南湃水电站系统过电压的原因分析与保护措施

2018-12-04方礼全

水电站机电技术 2018年11期

周悫，方礼全，刘勇

（北方国际合作股份有限公司，北京100040）

1 电站概述及电气主接线形式

南湃（Nam Phay）水电站位于老挝赛松本特区，电站装有两台立轴冲击式水轮发电机，总容量86 MW，年发电量4.2亿kW·h。电站于2017年5月8日2台机组相继完成72 h试运行后并入老挝电网进行运行。

南湃水电站115 kV开关站主接线采用单母线带旁路母线的接线方式，出线通过两回115 kV接入中部电网的ThongKoun2变电站（图1）。南湃水电站厂用电共分11 kV、22 kV及400 V 3级电压供电，厂用电11 kV系统共分两段母线，I、II段母线经主变Tr1、Tr2降压至11 kV，22 kV母线接地方外来22 kV电源，作为全厂备用电源，系统电源正常时带电备用，外来备用厂用变高压侧断路器52 PS在分闸位置。400 V系统共有两段母线， I段母线由厂用变ST1降压变压器降至400 V供电；Ⅱ段母线由厂用变ST2降压变压器降至400 V供电；外来备用电源经22 kV母线和备用变ST3降压至400 VⅡ段母线供电，柴油发电机GD1作为400 V I段母线的紧急备用电源（图2）。

图1

图2

2 事件经过

事情发生前，2号机组为检修态；1号机组为发电态，带负荷43 MW；厂用电运行方式为ST1带Ι段、Ⅱ段400 V母线运行。

2017年 6月 23日 04：22，上位机报：115 kV故障录波装置启动动作，115 kV故障录波装置启动动作复归；1号机组励磁系统异常信号动作，1号机组励磁系统异常信号复归；2号充电屏控制故障动作，2号直流屏交流母线故障动作，2号直流屏交流输入电源异常动作，2号直流屏交流一路过压动作；低压气系统报故障，中压系统报故障，渗漏排水系统报故障，主变报冷却器控制电源故障。至6月23日04：26，4 h内全厂厂用电系统反复报电源故障。

当值运行人员发现该现象后，立即通过中控室计算机监控系统查看，发现115 kV系统电压为134.67 kV，11 kV系统电压为12.88 kV；机组发电机出口断路器、主变高压侧断路器、115 kV出线断路器均处于合闸位置，1号机组仍处于发电状态。为安全起见，运行人员立即同NCC（老挝电网调度）联系停机，并向电站总工汇报现场情况。04：26对1号机组执行了正常停机命令；同时，将厂用电切换至22 kV外来备用变ST3带I段、II段400 V母线运行的方式。

04：32，1号机组出口断路器跳开后，上位机操作跳开115 kV L1出线侧断路器、 115 kV L2出线侧断路器、115 kV 1号主变侧断路器、115 kV 2号主变侧断路器；同时，再次联系NCC（老挝电网调度）和Thongkoun2变电站断开对侧断路器CB3与CB4。

04：46，1号机组停机完成后，现场设备排查，均无异常情况。

05：38，电网电压恢复正常，经过例行检查后，于当日06：18并网发电，并满负荷运行，400 V厂用电带电方式也随即恢复原状。

3 事件分析

经过现场数据及记录分析，并与NCC（老挝电网调度）核实：本次事件起因为雷雨天气，造成老挝中部电网异常波动，致系统电压突然升高，最高峰值达136.57 kV，厂用电最高峰值达454.4 V，非电站设备故障引起。同时，当值运行人员出于设备安全考虑，避免事故扩大，将机组人为停机，属于正常操作。

