南湃水電站系統過電壓的原因分析與保護措施

周 愨，方禮全，劉 勇

（北方國際合作股份有限公司，北京100040）

1 電站概述及電氣主接線形式

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾賽松本特區，電站裝有兩臺立軸沖擊式水輪發電機，總容量86 MW，年發電量4.2億kW·h。電站于2017年5月8日2臺機組相繼完成72 h試運行后并入老撾電網進行運行。

南湃水電站115 kV開關站主接線采用單母線帶旁路母線的接線方式，出線通過兩回115 kV接入中部電網的ThongKoun2變電站（圖1）。南湃水電站廠用電共分11 kV、22 kV及400 V 3級電壓供電，廠用電11 kV系統共分兩段母線，I、II段母線經主變Tr1、Tr2降壓至11 kV，22 kV母線接地方外來22 kV電源，作為全廠備用電源，系統電源正常時帶電備用，外來備用廠用變高壓側斷路器52 PS在分閘位置。400 V系統共有兩段母線， I段母線由廠用變ST1降壓變壓器降至400 V供電；Ⅱ段母線由廠用變ST2降壓變壓器降至400 V供電；外來備用電源經22 kV母線和備用變ST3降壓至400 VⅡ段母線供電，柴油發電機GD1作為400 V I段母線的緊急備用電源（圖2）。

圖1

圖2

2 事件經過

事情發生前，2號機組為檢修態；1號機組為發電態，帶負荷43 MW；廠用電運行方式為ST1帶Ι段、Ⅱ段400 V母線運行。

2017年 6月 23日 04：22，上位機報：115 kV故障錄波裝置啟動動作，115 kV故障錄波裝置啟動動作復歸；1號機組勵磁系統異常信號動作，1號機組勵磁系統異常信號復歸；2號充電屏控制故障動作，2號直流屏交流母線故障動作，2號直流屏交流輸入電源異常動作，2號直流屏交流一路過壓動作；低壓氣系統報故障，中壓系統報故障，滲漏排水系統報故障，主變報冷卻器控制電源故障。至6月23日04：26，4 h內全廠廠用電系統反復報電源故障。

當值運行人員發現該現象后，立即通過中控室計算機監控系統查看，發現115 kV系統電壓為134.67 kV，11 kV系統電壓為12.88 kV；機組發電機出口斷路器、主變高壓側斷路器、115 kV出線斷路器均處于合閘位置，1號機組仍處于發電狀態。為安全起見，運行人員立即同NCC（老撾電網調度）聯系停機，并向電站總工匯報現場情況。04：26對1號機組執行了正常停機命令；同時，將廠用電切換至22 kV外來備用變ST3帶I段、II段400 V母線運行的方式。

04：32，1號機組出口斷路器跳開后，上位機操作跳開115 kV L1出線側斷路器、 115 kV L2出線側斷路器、115 kV 1號主變側斷路器、115 kV 2號主變側斷路器；同時，再次聯系NCC（老撾電網調度）和Thongkoun2變電站斷開對側斷路器CB3與CB4。

04：46，1號機組停機完成后，現場設備排查，均無異常情況。

05：38，電網電壓恢復正常，經過例行檢查后，于當日06：18并網發電，并滿負荷運行，400 V廠用電帶電方式也隨即恢復原狀。

3 事件分析

經過現場數據及記錄分析，并與NCC（老撾電網調度）核實：本次事件起因為雷雨天氣，造成老撾中部電網異常波動，致系統電壓突然升高，最高峰值達136.57 kV，廠用電最高峰值達454.4 V，非電站設備故障引起。同時，當值運行人員出于設備安全考慮，避免事故擴大，將機組人為停機，屬于正常操作。

老撾電網分北部電網、中一區電網、中二區電網及南部電網4個部分，目前各地區電網并未全部連通形成大網，加上電網系統保護不夠完善，導致穩定性極差。根據老撾國家電力公司相關資料顯示，目前全國輸電網絡仍未實現全面覆蓋，部分偏遠地區仍無電力供應；北部地區和南部地區仍需要從泰國、越南和中國進口電力。同時相關數據證實，目前國內輸配電線路主要由115 kV和22 kV高壓輸電線路和0.4 kV配電線路組成，而230 kV輸電線路目前只在北部電網部分投運，其余還在建設期間，并未形成全國骨架。此外，近年來老撾全國配電損耗率一直居高不下，多年以來配電網絡損耗率達12.02%以上，反映出老撾電網線路設備老化，電網亟需更新升級。

