高海拔地區接觸網空氣絕緣間隙海拔修正方法研究

唐 偉，李良威

（1、2 中鐵二院工程集團有限責任公司電氣化設計研究院，高級工程師， 四川 成都 610031）

我國最大的四個高原即青藏高原、內蒙古高原、黃土高原、云貴高原分布在西南、西北部，隨著地區社會經濟發展需要，部分地區已經開始建設電氣化鐵路網。該地區修建鐵路平均海拔較高，隨著海拔增高，氣壓和溫度都將下降，相對空氣密度減小，空氣間隙和絕緣子的外絕緣放電電壓隨之下降。而對于電氣化鐵路接觸網，如果外絕緣設計不當，過小必將發生閃絡或者擊穿事故，過大則會使隧道斷面增加，造成投資浪費。因此，隧道內接觸網電氣絕緣間隙的選擇，既是確保電氣供電可靠運行至關重要的因素，也是影響隧道凈空高度及工程投資的重要參數。

目前，在進行接觸網電氣絕緣間隙高海拔外絕緣校正方面，雖然國內外相關研究和標準眾多，但迄今仍沒有科學、統一的海拔分級標準，導致高海拔地區電氣設備參數雜亂、同類型設備序列眾多、規格型號不統一，通用互換性較差，本文將系統分析國內外相關標準對高海拔外絕緣校正計算方法和范圍，提出合理的分類設計思路，對接觸網空氣間隙修正系數提出可行、有效建議，旨在方便工程設計，有利于縮短工程建設周期，降低工程建設和運營成本，有利于增強設備的統一性和通用性，提高工程建設水平。

1 海拔分級設計

高原地區鐵路的拓展延伸及覆蓋范圍與人口密度息息相關，而海拔高度對人口分布有著很大的影響，海拔2 000 m～3 000 m地區自然條件相對較好，人口密度較高，經濟較發達，是電氣化覆蓋較密集的地區；在海拔3 000 m～4 000 m 地區，牧草生長茂盛，可以發展畜牧業，雖然具備人類生存條件，但人口稀少；在現代雪線（海拔4 400 m）以上地區，終年積雪，既不能發展農業，又不能發展畜牧業，很少有人居住，更無大型工業。根據高海拔地區地理位置、氣象條件實際情況，結合高海拔地區設計、運行和維護經驗，綜合考慮國內生產廠家電氣設備產品序列，為增強設備的統一性和通用性，本次高海拔的分類按以下原則進行海拔分級。

對于海拔高度大于1 000 m但又不超過2 000 m地區，電氣設備外絕緣參數統一按照海拔2 000 m選取；在海拔2000 m以上地區，電氣設備外絕緣參數，按照500 m 一檔進行海拔分級。

2 海拔校正修正方法

國內外大量的實驗總結證明，在高壓與絕緣領域，氣隙放電遵循帕邢定律，或稱之為巴申定律，空氣間隙放電電壓和放電間隙距離與大氣壓力的乘積存在著巴申曲線定律關系。隨著海拔增加，大氣壓力下降，空氣密度將減小，外絕緣的放電電壓也會隨之下降，相同放電電壓對應的放電間隙則會變大。

2.1 校正方法 國內外相關標準中給出的外絕緣海拔修正方法，主要有以下幾種：

1）GB 311.1-2012《絕緣配合 第1 部分定義、原則和規則》和GBT 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》、GB/T 11022-2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》。

該修正法規定：對擬用于海拔高于1 000 m，但不超過4 000 m 處的設備的外絕緣強度進行海拔修正，其設備外絕緣電氣強度隨海拔高度呈指數下降，海拔校正系數Ka：

式中：H—安裝地點的海拔高度；q—指數，取值（對雷電沖擊耐受電壓，q=1；對空間間隙短時工頻耐受電壓，q=1；對操作沖擊耐受電壓，q 按曲線選擇）。

2）DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》。

該修正法規定：氣象條件修正方法外絕緣所在地區氣象條件異與標準氣象條件時，放電電壓可按下式修正：

式中：H—安裝地點的海拔高度；δ—相對空氣密度；n—指數，由絕緣長度確定。

3）GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗技術：一般試驗技術要求》。

該修正法規定：氣象條件按照校正到標準參考氣象條件下空氣密度修正和濕度修正，電壓值修正系數由下式確定：

式中：δ—相對空氣密度；m、w—分別為空氣密度、濕度修正指數；k—取決于試驗電壓類型并為絕對濕度與相對空氣密度比率的函數。

4）GB 20635-2006《特殊環境條件高原用高壓電器的技術要求》。

綜合GB 311.1-2012《絕緣配合第1部分定義、原則和規則》和GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗技術：一般試驗技術要求》的要求。

