低水頭水電站電力設備環境適應性分析

李 麗

（湖南馬跡塘水電廠，益陽 413405）

低水頭水電站電力設備環境適應性分析

李 麗

（湖南馬跡塘水電廠，益陽 413405）

以馬跡塘水電站為對象，開展了低水頭水電站電力設備環境適應性的初步調查，分析了低水頭庫區環境及其對電力設備的影響，調查發現庫區電力設備主要存在金屬導線腐蝕、防護套老化、焊接點腐蝕、電源容量降低等問題。針對普遍出現的鍍鋅層嚴重腐蝕以及淺度基體銹點或銹斑、直流電源等多發故障問題，提出了改進環境適應性的對策。

電力設備；環境適應性；大水面庫區

引言

低水頭發電技術是在水勢較為平緩，落差并不顯著的水域，通過筑壩建庫蓄水而獲得較為集中的水力勢能的發電技術，在我國長江流域及黃河流域及各大水系主要干流中下游地區均被廣泛采用。馬跡塘水電廠由國家大規模投資修建，安裝從奧地利引進的卡普蘭水輪發電機組，總容量55 500 kW，年發電278 000 000 kW/h，屬于大型低水頭發電站，要求使用年限較長。電力設備設施長期處于潮濕惡劣的環境下運行可能面臨環境適應性問題，嚴重時可能導致經濟或社會效益方面的巨大損失。開展通訊設備等基礎設施環境腐蝕狀況的現場調查，對于設備腐蝕的分析和預防、設施的保養維修，以及對于同類環境下的電力設備改善環境適應性、減少腐蝕等具有重要作用，對新建項目也具有借鑒意義。

1 環境特征分析（見表1）

表1 溫濕度監控系統技術指標

低水頭水電站必然依托大水面庫區環境而存在，地處亞熱帶濕潤氣候區域的馬跡塘水電廠位于資水干流下游，壩址控制流域面積26 171 km2，總庫容103 000 000 m3。庫區具有長縱深、慢水流、大水面的特點。庫區周圍長時間的大面積水汽蒸發，相對濕度往往在80 %以上，夏季尤其潮濕，由于水電廠處于資江河谷地帶，地勢較低，相對濕度較大，更顯暑氣蒸人，具有低水頭水電廠典型的庫區環境特點。為了系統掌握環境特征，通過溫濕度監測系統獲得了連續12個月的月均環境溫濕度數據（見表2和圖1）。其中庫區日平均氣溫高于30 ℃的全年有90余天，出現在夏季達80多天，日平均氣溫高于35 ℃的全年超過一個月，基本上集中在8月份。

表2 庫區2014年各月溫濕度統計表

圖1 庫區2014年各月溫濕度曲線圖

圖2 直流電源結構圖

2 影響電力設備性能的主要環境因素分析

氣候環境、生物環境、工況環境、電磁環境是常見的幾類環境類型。水電廠通訊設備長期處于庫區環境值班狀態下，主要受到庫區氣候環境的影響，一般來說，主要考慮溫度、濕度、以及陽光輻射、雷雨的影響。通訊設備使用的材料、元器件是比較多樣的，構造也較為復雜，包含高分子材料殼體、金屬導線、電容、電阻、接插頭、電路板、灌封絕緣膠、直流電源等，結構上主要由交流配電單元、充電模塊、直流饋電、集中監控單元、絕緣監測單元、降壓單元等部分組成，圖2所示為水電站應急備用直流電源。本文結合庫區環境特征，對影響電力設備材料性能、元器件功能等環境因素展開分析。

2.1 溫度

通常情況下，產品如果暴露在較為嚴苛的溫度環境下，未采取防護措施將受其影響，可能引起產品功能或性能的劣化。在高溫的作用下，可能引起高分子殼體材料的老化、熱分解、龜裂，灌封絕緣膠的變硬變脆甚至脫落等現象發生，在低溫條件下，可能引起電源低電壓不工作等現象，而較為急劇的溫度變化，可能引起熱脹冷縮的明顯物理尺寸變化，造成脫焊、變形等現象發生。

2.2 濕度

濕度是造成庫區設備設施金屬材料腐蝕的最普遍的因素。特別是高溫高濕條件，可能造成金屬材料極為嚴重的腐蝕的現象，并進而導致產品功能下降或失效。庫區環境相對濕度一般比較高，在晝夜溫差變化較大時，極易引起凝露，即通俗的“泛潮” 現象，使得空氣中的水汽大量的凝聚于設備的內部及元器件表面，一方面引起電阻的變化，可能導致短路或元器件損壞，設備故障，另一方面，在不同的金屬界面，形成局部的微小的原電池，發生電化學腐蝕，造成涂鍍層腐蝕“結霜”、電導率下降等現象。此類現象在通訊設備故障中大量存在，由此引發的水電廠通訊設備故障率達到了70 %以上。

