姜 贊,蘇安社,王俊峰,吳榮平

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司,北京100176)

我國高海拔地區(qū)約占全國總面積的2/3,青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、云貴高原的平均海拔均大于1 000 m。氣壓、濕度等大氣狀態(tài)參量隨海拔高度增加而變化很大,不同地理位置的同海拔地區(qū),各參量也有較大差異。目前我國高海拔地區(qū)運(yùn)行的機(jī)車主要是內(nèi)燃機(jī)車,電力機(jī)車的應(yīng)用極少。電力機(jī)車通用技術(shù)條件規(guī)定的使用范圍不高于海拔1 400 m[1],所以在制造電力機(jī)車及其配件時(shí)對(duì)海拔高度所造成的影響考慮較少。隨著西部鐵路建設(shè)的發(fā)展,電力機(jī)車也將在高海拔地區(qū)運(yùn)行,因此分析高海拔對(duì)車頂高壓電器性能的影響,探討電力機(jī)車在該地區(qū)運(yùn)行時(shí)車頂高壓電器的選用和試驗(yàn)的修正就很有必要。

電力機(jī)車車頂高壓電器暴露在空氣中,其外絕緣放電電壓受大氣環(huán)境和海拔高度影響較大,大氣條件不同,外絕緣破壞性放電電壓也會(huì)隨之變化。因此,當(dāng)電力機(jī)車需要在高海拔運(yùn)行,其車頂高壓電器在低海拔試驗(yàn)室進(jìn)行外絕緣試驗(yàn)時(shí),就應(yīng)當(dāng)對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行適當(dāng)修正。

1 海拔對(duì)電力機(jī)車車頂高壓電氣外絕緣的影響

大氣參數(shù)對(duì)電氣外絕緣放電產(chǎn)生的影響主要包括空氣密度、濕度、溫度3個(gè)方面。空氣密度隨著海拔的升高而降低;絕對(duì)濕度與海拔大致呈指數(shù)規(guī)律下降;在一定范圍內(nèi)溫度隨著海拔的升高而降低。大量的研究結(jié)果分析表明氣溫對(duì)放電電壓影響較小。目前IEC推薦用空氣密度和絕對(duì)濕度兩個(gè)參數(shù)來表征大氣對(duì)電氣外絕緣放電電壓的影響。

氣象學(xué)統(tǒng)計(jì)表明,海拔越高,氣壓就越低,具體關(guān)系如表1。

空氣密度降低時(shí),空氣中電子的平均自由行程增加,電離過程增強(qiáng),空氣介電強(qiáng)度減弱。隨著電力機(jī)車運(yùn)行海拔不斷升高,空氣密度隨之降低,空氣介電強(qiáng)度也會(huì)下降,必將導(dǎo)致車頂高壓電器的外部絕緣強(qiáng)度降低。

表1 海拔與大氣壓的關(guān)系[2]

除空氣密度之外,濕度對(duì)外絕緣放電電壓也有影響,其原因是水分子容易結(jié)合電子而形成負(fù)粒子,導(dǎo)致電子的自由行程大減,在電場(chǎng)中引起電離的能力也大減。隨著濕度的增加,電子與水分子結(jié)合而形成負(fù)粒子的可能性增大,間隙中的電離過程削弱,從而放電電壓增大。電場(chǎng)強(qiáng)度越高,電子運(yùn)動(dòng)速度越大,越不易形成負(fù)粒子,而電力機(jī)車運(yùn)行過程中,車頂高壓電器產(chǎn)生的電場(chǎng)較高,所以濕度的影響較小。因此海拔的升高,致使空氣的絕對(duì)濕度降低,不利于提高電氣設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度。

2 電力機(jī)車車頂高壓電氣外絕緣試驗(yàn)電壓的修正方法

關(guān)于外絕緣試驗(yàn)電壓的海拔校正因數(shù),有多種計(jì)算方法:

通過氣象資料查找電力機(jī)車將經(jīng)過的高海拔地區(qū)的空氣密度和空氣濕度參數(shù)。按照IEC 60060-1規(guī)定[3],實(shí)際加于試件外絕緣的電壓值U由規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下的試驗(yàn)電壓U0乘以Kt求得。

式中K1為空氣密度校正因數(shù);K2為濕度校正因數(shù)[3]。

式中b和t為試驗(yàn)條件下的大氣壓力和環(huán)境溫度;b0和t0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度;K取決于試驗(yàn)電壓類型,為絕對(duì)濕度h與相對(duì)空氣密度δ的比率h/δ的函數(shù);指數(shù)m和W為空氣密度校正指數(shù)和濕度校正指數(shù)。K、m、W均能在標(biāo)準(zhǔn)中查找,但m和W 應(yīng)用于海拔2 000 m以上的數(shù)據(jù)正在研究中,所以IEC 60060-1提出的修正方法目前還不適用于電力機(jī)車車頂高壓電器在高海拔的應(yīng)用。

按照GB 311.1規(guī)定,以海拔高度1 000 m作為基準(zhǔn)點(diǎn),對(duì)用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設(shè)備的外絕緣,海拔每升高100 m,絕緣強(qiáng)度約降低1%,而對(duì)于海拔高于4 000 m的校正方法,目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確規(guī)定。在海拔不大于1 000 m的地點(diǎn)試驗(yàn)時(shí),其試驗(yàn)電壓按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)為額定耐受電壓與海拔校正因數(shù)KaGB之積[4]。

式中H為設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度,(m)。

根據(jù)IEC60694規(guī)定,以海拔高度1 000 m作為基準(zhǔn)點(diǎn),對(duì)用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設(shè)備的外絕緣,其海拔校正因數(shù)為[5]

式中H為海拔高度,m;M為與電壓類型和間隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的海拔校正因數(shù)的校正因子。對(duì)雷電沖擊耐受電壓和工頻耐受電壓,M=1;對(duì)于縱絕緣操作沖擊電壓,M=0.9;對(duì)于相對(duì)地操作沖擊電壓,M=0.75。電力機(jī)車車頂高壓電氣外絕緣試驗(yàn)電壓類型僅包括工頻耐受沖擊電壓試驗(yàn)和雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn),故 M值應(yīng)取1。

3 人工氣候室模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)與校正結(jié)果的分析比較

為了得到數(shù)據(jù)與IEC 60694和GB 311.1的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,采用空氣間隙在模擬海拔條件下進(jìn)行工頻放電試驗(yàn)和雷電沖擊放電試驗(yàn)。空氣間隙采用棒—板間隙,棒為P型棒,棒的放電端頭為平頭。

參照文獻(xiàn)[6]模擬多種海拔條件對(duì)P型棒—板間隙進(jìn)行了工頻擊穿、雷電沖擊擊穿試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果[6]。并在海拔高度為1 067 m的山西大同地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充,其結(jié)果如表2和表3。

表2 雷電沖擊試驗(yàn)50%放電電壓[6]

表3 工頻試驗(yàn)50%放電電壓[6]

圖1是根據(jù)表2和表3繪制的不同電氣間隙下的雷電沖擊或工頻耐壓50%放電電壓同海拔的關(guān)系。

圖1 50%放電電壓同海拔的關(guān)系

圖1中A對(duì)應(yīng)電氣間隙為300 mm,B對(duì)應(yīng)電氣間隙為200 mm,C對(duì)應(yīng)電氣間隙為190 mm,D對(duì)應(yīng)電氣間隙為100 mm。

根據(jù)數(shù)值分析中線性插值理論,對(duì)圖1中的4條曲線做3次樣條,可以得出每條曲線在海拔高度為1 000 m時(shí)對(duì)應(yīng)的4個(gè)試驗(yàn)電壓值,分別為:192.21,138.21,66.35,43.19 k V。