老撾中部電網高壓輸電線路基本位于丘陵地帶，雨季期間，極易出現線路故障，造成所在區域發電機組甩負荷的事故發生。同時老撾中部電網容量偏小，且水電站為基荷電源。非計劃停機將對整個電網造成波動，從而影響相鄰電站，導致連鎖反應，進一步加劇電網波動。

4 處理措施

經過此次事件分析，并通過與周邊相鄰電站調研得知，老撾電網極易受特殊天氣影響，造成電網異常波動（過壓、過頻、欠頻）。而過電壓對全廠電氣設備危害巨大，其破壞性會直接影響整個電站設備及人員安全。因此，為確保全廠電氣設備安全和正常運行，需要采取相應保護措施，使電站電氣設備在安全條件下運行。

由于此次事件主要是由電網異常引起的，為避免類似事件造成對電站設備危害，從老撾電網特殊性和電站綜合效益角度出發，采取在站內增加過頻、過電壓和欠頻保護。

（1）欠頻保護 47 Hz、0.5 s，動作于跳閘。

（2）過頻保護 51.6 Hz、0.5 s，動作于跳閘。

（3）過電壓保護 1.15 Un（132.5 kV）、1 s，動作于跳閘。

事件發生時，將系統與電網解列即可。所以保護主要增加在聯絡線即115 kV出線保護上。保護動作后，115 kV 兩條出線解列，機組進入甩負荷程序，自動調節。同時，當115 kV電壓過高跳閘后，運行人員通知ThongKoun2變電站斷開對側斷路器CB3、CB4，以免損壞出線避雷器和電壓互感器。

5 經驗總結

（1）據統計，電力系統中由電氣設備絕緣損壞而發生事故的次數約占總事故次數的50 %以上，其中由于過電壓使絕緣損壞的情況所占比重較大。過電壓分外部過電壓和內部過電壓兩大類。

（2）外部過電壓又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電引起的。又分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓2種。直擊雷電過電壓的持續時間極短，約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電氣設備導電部分時所出現的過電壓。雷閃擊中帶電導體，如架空輸電線路導線，稱為直接雷擊。雷閃擊中處于接地狀態的導體時，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電導體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達上百萬伏，會破壞電氣設施絕緣，引起短路接地故障。感應雷過電壓是雷閃擊中電氣設備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電氣設備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過電壓。

本站對外部過電壓防護技術由1整套防雷裝置構成，主要包括避雷器、引下線、接地系統。避雷器作為雷電過電壓保護的重要設備之一，安裝在導線和大地之間，與被保護電氣設備成并聯狀態，是用來預防過電壓的重要措施之一。當由線路傳入電站的不正常電壓沖擊波超過避雷器保護水平時，避雷器首先放電，并將高壓沖擊電流引入大地，利用接地裝置限制電壓幅值，保護電氣設備不受損壞。引下線是針對雷電直接擊中的情況而設置，連接避雷器和接地裝置，將避雷器接到的雷電流泄放到接地裝置后再引入大地。雷電擊帶來的能量主要集中在水電站建筑外墻旁，本站所有室內電氣設備都與引下線的立柱保持3 m以上的距離，避免了雷電沖擊的影響。另外在115 kV線路保護裝置中增加過電壓保護也在一定程度上避免了過電壓對站內設備產生的不良影響。

（3）內部過電壓是電力系統中斷路器運行方式發生改變時或系統故障引起的過電壓。有暫態過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。

暫態過電壓是由于斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩定的情況下所出現的過電壓 ，又稱工頻電壓升高。常見的有：①遠距離線路空載電容效應，②三相不對稱短路接地，③甩負荷過電壓。操作過電壓是由于負載突變而引起的衰減較快持續時間較短的過電壓。諧振過電壓是電力系統中非線性儲能元件在工頻或某頻率下發生共振所造成的過電壓。

本站內部過電壓防護技術采用綜合防過電壓措施：①分區屏蔽不同電磁兼容區，連接所有的鋼結構建筑，如高壓室和控制室等并保證良好接地；②數據通信的電纜采用屏蔽性良好的光纜，以降低過電壓產生的電磁感應的影響；③采用良好屏蔽性的、外殼鍍銅的鋼板進行設備的屏蔽；④發電機保護裝置設置過電壓保護。這些措施的實施在很大程度上減少了過電壓對水電站設備的危害。

6 結語

近年來，老撾經濟發展迅速，電力需求急劇增長。同時老撾國內電網正處于升級更新階段，隨著電力系統的發展，作為維護電氣設備正常運轉的一部分，過電壓保護是當前研究的方向和基礎。過電壓保護措施為電氣設備、出線設備及斷路器等提供了穩定的保護，從而保證電站設備安全穩定運行。