2.3 陽光輻射

陽光輻射造成的光老化現象在電力設備的高分子材料上比較常見。防護套及絕緣膠帶等多屬于高分子材料，在年限較長的電力設備設施上，持續的光老化和熱老化造成防老劑和防紫外劑的流失，防老劑和防紫外劑含量下降到一定的程度，無法再阻止光老化的發生，就可能導致防護套開裂、絕緣膠帶脫粘。對于戶外使用時間比例不高的通訊設備等，由于受暴曬的時間和程度較為有限，只是在外觀上有較為輕微的變化，橡膠按鍵褪色，不影響功能和使用。

2.4 雷雨

雷雨是氣候環境中出現頻度較少的一類因素。因雷電的瞬時作用巨大，其對電力設備影響不容忽視。相對地，南方地區雨季多發雷擊事件，特別是地勢較高以及突顯的電力設施，較易形成導電環境，雷擊概率更大。

3 環境適應性現狀分析

電力設備在低水頭庫區特殊環境條件下運行時，由于高溫、高濕等環境因素影響，容易發生線路老化短路、元器件損壞等問題，從而造成電路故障、運行不暢，不同環境因素造成的故障比例情況見圖3。通過對近年來的電力設備多發故障的調查，掌握庫區電力設備環境適應性現狀，電力設備故障類型及原因分析見表3。

圖3 造成電力設備故障的環境因素占比情況

4 環境適應性問題改進建議

針對電力設備多發環境適應問題及其故障模式，應當從設備環境適應性設計以及服役環境改善方面系統采取解決措施和方案，以應對低水頭潮濕環境條件造成的危害，明確站房溫濕度要求和控制辦法等，建立適用于水電廠庫區特殊環境下設備設施的防護和控制的管理方案，有效保障電力設備正常運行。現有發電廠、變電站達不到要求的應逐步進行改造。有關環境適應性改進的建議如下：

1）金屬導線等采取防潮設計和措施。對于站房，控制溫濕度在三七線以下（溫度30 ℃，相對濕度RH70 %以下），降低環境高溫高濕的影響，防止凝露，減少電化學腐蝕。而對于戶外環境，特別是接近水面環境的導線，盡量優選金屬導體材料或防腐工藝，如鍍鎳等，或采用耐候性較強的全密封防護套設計。必要時，通過實驗室環境開展強化試驗進行材料和工藝的篩選，并采用耐蝕材料和密封結構的多重防護設計，防止銹蝕。

2）電力設備的運行環境溫濕度控制。一般蓄電池存放室內溫度控制在15 ℃至30 ℃之間時，蓄電池的使用效率可以達到最大化，如果環境溫度及濕度控制不佳，將會影響蓄電池的容量及使用壽命，甚至影響其運行安全。應設置單獨的蓄電池室對其環境進行控制，浮充電運行的蓄電池組，應嚴格控制環境溫度，避免容量大幅度下降和壽命衰減。同時要防止環境濕度過低產生靜電和灰塵積聚而造成的蓄電池短路，安全閥堵塞失效等。

通訊設備工作和存放地點應清潔、通風、干燥。通訊設備的運行濕度應該在50 %～70 %之間，日平均濕度不超過70 %，環境濕度過高，會在通訊設備內部結露，容易出現短路。

3）高分子材料減少或避免光照。對于高分材料采用較多的電力裝置窗玻璃應保證陽光不能直射，照明不宜采用強輻照燈具，并且改良高分子材料的防紫外等防輻射光老化配方設計。

表3 電力設備故障類型及原因分析

5 結語

低水頭水電站庫區潮濕環境形成了比較典型的金屬腐蝕環境條件，而電力設備廣泛采用金屬導電材料，這兩者的矛盾關系會導致環境適應性問題。通過開展環境適應性研究，開發出與特殊地理氣候環境相適應的對策，將有效提高水力發電設備運行的可靠性。

［1］曾新民.低水頭大流量水利樞紐特性與設計優化［J］.中國水利，2010，20：75.

［2］楊志勇 .電力系統直流電源的維護與應用 ［J］.電源技術應用，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

李麗 （1976-），女，工程師，畢業于華北電力大學，長期從事水電廠直流電源系統設備維護技術工作與研究。