本文定義的試驗(yàn)修正系數(shù),即海拔高度為N的某點(diǎn)試驗(yàn)修正系數(shù)值等于海拔1 000 m得到的試驗(yàn)值除以N的試驗(yàn)值。不同的試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)修正系數(shù)不同,圖2是表2和表3各試驗(yàn)的修正系數(shù)曲線與K aGB曲線和K aIEC曲線的比較。

圖2 試驗(yàn)修正系數(shù)曲線與K aGB曲線和K aIEC曲線的比較

圖2中,A是根據(jù)電氣間隙為190 mm時(shí)的工頻試驗(yàn)得出的修正系數(shù)曲線;B是根據(jù)電氣間隙為100 mm時(shí)的工頻試驗(yàn)得出的修正系數(shù)曲線;C是根據(jù)電氣間隙為300 mm時(shí)的雷電沖擊試驗(yàn)得出的修正系數(shù)曲線;D是根據(jù)電氣間隙為200 mm時(shí)的雷電沖擊試驗(yàn)得出的修正系數(shù)曲線;E為KaGB曲線;F為KaIEC曲線。

從圖2曲線可以看出:

(1)KaIEC值在海拔1 000 m到4 000 m范圍內(nèi)均大于KaGB值。

(2)在海拔1 000 m到2 000 m范圍內(nèi),KaGB,KaIEC與各試驗(yàn)曲線比較接近,當(dāng)海拔大于2 500 m時(shí),KaGB,KaIEC與各試驗(yàn)曲線差距比較大,KaGB,KaIEC要遠(yuǎn)高于各試驗(yàn)曲線。

按照TB/T 1333.1規(guī)定,電力機(jī)車車頂高壓電氣外絕緣工頻耐受電壓試驗(yàn)的電壓值為75 kV,根據(jù)KaGB和KaIEC得出的修正值分別為UACGB和UACIEC;雷電沖擊試驗(yàn)?zāi)褪茈妷褐禐?70 k V,按照KaGB和KaIEC得出的修正值分別為UIMPGB和UIMPIEC[7]。結(jié)果如表4。

表4 不同海拔高度修正結(jié)果

當(dāng)電力機(jī)車需要在高海拔運(yùn)行,而在海拔低于1 000 m的試驗(yàn)室進(jìn)行車頂高壓電氣外絕緣試驗(yàn)時(shí),以GB 311.1和IEC 60694規(guī)定的修正系數(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)圖2所示的試驗(yàn)修正系數(shù)曲線與KaGB曲線和KaIEC曲線的關(guān)系,推薦按照表5進(jìn)行試驗(yàn)電壓的海拔修正。

表5 推薦實(shí)驗(yàn)室修正值

4 結(jié)論

(1)在低海拔試驗(yàn)室模擬高海拔外絕緣放電試驗(yàn)時(shí):IEC 60694規(guī)定的試驗(yàn)電壓高于GB 311.1的規(guī)定;在海拔高于2 500 m時(shí),無論是IEC 60694還是GB 311.1規(guī)定的修正試驗(yàn)電壓都遠(yuǎn)比由試驗(yàn)得到的修正電壓高得多。

(2)當(dāng)電力機(jī)車需要在高海拔運(yùn)行,而在海拔低于1 000 m的試驗(yàn)室進(jìn)行車頂高壓電氣外絕緣試驗(yàn)時(shí),推薦按表5進(jìn)行試驗(yàn)電壓的海拔修正。

[1]GB/T 3317-2006.電力機(jī)車通用技術(shù)條件[S].

[2]GB 1920-80.標(biāo)準(zhǔn)大氣(30公里以下部分)[S].

[3]IEC 60060-1.1989 High-voltage test techniques Part 1:General test requirements[S].

[4]GB 311.1-1997.高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[5]IEC 60694-1996.Common specifications for high voltage switchgear and controlgear standards.

[6]田志軍.青藏鐵路電氣化工程電氣外絕緣實(shí)驗(yàn)研究[M].成都:西南交通大學(xué),2004.

[7]TB/T 1333.1-2002.機(jī)車車輛電氣設(shè)備第1部分:一般使用條件和通用規(guī)則[S].