电气设备的绝缘部分除了长期受到工作电压的侵蚀，还会偶尔经受过电压的伤害。大部分电气设备在设计时和制造过程中，都为设备配置了一定的承受过电压的能力，以便电气设备可以正常运行。然而，这个承受度也是有限的，若过电压超过幅度过大，将会对电气设备造成损伤，影响电气设备的正常运行。

一、过电压的概念、分类及其特点

（一）概念

过电压是超过正常工作电压一定幅度的电压，这个幅度有大有小，小幅度的过电压仅会对设备保护部分造成一定的损害，只有长期积累才会造成明显伤害。但因为电气设备的管理人员会对设备进行日常维护，因此可以忽略不计。然而，对于那些超过幅度较大的过电压，将会对设备的绝缘部分造成毁灭性的伤害，失去了绝缘部分的保护，设备电路直接暴露在过电压的攻击下，直接造成设备损坏。

（二）分类及其特点

过电压可以分为内部和外部两类过电压，其下还可以细分。

1.外部过电压

外部过电压多源于自然因素，如雷云放电。按照雷电的发展阶段可以分为雷击过电压、感应雷击过电压以及流动波过电压。外部过电压大小与雷击程度成正比，雷击越强，过电压也就越高。而电气设备的等级则与过电压大小没有关系。

2.内部过电压

内部过电压的产生原因源自电气系统的内部能量传递与转化，可以进一步细化为谐振过电压、工频过电压与操作过电压。

谐振过电压是危害性较大的过电压状态，这种过电压会对电气设备造成极大的损坏。谐振过电压能够直接伤害中低压电网，使其运行异常。由于谐振过电压持续时间长，导致维护措施很难进行。目前针对谐振过电压的处理，一般都是在设计电路时对可能出现其中的问题级伤害程度进行预估，将谐振过电压造成的危害尽可能的削弱。

操作过电压具有偶然性与短暂性，顾名思义，是因为操作原因形成的过电压。造成操作过电压的操作，一般是开关操作。操作过电压没有确切的规律，因此很难进行预防和控制。在某些特殊条件下，操作过电压的电压数值会成倍增长。

工频过电压通常存在于有一定长度的电气电路中，多是由于电容效应或电网运行变化引起的。工频过电压对于电气设备的伤害，综合来讲弱于谐振过电压与操作过电压。尽管工频过电压的持续时间较长，但其过电压的倍数却不与持续时间成正比，一般处于设备绝缘部分的承受限度内，因此对于电气设备造成的伤害比较弱，是危险性较小的过电压状态。工频过电压只有处于超高压状态时，还有在远距离输电时，才会对电气设备造成比较直接的影响。

二、水电厂对于电气一次设备的过电压保护

若要对电气一次设备进行有效的保护，就要对其结构和用途进行详细的了解。水电厂的电气一次设备主要用于发电、配电以及传输高压电力。其结构主要有发电机、变电器、变压器，还有开关及电抗器。

（一）励磁变压器

过电压保护器一般为无间隙避雷器，针对励磁变压器的保护需要考虑多个问题。首先是氧化锌的电阻能力，在一般情况下，氧化锌的电阻不会导通，也会发生连续性动作，以免使非线性电阻发生老化，从而导致短路。非线性电阻的吸收能力也有限，100MHz的连续过电压即为最高吸收限度。

其次是氧化锌对于多数过电压的吸收，国家制定了相关的标准和规范对励磁变压器的过电压保护进行控制。一般的避雷器对于励磁变压器的保护效果是非常有限的，这是由于普通避雷器的绝缘程度较低，在产生过电压时会对绝缘部分造成传统效果，从而直接伤及励磁变压器，所谓的绝缘效果对于励磁变压器来说只是空谈。若要行以有效的保护，就要调整参数。需要注意的是，二次电压会随着参数的变化也随之发生改变，目前市面上还没有定性的产品。

当前，对于100MHz幻想过电压，通常是使用组容器来为其造成一定的阻碍，限制其最终造成的伤害，这也是参考了阻容器是少数不会发生老化现象的限制性设备这一优越性而做出的选择。组容器在特殊条件下，其里侧绕组发生过电压现象，二极管向电容充电，通过缓冲方式削弱了过电压的冲击。待过电压现象小时候，电容将电荷释放至电阻，以便下一次过电压来临时做再次吸收。

（二）放电间隙

对于间隙的保护，通常是采用简单的防雷装置进行保护，这种保护装置一般是由2个金属电极组合而成，一头连接带电导线并固定于绝缘子上，另一头穿过辅助间隙连接至接地装置，2个电极之间具有一定的间隙距离。这种保护装置的构造非常简单，维护起来没有一点难度，唯一的缺点是很难进行自行灭弧。保护装置的间歇结构有三种：棒形、球形、角形。三种形状的结构各有各的优点和缺点。棒形具有非常陡的伏秒特性，很难与设备的绝缘要求达成完美的配合；球形虽然伏秒特性比其他二者都要平坦的多，保护性能也不差，但是就端头易发生烧伤这一缺点上，与棒形一样的明显，一旦发生烧伤后，电极之间的间歇距离就会扩大，从而影响动作准确性。相对这两种形状的保护装置，角形综合了二者的优点同时有没有二者的明显缺点，近年来于过电压防护领域中有了比较广泛的应用。

（三）出线过电压

针对出线过电压的电器一次设备保护，一般采用GIS配电器和AIS配电器两种装置。

1.GIS配电器

连接GIS的架空线路长度至少要2000米以上才行，出线连接处必须避雷器，但要注意的是，母线上不能安装避雷器。对于110千伏和220千伏的日常电压，电缆段和架空线路应与金属避雷器连接，另一端接地。对于单芯和三芯电缆，同样要保证GIS金属外壳接地。

2.AIS配电器

AIS配电器对35千伏-220千伏架空线路的进线段进行保护，出线处于变电站内装置避雷器。若无变电站，则可以安装于出线段的终端塔之上。同GIS配电器一样，母线上禁止安装避雷器，除非特殊情况下才可以进行安装。AIS同样要注意接地端与电缆金属外皮的接触。

结语

水电站中电器一次设备的性能平稳与否直接关系到水电厂的正常运行，过电压造成的电网不稳定，轻则烧毁电气设备，重则造成大规模停电，会为水电厂带来巨大的经济损失。针对复杂多样的过电压类型，需要采取合适的措施进行保护。只有为电气一次设备提供平穩的工作电压，才能尽可能少的损耗其寿命，从而保证电气设备的长期运行。

参考文献

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