老挝电网分北部电网、中一区电网、中二区电网及南部电网4个部分，目前各地区电网并未全部连通形成大网，加上电网系统保护不够完善，导致稳定性极差。根据老挝国家电力公司相关资料显示，目前全国输电网络仍未实现全面覆盖，部分偏远地区仍无电力供应；北部地区和南部地区仍需要从泰国、越南和中国进口电力。同时相关数据证实，目前国内输配电线路主要由115 kV和22 kV高压输电线路和0.4 kV配电线路组成，而230 kV输电线路目前只在北部电网部分投运，其余还在建设期间，并未形成全国骨架。此外，近年来老挝全国配电损耗率一直居高不下，多年以来配电网络损耗率达12.02%以上，反映出老挝电网线路设备老化，电网亟需更新升级。

老挝中部电网高压输电线路基本位于丘陵地带，雨季期间，极易出现线路故障，造成所在区域发电机组甩负荷的事故发生。同时老挝中部电网容量偏小，且水电站为基荷电源。非计划停机将对整个电网造成波动，从而影响相邻电站，导致连锁反应，进一步加剧电网波动。

4 处理措施

经过此次事件分析，并通过与周边相邻电站调研得知，老挝电网极易受特殊天气影响，造成电网异常波动（过压、过频、欠频）。而过电压对全厂电气设备危害巨大，其破坏性会直接影响整个电站设备及人员安全。因此，为确保全厂电气设备安全和正常运行，需要采取相应保护措施，使电站电气设备在安全条件下运行。

由于此次事件主要是由电网异常引起的，为避免类似事件造成对电站设备危害，从老挝电网特殊性和电站综合效益角度出发，采取在站内增加过频、过电压和欠频保护。

（1）欠频保护 47 Hz、0.5 s，动作于跳闸。

（2）过频保护 51.6 Hz、0.5 s，动作于跳闸。

（3）过电压保护 1.15 Un（132.5 kV）、1 s，动作于跳闸。

事件发生时，将系统与电网解列即可。所以保护主要增加在联络线即115 kV出线保护上。保护动作后，115 kV 两条出线解列，机组进入甩负荷程序，自动调节。同时，当115 kV电压过高跳闸后，运行人员通知ThongKoun2变电站断开对侧断路器CB3、CB4，以免损坏出线避雷器和电压互感器。

5 经验总结

（1）据统计，电力系统中由电气设备绝缘损坏而发生事故的次数约占总事故次数的50 %以上，其中由于过电压使绝缘损坏的情况所占比重较大。过电压分外部过电压和内部过电压两大类。

（2）外部过电压又称雷电过电压、大气过电压。由大气中的雷云对地面放电引起的。又分为直击雷过电压和感应雷过电压2种。直击雷电过电压的持续时间极短，约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电气设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中处于接地状态的导体时，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电气设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电气设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电气设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。

本站对外部过电压防护技术由1整套防雷装置构成，主要包括避雷器、引下线、接地系统。避雷器作为雷电过电压保护的重要设备之一，安装在导线和大地之间，与被保护电气设备成并联状态，是用来预防过电压的重要措施之一。当由线路传入电站的不正常电压冲击波超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，并将高压冲击电流引入大地，利用接地装置限制电压幅值，保护电气设备不受损坏。引下线是针对雷电直接击中的情况而设置，连接避雷器和接地装置，将避雷器接到的雷电流泄放到接地装置后再引入大地。雷电击带来的能量主要集中在水电站建筑外墙旁，本站所有室内电气设备都与引下线的立柱保持3 m以上的距离，避免了雷电冲击的影响。另外在115 kV线路保护装置中增加过电压保护也在一定程度上避免了过电压对站内设备产生的不良影响。

（3）内部过电压是电力系统中断路器运行方式发生改变时或系统故障引起的过电压。有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。

暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有：①远距离线路空载电容效应，②三相不对称短路接地，③甩负荷过电压。操作过电压是由于负载突变而引起的衰减较快持续时间较短的过电压。谐振过电压是电力系统中非线性储能元件在工频或某频率下发生共振所造成的过电压。

本站内部过电压防护技术采用综合防过电压措施：①分区屏蔽不同电磁兼容区，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数据通信的电缆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；④发电机保护装置设置过电压保护。这些措施的实施在很大程度上减少了过电压对水电站设备的危害。