低水头水电站电力设备环境适应性分析

李 丽

（湖南马迹塘水电厂，益阳 413405）

低水头水电站电力设备环境适应性分析

李 丽

（湖南马迹塘水电厂，益阳 413405）

以马迹塘水电站为对象，开展了低水头水电站电力设备环境适应性的初步调查，分析了低水头库区环境及其对电力设备的影响，调查发现库区电力设备主要存在金属导线腐蚀、防护套老化、焊接点腐蚀、电源容量降低等问题。针对普遍出现的镀锌层严重腐蚀以及浅度基体锈点或锈斑、直流电源等多发故障问题，提出了改进环境适应性的对策。

电力设备；环境适应性；大水面库区

引言

低水头发电技术是在水势较为平缓，落差并不显著的水域，通过筑坝建库蓄水而获得较为集中的水力势能的发电技术，在我国长江流域及黄河流域及各大水系主要干流中下游地区均被广泛采用。马迹塘水电厂由国家大规模投资修建，安装从奥地利引进的卡普兰水轮发电机组，总容量55 500 kW，年发电278 000 000 kW/h，属于大型低水头发电站，要求使用年限较长。电力设备设施长期处于潮湿恶劣的环境下运行可能面临环境适应性问题，严重时可能导致经济或社会效益方面的巨大损失。开展通讯设备等基础设施环境腐蚀状况的现场调查，对于设备腐蚀的分析和预防、设施的保养维修，以及对于同类环境下的电力设备改善环境适应性、减少腐蚀等具有重要作用，对新建项目也具有借鉴意义。

1 环境特征分析（见表1）

表1 温湿度监控系统技术指标

低水头水电站必然依托大水面库区环境而存在，地处亚热带湿润气候区域的马迹塘水电厂位于资水干流下游，坝址控制流域面积26 171 km2，总库容103 000 000 m3。库区具有长纵深、慢水流、大水面的特点。库区周围长时间的大面积水汽蒸发，相对湿度往往在80 %以上，夏季尤其潮湿，由于水电厂处于资江河谷地带，地势较低，相对湿度较大，更显暑气蒸人，具有低水头水电厂典型的库区环境特点。为了系统掌握环境特征，通过温湿度监测系统获得了连续12个月的月均环境温湿度数据（见表2和图1）。其中库区日平均气温高于30 ℃的全年有90余天，出现在夏季达80多天，日平均气温高于35 ℃的全年超过一个月，基本上集中在8月份。

表2 库区2014年各月温湿度统计表

图1 库区2014年各月温湿度曲线图

图2 直流电源结构图

2 影响电力设备性能的主要环境因素分析

气候环境、生物环境、工况环境、电磁环境是常见的几类环境类型。水电厂通讯设备长期处于库区环境值班状态下，主要受到库区气候环境的影响，一般来说，主要考虑温度、湿度、以及阳光辐射、雷雨的影响。通讯设备使用的材料、元器件是比较多样的，构造也较为复杂，包含高分子材料壳体、金属导线、电容、电阻、接插头、电路板、灌封绝缘胶、直流电源等，结构上主要由交流配电单元、充电模块、直流馈电、集中监控单元、绝缘监测单元、降压单元等部分组成，图2所示为水电站应急备用直流电源。本文结合库区环境特征，对影响电力设备材料性能、元器件功能等环境因素展开分析。

2.1 温度

通常情况下，产品如果暴露在较为严苛的温度环境下，未采取防护措施将受其影响，可能引起产品功能或性能的劣化。在高温的作用下，可能引起高分子壳体材料的老化、热分解、龟裂，灌封绝缘胶的变硬变脆甚至脱落等现象发生，在低温条件下，可能引起电源低电压不工作等现象，而较为急剧的温度变化，可能引起热胀冷缩的明显物理尺寸变化，造成脱焊、变形等现象发生。

2.2 湿度

湿度是造成库区设备设施金属材料腐蚀的最普遍的因素。特别是高温高湿条件，可能造成金属材料极为严重的腐蚀的现象，并进而导致产品功能下降或失效。库区环境相对湿度一般比较高，在昼夜温差变化较大时，极易引起凝露，即通俗的“泛潮” 现象，使得空气中的水汽大量的凝聚于设备的内部及元器件表面，一方面引起电阻的变化，可能导致短路或元器件损坏，设备故障，另一方面，在不同的金属界面，形成局部的微小的原电池，发生电化学腐蚀，造成涂镀层腐蚀“结霜”、电导率下降等现象。此类现象在通讯设备故障中大量存在，由此引发的水电厂通讯设备故障率达到了70 %以上。