5）IEC標準

1）GB/T 11022-2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》引用IEC62271-1-2007；

2）GB 311.1-2012《絕緣配合 第1 部分定義、原則和規則》引用IEC60071-1-2006；IEC60071-1-2006與IEC60694-2002相同；

3）GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗技術：一般試驗技術要求》引用IEC60060-1-2010；

2.2 實驗中推薦的海拔校正方法

1）青海電力科學試驗研究院

參照IEC60071-2-1996 中海拔校正因數的指數公式，對線路間隙的工頻放電電壓、操作50%放電電壓和雷電50%放電電壓在0.5m～1.5m 的間隙距離內按下式（指數經驗公式）進行最小二乘法擬合，海拔校正系數Ka：

式中：H—安裝地點的海拔高度；q—指數，取值（對工頻、雷電沖擊耐受電壓，q=1；對操作沖擊耐受電壓，q=0.9）。

2）重慶大學實驗高壓實驗研究

在多功能人工氣候室內對其進行工頻、雷電沖擊及操作沖擊的放電實驗，研究其放電特性，并研究海拔4 000 m-5 500 m 地區大氣條件對短空氣間隙放電電壓影響的校正公式：

（3）云南電力中心試驗所

氣象條件修正方法結合DL/T620-1997 ，采用“比濕”綜合修正系數法，進一步細化了公式（3）中的濕度修正系數k：

3 國內外標準及試驗所得修正因數比較

以工頻放電電壓為例，同時將所有標準的適用范圍外延至5 000 m，以0 m 為基準，利用各種標準及試驗研究獲得的修正因數，分別計算其工頻電壓海拔校正因數，結果如表1所示。

表1 各種標準和實驗海拔校正因素計算對比

根據國內外相關標準中海拔修正方法，結合相關單位和院校在高海拔外絕緣領域研究成果，高海拔地區空氣間隙和外絕緣修正系數主要受大氣參數的影響，引起電氣設備外絕緣電氣強度下降的主要原因是大氣參數的變化，我國國土遼闊，不同高海拔地區的大氣參數各具特色，差異較大，在同樣的海拔高度，由于大氣參數的差異，電氣設備外絕緣的下降程度也是不一樣的，對一個具體的工程一律采用國家標準或者電力標準的方法校正不一定合適，受其適用范圍限制，應采用標準與實驗相結合的方法。

4 高海拔接觸網空氣絕緣間隙建議

就電氣化鐵路而言，如果接觸網的絕緣間隙過大，則必然會提高電氣設備的耐壓等級及水平，造成投資過大；如果絕緣間隙過小，則必然招致擊穿絕緣間隙的情況頻頻發生，造成不穩定運行。對于高海拔地區電氣化鐵路，在可研設計階段，建議采取表1各種標準和實驗海拔校正因素計算均值，對《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）關于接觸網的空氣絕緣間隙進行修正，見表2。

表2 接觸網的空氣絕緣間隙海拔修正值

接觸網最小空氣間隙距離選擇是由工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓來確定的，而25 kV電壓等級的接觸網系統的雷電過電壓成為最小空氣間隙的控制因素。因此接觸網的絕緣配合，尤其的防雷配合也成為選擇最小空氣間隙距離的一個重要依據。

根據我國高原特點，西南、西北部鐵路橋隧比例高，而隧道內牽引網的絕緣水位因隧道空間的限制，比隧道外要低。同時，隧道內存在著潮濕、重污穢等不利運行因素。因此，在鐵路長大隧道，在易受雷擊的車站和橋梁，或是高雷擊地區的線路等，為了確保設施和線路安全，則采用了在區域兩端，按現場雷擊局部地域設置氧化鋅避雷器等予以防護。合理配置接觸網隧道兩端避雷器也成為優化隧道內接觸網最小空氣間隙的重要研究課題。

5 結束語

高海拔環境對電氣化鐵路接觸網外絕緣影響較大，對接觸網系統安全可靠運行和控制隧道工程投資起著至關重要的作用，通過調研IEC、國標、行業標準和實驗數據，吸收消化既有研究成果，本文對高海拔條件下接觸網空氣絕緣間隙的選擇提出初步的指導意見，但是實際地點的氣候參數情況并非如理論所想，即便是運行于相同海拔高度不同地理位置的高壓線路也因日照強度、污區等級的差異其修正值也有所不同。所以建議在初步設計階段選擇典型的地點作為試驗研究場所，全面掌握全線沿線的大氣參數，綜合考慮各方面因素，以大量的試驗為支撐，進一步優化高海拔地區設備外絕緣耐受電壓水平及大氣參數校正系數，解決高海拔地區電氣設備安全運行和減少投資問題。