高原高海拔地區牽引變電系統外絕緣修正設計

林志海

(中鐵第一勘察設計院集團公司電氣化處,西安 710043)

高原氣候對電氣設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,其介電強度也隨著降低,導致以空氣為絕緣介質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,設備外絕緣表面容易產生凝露,絕緣強度急劇下降,極易產生運行電壓的絕緣閃絡。

某新建線路平均海拔高度3 000 m左右,海拔最高3 600 m,考慮到沿線復雜、惡劣的運行環境,牽引變電系統外絕緣統一按海拔高度4 000 m進行修正設計。而國內外目前尚無海拔高度大于3 000 m電氣化鐵路設計經驗,因此如何優化設計該項目牽引變電系統絕緣空氣間隙距離、高壓電氣設備、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等關鍵參數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K的選用

國家及電力行業標準相關規定[1,2],外絕緣帶電空氣間隙的海拔校正因數等同于

K=1+0.1(H-1)

(1)

按海拔高度4 000 m修正后經計算空氣絕緣間隙校正因數K=1.3；

根據鐵標中相關規定[3],校正因數

(2)

按海拔高度4 000 m時空氣絕緣間隙校正因數K取1.43。

除了上述國家及相關行業標準中的規定外,國內外研究人員也十分重視高原大氣參數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采用K=1.42[4],而根據經典的巴申曲線修正,在海拔4 000 m時電氣間隙的校正因數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,經過現場試驗檢驗,設計中空氣絕緣間隙校正因數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牽引變電室內配電裝置的安全凈距修正mm

名稱110kV27 5kV海拔1000m以下規范規定值海拔4000m修正計算值海拔4000m修正選用值海拔1000m以下規范規定值海拔4000m修正計算值海拔4000m修正選用值A18501215 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 牽引變電設備各項耐受電壓的確定

2.1 校正因數Ka的選用

國家標準規定高海拔高壓電器設備外絕緣額定絕緣水平高海拔按公式U=Ka×U0進行修正[5],其中試驗電壓海拔校正因數

(3)

式中，m為修正指數。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m=1.0時,文獻[6]的海拔校正因數與《高壓輸變電設備的絕緣配合》(GB 311.1—1997)[7]的要求沒有本質上的區別,僅工頻、操作沖擊濕試電壓略有減小。

鐵標相關規定,其海拔校正因數同GB 311.1—1997規定,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情況下校正因數比文獻[7]規定的稍低[4]。

結合該線牽引變電設備型式試驗情況,綜合考慮海拔影響和規范的具體應用情況,牽引變電設備的各項耐受電壓校正因數Ka取1.43。

2.2 耐受電壓的確定

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

表3 牽引變電設備耐受電壓 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系

國內外對高海拔地區絕緣子串的污閃特性進行了廣泛研究,提出高海拔下的污穢絕緣子交、直流閃絡電壓或耐受電壓與氣壓成冪函數關系,其冪指數或氣壓影響特征指數n反映了高海拔下污穢閃絡電壓或耐受電壓下降的特征。

根據文獻[10]要求,絕緣子污閃電壓與氣壓的關系一般表征為

Udng=U0(p/P0)n

(4)

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

3.2 氣壓值(p)與特征指數值(n)的確定

(1)氣壓值p

根據文獻[11]規定,海拔4 000 m處年平均氣壓值為61.7 kPa。

(2)特征指數n

特征指數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；復核絕緣子特征指數可取近似值為0.60[4]。文獻[10]給出了供參考的各種類型懸式絕緣子特征指數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交流系統內的普通盤形瓷絕緣子,可以取n=0.5。清華大學對幾種典型結構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。從工程設計角度出發,為簡化設計,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論：n值和絕緣子的幾何形狀以及污穢程度有關系,由簡單形狀模型上所獲得的n值比由復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現象有關。

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

表4 絕緣子的特征指數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重,部分地區分布有鹽漬土路基和鹽湖路基,鹽霧污穢嚴重；另外沿線多處有裝卸作業車站所在區段工業和生活污染嚴重,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[14]對環境污區進行了分級并給出了外絕緣選擇標準,結合沿線污穢特點,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

根據表4給出的懸式絕緣子外絕緣電壓降低特征系數n值,同時按0.95考慮絕緣子的泄漏距離有效利用系數,牽引變電用懸式絕緣子、支持絕緣子、電氣設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系,即

m/mo=Uo/U

(5)

將式(4)代入式(5)可得

m=mo(po/p)n

(6)

根據式(6),懸式絕緣泄漏距離計算結果如表6所示。

表6 懸式絕緣子絕緣泄漏距離計算

根據我院與清華大學在青藏鐵路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絕緣子片數驗算

(2)支持絕緣子、電氣設備外絕緣泄漏距離

根據式(6),支持絕緣子、電氣設備外絕緣泄漏距離計算結果如表8、表9所示。

表8 室外支持絕緣子、電氣設備外絕緣泄漏距離計算

表9 室內支持絕緣子、電氣設備外絕緣泄漏距離計算

根據表8、表9計算結果,同時考慮牽引變電設備及支持絕緣子的制造、試驗情況,選擇室內外支持絕緣子、電氣設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：U0=110 kV，m≮4 100 mm

U0=27.5 kV，m≮1 200 mm

3 結語

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

參考文獻：

[1] 中華人民共和國鐵道部.GB 50061—2010 66 kV及以下架空電力線路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2010.

[2] 國家電力公司華東電力設計院.DL/T5092—1999 110～500 kV架空送電線路設計技術規程[S].北京：國家經濟貿易委員會,1999.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[4] 田志軍.青藏鐵路隧道凈空絕緣試驗研究[R].西安：鐵道第一勘察設計院,2006.

[5] 蔣興良.青藏線電力線路試驗研究[R].重慶：重慶大學,2007.

[6] GB/T20635—2006 特殊環境條件 高原用高壓電器的技術要求[S].北京：中國標準出版社,2007.

[7] 中國電力企業聯合會.GB311.1—97 高壓輸變電設備的絕緣配合[S].北京：中國電力出版社,1997.

[8] 鐵道部科學研究院.TB/T 3036—2002,27.5 kV電氣化鐵道接觸網用分段絕緣器[S].北京：鐵道部科學研究院,2002.

[9] TB/T3150—2007 電氣化鐵路高壓交流隔離開關和接地開關[S].北京：中國鐵道出版社,2007.

[10] 中華人民共和國電力工業部.DL/T 562—95 高海拔污穢地區懸式絕緣子串片數選用導則[S].北京：中華人民共和國電力工業部,1995.

[11] 中國電氣工業協會.GB/T 14597—2010 電工產品不同海拔的氣候環境條件[S].北京：國家標準化委員會,2010.

[12] 關志成,等. 絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京：清華大學出版社,2006.

[13] 魏儔元.接觸網棒式絕緣子大面積污閃原因分析及防范對策[J].鐵道標準設計,2008(1)：101-103.

[14] 國家技術監督局.GB/T 16434—1996 高壓架空線路和發電廠、變電所環境污區分級及外絕緣選擇標準[S].北京：中國標準出版社,1996.