林志海

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)公司電氣化處,西安 710043)

高原氣候?qū)﹄姎庠O(shè)備外絕緣的影響主要有兩方面：一是隨著海拔的增加,空氣密度和絕對濕度均降低,其介電強(qiáng)度也隨著降低,導(dǎo)致以空氣為絕緣介質(zhì)的電氣外絕緣的放電電壓下降。另一方面由于晝夜溫差大,溫度變化快,設(shè)備外絕緣表面容易產(chǎn)生凝露,絕緣強(qiáng)度急劇下降,極易產(chǎn)生運行電壓的絕緣閃絡(luò)。

某新建線路平均海拔高度3 000 m左右,海拔最高3 600 m,考慮到沿線復(fù)雜、惡劣的運行環(huán)境,牽引變電系統(tǒng)外絕緣統(tǒng)一按海拔高度4 000 m進(jìn)行修正設(shè)計。而國內(nèi)外目前尚無海拔高度大于3 000 m電氣化鐵路設(shè)計經(jīng)驗,因此如何優(yōu)化設(shè)計該項目牽引變電系統(tǒng)絕緣空氣間隙距離、高壓電氣設(shè)備、支持絕緣子、懸式絕緣子的外絕緣試驗電壓、泄漏距離以及懸式絕緣子片數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)成為全新的研究課題。

1 絕緣空氣間隙(A值)的確定

1.1 校正因數(shù)K的選用

國家及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定[1,2],外絕緣帶電空氣間隙的海拔校正因數(shù)等同于

K=1+0.1(H-1)

(1)

按海拔高度4 000 m修正后經(jīng)計算空氣絕緣間隙校正因數(shù)K=1.3；

根據(jù)鐵標(biāo)中相關(guān)規(guī)定[3],校正因數(shù)

(2)

按海拔高度4 000 m時空氣絕緣間隙校正因數(shù)K取1.43。

除了上述國家及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定外,國內(nèi)外研究人員也十分重視高原大氣參數(shù)對外絕緣放電特性影響的研究。我院在青藏鐵路格拉段的研究顯示在海拔4 000 m時空氣絕緣間隙校正因數(shù)采用K=1.42[4],而根據(jù)經(jīng)典的巴申曲線修正,在海拔4 000 m時電氣間隙的校正因數(shù)K=1.29。

綜合考慮沿線惡劣的自然氣候條件和工程實際要求,經(jīng)過現(xiàn)場試驗檢驗,設(shè)計中空氣絕緣間隙校正因數(shù)K取1.43。

1.2 空氣絕緣間隙的確定

基于上述分析,本線牽引供電系統(tǒng)各種電壓等級的各種間隙修正值如表1和表2所示。

表1牽引變電室內(nèi)配電裝置的安全凈距修正mm

名稱110kV27 5kV海拔1000m以下規(guī)范規(guī)定值海拔4000m修正計算值海拔4000m修正選用值海拔1000m以下規(guī)范規(guī)定值海拔4000m修正計算值海拔4000m修正選用值A(chǔ)18501215 51250300429450A290012871300300429450B116001965 52000105011791200B29501315 51350400529550C31503515 53550260027292750D26503015 53050210022292250E5000550040004200

表2 牽引變電室外配電裝置的安全凈距修正 mm

2 牽引變電設(shè)備各項耐受電壓的確定

2.1 校正因數(shù)Ka的選用

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高海拔高壓電器設(shè)備外絕緣額定絕緣水平高海拔按公式U=Ka×U0進(jìn)行修正[5],其中試驗電壓海拔校正因數(shù)

(3)

式中，m為修正指數(shù)。對于雷電沖擊和工頻、操作沖擊干試驗電壓,m取為1.0；對于工頻、操作沖擊濕試電壓,m取為0.75。當(dāng)m=1.0時,文獻(xiàn)[6]的海拔校正因數(shù)與《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》(GB 311.1—1997)[7]的要求沒有本質(zhì)上的區(qū)別,僅工頻、操作沖擊濕試電壓略有減小。

鐵標(biāo)相關(guān)規(guī)定,其海拔校正因數(shù)同GB 311.1—1997規(guī)定,為1.43[8,9]。

我院在青藏鐵路格拉段的研究顯示,XP-70、XWP2-70、FXBW-10/70、QBN2-25等幾種絕緣子的工頻濕閃、干閃、污閃、沖擊等特性在海拔4 000 m情況下校正因數(shù)比文獻(xiàn)[7]規(guī)定的稍低[4]。

結(jié)合該線牽引變電設(shè)備型式試驗情況,綜合考慮海拔影響和規(guī)范的具體應(yīng)用情況,牽引變電設(shè)備的各項耐受電壓校正因數(shù)Ka取1.43。

2.2 耐受電壓的確定

該線牽引變電設(shè)備各項耐受電壓按額定耐受電壓乘以海拔校正因數(shù)計算得出,見表3。

表3 牽引變電設(shè)備耐受電壓 kV

3 絕緣泄漏距離的確定

3.1 絕緣子污閃電壓與氣壓的基本關(guān)系

國內(nèi)外對高海拔地區(qū)絕緣子串的污閃特性進(jìn)行了廣泛研究,提出高海拔下的污穢絕緣子交、直流閃絡(luò)電壓或耐受電壓與氣壓成冪函數(shù)關(guān)系,其冪指數(shù)或氣壓影響特征指數(shù)n反映了高海拔下污穢閃絡(luò)電壓或耐受電壓下降的特征。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]要求,絕緣子污閃電壓與氣壓的關(guān)系一般表征為

Udng=U0(p/P0)n

(4)

