对水电站电气过电压保护技术的应用研究

摘要：水电站中电气过电压现象是时常发生的，没有良好的保护技术很容易导致水电站内输电线路，电气设备的损坏，造成水电站的不正常工作。本文首先分析了产生电气过电压产生的几个重要原因，其中雷电击是主要的方式。其次，总结了过电压的几种耦合方式，为过电压保护技术的采用提供参考，最后阐述了水电站外部和内部过电压保护技术。

关键词：水电站；电气过压保护；技术；应用研究

水电站电气过压保护技术是电压防护工程中最为关键的部分，采用合适的过电压保护技术既能够保证水电站的电压安全又能够实现经济效益的合理化。但是对与水电站来说，如何选择和合理协调防护工程中各技术的工作是水电站面临的问题，因此，首先要清楚产生电气过压产生的原因、不同过电压保护技术的特点，再根据不同情况采用不同的技术配合，以防止过电压对设备造成的损坏。

1 电气过压产生的原因

过电压的产生分为外部和内部过电压，而其中的外部过电压主要是指大气过电压，如雷电击引起的过电压等。内部过电压主要是指开关动作产生的浪涌电压、静电放电和线路故障三类方式产生的过电压。

1.1雷电击产生的过电压

雷电击能够产生高达1亿伏的电压和瞬间的2万～3万度的高温和剧烈的冲击波，具有极强的破坏性。以雷电侵袭的方式可将雷电引起的过电压风味5类。（1）直接雷击。它是指雷电直接击中电气设备上，造成设备及连接着设备的其他电气设备的损坏，但是水电站通过避雷线、避雷针等装置可有效的将雷电流直接导入到大地。（2）电磁感应。电磁感应是雷击过程产生伴随产生的强烈的电磁脉冲，而导致设备的破坏。尤其是存在闭合电路时，更容易产生巨大的感应电流，造成系统崩溃。（3）过电压入侵。其本质仍旧是雷电在线路上产生的过电压，协同雷电下行线路的静电产生的过电压。（4）地电位反击。它是指雷电流入地瞬间，而水电站厂房、坝区等接地装置的电位对等，而产生的电位差。采用合体接地方式能够有效解决该问题。（5）馈线引入的过电压。接闪起接闪时，馈线外皮与支架形成的类似电容与电磁感应耦合产生于馈线上的过电压。

1.2 开关动作产生的浪涌电压

具有大电流的主回路上的开关动作，很容易产生浪涌电压。设备开关在断开或接通瞬间，由于开关触点与交流电电流的回零不同步，存在一个极速的电流变化，而电路中存在的阻抗，因而产生一个高频率与高电压峰，这个电压峰称之为浪涌电压。所以主回路上的开关动作直接影响到线路上的电气设备，如电容等。

1.3 静电放电

静电放电（ESD）现象需要一个长时的摩擦积累过程，一般情况下，静电放电现象不会造成严重的电气设备损坏，但是有时候积累的电荷可达到万伏级别，也可能会冲击到电气元件，导致元件的破坏。

1.4 线路故障

电气化主回路中经常会发生故障，从电源设备、机柜、输电塔线、变压器等，这些设备的错误接线也会造成线路产生过电压。

2过电压引入途径分析

过电压进入水电站电气化系统的途径的分析，有利于我们更为有针对性的采用相对应的保护措施。其主要方式有三种，即：直接耦合、电感耦合和电容耦合。

2.1 直接耦合

图1 过电压直接耦合

过电压经过接地地阻抗进入到水电站的电力线路中，如图1所示，过电压决定于雷击电流和接地电阻大小，而过电压的波形和频率决定于线路中的电感值和电流上升速率。这样的耦合即使远距离的雷击也会在水电站电力线路中产生过电压。

2.2 电感耦合

雷电击会在输电线路中产生一个强大的电磁场，而在处于这个磁场当中的导体会产生电压，汇聚之后形成过电压，再通过电感耦合而影响到其他水电站的设备装置。电感耦合产生电压大小取决于高频电流的变化率，变化率越大其产生的电压越大，尤其在只有一根导线的原边和副边时，即使电感非常微小，也会产生巨大电压。

2.3 电容耦合

电容耦合的发生，虽然相对与直接耦合和电感耦合的概率要低，但是一定条件下也会造成严重影响，如导线在受到过电压时，导线会与相邻的低电位导线产生强电场，处于电场中的电场电子移动，最后造成高电位导线想低电位导线的放电现象，冲击到低电位导线及其所连接的设备装置。

3 水电站过压保护技术

水电站过压保护技术不但是指一些先进的防过电压的技术，更多的是过电压防护技术体系的建立。

3.1 外部防护技术

外部过电压防护技术包括一整套防雷装置，主要包括接闪器、引下线、接地系统。避雷器是接闪器中的一种，它是保护变电站设备免遭雷电冲击波袭击的设备。当沿线路传入变电站的雷电冲击波超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，并将雷电流经过良导体安全的引入大地，利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸和防腐蚀要求与避雷网、避雷带相同。用钢绞线作引下线，其截面积不得小于25mm2。用有色金属导线做引下线时，应采用截面积不小于16mm2的铜导线。其主要是针对的雷电直接击中的情况而设置。雷电击带来的能量主要集中水电站建筑外墙旁，因此对于水电站的中控室、二次屏蔽室等设备都应与引下线的立柱保持3m以上。而对于地电位反击则通过连接导体将厂房地网、坝区、水库和升压站集中接地网连接成一个整体，消除雷电击中时各个接地网不同的瞬间电位差。

3.2 内部过电压防护技术

3.2.1 对电磁感应的防护

断路器动作、雷击放电和开关动作均会产生极陡的电磁波，而加之水电站的电磁耦合方式众多，所以只有采用综合防过电压手段。（1）分区屏蔽不同电磁兼容区，采用连接所有的钢结构建筑，如高压室和控制室等，并保证良好接地。（2）数据通讯的电缆要采用屏蔽性良好的光缆，以降低过电压产生的电磁感应的影响。（3）采用良好屏蔽性的、外壳镀铜的钢板进行设备的屏蔽。