2.3 阳光辐射

阳光辐射造成的光老化现象在电力设备的高分子材料上比较常见。防护套及绝缘胶带等多属于高分子材料，在年限较长的电力设备设施上，持续的光老化和热老化造成防老剂和防紫外剂的流失，防老剂和防紫外剂含量下降到一定的程度，无法再阻止光老化的发生，就可能导致防护套开裂、绝缘胶带脱粘。对于户外使用时间比例不高的通讯设备等，由于受暴晒的时间和程度较为有限，只是在外观上有较为轻微的变化，橡胶按键褪色，不影响功能和使用。

2.4 雷雨

雷雨是气候环境中出现频度较少的一类因素。因雷电的瞬时作用巨大，其对电力设备影响不容忽视。相对地，南方地区雨季多发雷击事件，特别是地势较高以及突显的电力设施，较易形成导电环境，雷击概率更大。

3 环境适应性现状分析

电力设备在低水头库区特殊环境条件下运行时，由于高温、高湿等环境因素影响，容易发生线路老化短路、元器件损坏等问题，从而造成电路故障、运行不畅，不同环境因素造成的故障比例情况见图3。通过对近年来的电力设备多发故障的调查，掌握库区电力设备环境适应性现状，电力设备故障类型及原因分析见表3。

图3 造成电力设备故障的环境因素占比情况

4 环境适应性问题改进建议

针对电力设备多发环境适应问题及其故障模式，应当从设备环境适应性设计以及服役环境改善方面系统采取解决措施和方案，以应对低水头潮湿环境条件造成的危害，明确站房温湿度要求和控制办法等，建立适用于水电厂库区特殊环境下设备设施的防护和控制的管理方案，有效保障电力设备正常运行。现有发电厂、变电站达不到要求的应逐步进行改造。有关环境适应性改进的建议如下：

1）金属导线等采取防潮设计和措施。对于站房，控制温湿度在三七线以下（温度30 ℃，相对湿度RH70 %以下），降低环境高温高湿的影响，防止凝露，减少电化学腐蚀。而对于户外环境，特别是接近水面环境的导线，尽量优选金属导体材料或防腐工艺，如镀镍等，或采用耐候性较强的全密封防护套设计。必要时，通过实验室环境开展强化试验进行材料和工艺的筛选，并采用耐蚀材料和密封结构的多重防护设计，防止锈蚀。

2）电力设备的运行环境温湿度控制。一般蓄电池存放室内温度控制在15 ℃至30 ℃之间时，蓄电池的使用效率可以达到最大化，如果环境温度及湿度控制不佳，将会影响蓄电池的容量及使用寿命，甚至影响其运行安全。应设置单独的蓄电池室对其环境进行控制，浮充电运行的蓄电池组，应严格控制环境温度，避免容量大幅度下降和寿命衰减。同时要防止环境湿度过低产生静电和灰尘积聚而造成的蓄电池短路，安全阀堵塞失效等。

通讯设备工作和存放地点应清洁、通风、干燥。通讯设备的运行湿度应该在50 %～70 %之间，日平均湿度不超过70 %，环境湿度过高，会在通讯设备内部结露，容易出现短路。

3）高分子材料减少或避免光照。对于高分材料采用较多的电力装置窗玻璃应保证阳光不能直射，照明不宜采用强辐照灯具，并且改良高分子材料的防紫外等防辐射光老化配方设计。

表3 电力设备故障类型及原因分析

5 结语

低水头水电站库区潮湿环境形成了比较典型的金属腐蚀环境条件，而电力设备广泛采用金属导电材料，这两者的矛盾关系会导致环境适应性问题。通过开展环境适应性研究，开发出与特殊地理气候环境相适应的对策，将有效提高水力发电设备运行的可靠性。

［1］曾新民.低水头大流量水利枢纽特性与设计优化［J］.中国水利，2010，20：75.

［2］杨志勇 .电力系统直流电源的维护与应用 ［J］.电源技术应用，2013，06：23.

Analysis on Environmental Adaptability of Electrical Equipments in Low Water Head Hydropower Station

LI Li
（Hunan Majitang Hydropower Plant，Yiyang 413405）

Taking Majitang hydropower station as an example，this paper carried out the investigation about the environmental adaptability of electrical equipments in low water head hydropower station.And it analyzed the environment around it and the influence on the electrical equipments.Through the investigation，it found that there are some problems existing in the electrical equipments，including plain conductor corrosion，protecting cover aging，soldering point corrosion，and power capacity reduction，etc.Aiming at the zinc coating and shallow layer corrosion，and high rate of direct-current main failure，the corresponding countermeasure is proposed to the environmental adaptability.

power equipment；environmental adaptability；large water surface area

TV74

A

1004-7204（2015）06-0035-04

李丽 （1976-），女，工程师，毕业于华北电力大学，长期从事水电厂直流电源系统设备维护技术工作与研究。