式中，Udng為當(dāng)氣壓為p時污穢絕緣子串的閃絡(luò)電壓或耐受電壓,kV；U0為標(biāo)準(zhǔn)參考大氣壓P0下污穢絕緣子串閃絡(luò)電壓或耐受電壓,kV；n為氣壓對污閃電壓(耐受電壓)影響的特征指數(shù),反映絕緣子污閃電壓隨氣壓降低的程度,試驗發(fā)現(xiàn)n值與電壓形式、絕緣子外形和污穢程度均有關(guān)。

3.2 氣壓值(p)與特征指數(shù)值(n)的確定

(1)氣壓值p

根據(jù)文獻(xiàn)[11]規(guī)定,海拔4 000 m處年平均氣壓值為61.7 kPa。

(2)特征指數(shù)n

特征指數(shù)n反映了污閃電壓隨海拔升高的降低程度,n值越大,表示氣壓或海拔因素對絕緣子污閃電壓影響越大。我院在青藏鐵路格拉段的研究表明,在等值鹽密度為0.1 mg/cm2的污穢條件下：在海拔4 000～5 500 m,懸式絕緣子n值可取近似值為0.44；復(fù)核絕緣子特征指數(shù)可取近似值為0.60[4]。文獻(xiàn)[10]給出了供參考的各種類型懸式絕緣子特征指數(shù)n,一般n值在0.4～0.8,并提出對于運行在高海拔污穢地區(qū)交流系統(tǒng)內(nèi)的普通盤形瓷絕緣子,可以取n=0.5。清華大學(xué)對幾種典型結(jié)構(gòu)形狀的棒式絕緣子在高海拔低氣壓條件下交流人工污穢試驗表明[12]：同種絕緣子在同樣污穢條件下不同海拔高度的污閃電壓值計算出的n值差別并不顯著。從工程設(shè)計角度出發(fā),為簡化設(shè)計,可取兩種鹽密條件下所得n值的平均值作為該種絕緣子的n值。國外研究表明提出各種類型絕緣子n值在0.29～0.75。

雖然不同的研究者、不同的研究方法、不同的絕緣子、不同的污穢條件,試驗所得到的n值不同,但可以得出如下共同結(jié)論：n值和絕緣子的幾何形狀以及污穢程度有關(guān)系,由簡單形狀模型上所獲得的n值比由復(fù)雜形狀絕緣子上獲得的n值小,不同形狀絕緣子n值的差異和絕緣子傘裙的弧絡(luò)現(xiàn)象有關(guān)。

通過研究該線各種牽引變電用絕緣子的外形特征,結(jié)合沿線污穢情況確定絕緣子的特征指數(shù)n，見表4。

表4 絕緣子的特征指數(shù)n的選用值

3.3 污穢等級及爬電比距

該項目沿線污穢較嚴(yán)重,部分地區(qū)分布有鹽漬土路基和鹽湖路基,鹽霧污穢嚴(yán)重；另外沿線多處有裝卸作業(yè)車站所在區(qū)段工業(yè)和生活污染嚴(yán)重,如何選取合適的污穢等級也是絕緣子絕緣泄露距離計算的主要因素之一[13]。文獻(xiàn)[14]對環(huán)境污區(qū)進(jìn)行了分級并給出了外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合沿線污穢特點,本線爬電比距采用表5所示定值。

3.4 絕緣泄漏距離的計算

根據(jù)表4給出的懸式絕緣子外絕緣電壓降低特征系數(shù)n值,同時按0.95考慮絕緣子的泄漏距離有效利用系數(shù),牽引變電用懸式絕緣子、支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離確定如下。

表5 牽引變電污穢等級及爬電比距選用

(1)懸式絕緣子外絕緣泄漏距離

考慮絕緣子泄露距離和污閃電壓是線性關(guān)系,即

m/mo=Uo/U

(5)

將式(4)代入式(5)可得

m=mo(po/p)n

(6)

根據(jù)式(6),懸式絕緣泄漏距離計算結(jié)果如表6所示。

表6 懸式絕緣子絕緣泄漏距離計算

根據(jù)我院與清華大學(xué)在青藏鐵路110 kV輸變電工程絕緣子選型試驗成果計算的XWP2-70絕緣子在海拔4 000 m、Ⅳ級污穢條件下的結(jié)果(表7)，綜合考慮上述各種計算方法,確定該項目牽引變電110、27.5 kV懸式、耐張絕緣子采用XWP2-70耐污型懸式絕緣子,分別選取11片和5片。

表7 XWP2-70絕緣子片數(shù)驗算

(2)支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離

根據(jù)式(6),支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離計算結(jié)果如表8、表9所示。

表8 室外支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離計算

表9 室內(nèi)支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離計算

根據(jù)表8、表9計算結(jié)果,同時考慮牽引變電設(shè)備及支持絕緣子的制造、試驗情況,選擇室內(nèi)外支持絕緣子、電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離如下。

戶外：U0=110 kV,m≮5 400 mm

U0=27.5 kV，m≮1 400 mm

戶內(nèi)：U0=110 kV，m≮4 100 mm

U0=27.5 kV，m≮1 200 mm

3 結(jié)語

高原高海拔環(huán)境對電氣設(shè)備外絕緣影響較大,通過調(diào)研國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),吸收消化既有研究成果,完成了該項目牽引變電系統(tǒng)外絕緣修正設(shè)計,得到了牽引變電所內(nèi)外配電裝置的空氣絕緣間隙和高壓電氣設(shè)備耐受電壓,計算了懸式絕緣子外絕緣泄漏距離和絕緣子片數(shù)、支持絕緣子和電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離等參數(shù),并成功應(yīng)用到工程實踐中。目前該項目電氣化工程已完成并開通運營,牽引變電設(shè)施的可靠和安全運行驗證了設(shè)計的合理性,同時也為將來類似高海拔項目的牽引變電工程設(shè)計、施工、運營提供了重要的參考。

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