高海拔地區鐵路牽引供電系統設備外絕緣參數修正研究

靳 松

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043）

近年來，我國陸續建成或在建多條海拔4000m以下的高原電氣化鐵路，如青藏鐵路西格段、蘭新第二雙線青海段、拉薩至林芝鐵路、敦煌至格爾木鐵路等。通過立項研究和建設實施，對于海拔4000m以下高原電氣化鐵路牽引供電系統供電方案、外絕緣修正及絕緣配合、設備材料選型、運營維護等關鍵問題取得了一些科研成果并得以成功應用，積累了一定的設計、施工、運營經驗。隨著“西部大開發”、“一帶一路”等國家戰略的實施及推進，我國將建設海拔在4000m以上地區的高原電氣化鐵路，例如：川藏鐵路、中尼鐵路。

高海拔地區的大氣參數不同于低海拔地區，因此，高海拔地區與低海拔地區的電氣外絕緣特性也有較大差異[1]。為保證高海拔地區鐵路工程項目順利實施、安全可靠運行，須針對高原特殊環境引起的牽引供電系統設備外絕緣適應性問題進行研究。本文主要對高海拔地區的三個電氣參數：耐受電壓、爬電距離和空氣間隙修正方法進行分析并給出推薦值。

1 耐受電壓

有關耐受電壓高海拔修正的現行主要標準見表1。

表1 現行耐受電壓高海拔修正相關標準

1）《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620-1997）[2]“附錄 D 外絕緣放電電壓的氣象條件校正”中規定了放電電壓校正公式：

u0——標準氣象條件下絕緣放電電壓；kV

u——實際放電電壓，kV；

δ——相對空氣密度，標準氣象條件下為1，不同海拔時可按表D1(或實測數據)決定；

H——空氣濕度校正系數，有式（D2）、（D3）決定；

n——指數，與絕緣長度有關，由式（D4）決定。規范標示的適用范圍：海拔3500m。

2）《電氣化鐵道牽引變電所供電設備絕緣水平》（TB/T 2085-1997）[3]中規定：對于擬用于海拔高于1000m，但不超過4000m處的設備的外絕緣及干式變壓器的絕緣，其試驗電壓應按本標準規定的額定耐受電壓乘以海拔校正系數Ka。

H——安裝地點的海拔高度m；

規范標示的適用范圍：海拔4000m。

TB/T 2085-1997中采用的修正公式與GB/T 311.1-1997是一致的，GB/T311.1-2012版對此公式進行了修改，因此建議不再采用TB/T2085-1997的修正公式。

3）《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022-2011）[4]中規定：

對于安裝在海拔高于1000m處的設備，外絕緣在使用地點的絕緣耐受水平應為額定絕緣水平乘以按照圖1確定的系數Ka。

圖1 海拔修正系數曲線

H——海拔高度m；

m=1對于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓；

m=0.9對于縱絕緣操作沖擊電壓；

m=0.75對于相對的操作沖擊電壓。

操作沖擊的m取值可參考IEC 60071-2的4.2.2。

規范標示的適用范圍：海拔4000m。

4）《絕緣配合第1部分：定義、原則和規則》（GB 311.1-2012）[5]、國家電網公司《高海拔外絕緣配置技術規范》（Q/GDW 13001-2014）[6]、《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》（GB/T 50064-2014）[7]及《特殊環境條件高原電工電子產品第1部分：通用技術要求》（GB/T 20626.1-2017）[8]中的耐受電壓修正方法同GB 11022-2011。

綜上，自GB/T 11022-2011起，關于外絕緣耐受電壓的海拔修正公式已達成了一致，但各規范所標示的該公式的適用海拔高度仍不相同。Q/GDW13001-2014通過將試驗研究得出的修正值與上述公式的計算值進行了對比，兩者相近，并推薦按該公式進行修正，并將該公式在110kV及以下電壓等級的適用范圍延伸至了海拔5000m。

筆者單位將GB311.1-2012的公式試用范圍外延至5000m，將計算得到的修正系數與我院的高海拔科研成果進行對照，結果見表2。

表2 耐受電壓修正系數對照表

從表2可以看出，筆者單位研究成果與小于GB311.1-2012的公式計算值，故推薦采用GB311.1-2012的修正公式對外絕緣耐受電壓進行修正。

2 爬電距離

有關爬電距離高海拔修正的現行主要標準見表3。

表3 爬電距離高海拔修正的現行主要標準

1）《高海拔污穢地區懸式絕緣子串片數選用導則》（DL/T 562-95）[9]中規定：1000m 以上地區單片絕緣子污穢耐壓值應該直接在線路需經過的高海撥地區，按GB4585.2的規定進行繩緣子污穢耐壓試驗，得出高海撥地區單片絕緣子的污穢耐壓值：

Ud·n·g=Uc·n·g/N

Ud·n·g——高海拔下單片絕緣子污穢耐壓值；

Uc·n·g——高海拔下絕緣子串污穢耐壓值；

2）《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第2部分：交流系統用瓷和玻璃絕緣子》（GB/T 26218.2-2010）[10]中規定：海拔對沖擊耐受電壓的影響通常比對污穢耐受性能的影響大。通常，在較高海拔地區因為沖擊電壓所需要的絕緣長度的增大會導致足夠大的爬電距離。這意昧著，若購方沒有清楚聲明有其他要求，通常規定Ka=1。

3）《輸電線路用絕緣子污穢外絕緣的高海拔修正》（DL/T 368-2010）[11]中引入了統一爬電比距(USCD)的海撥修正系數，規定如下：在合海拔地區所使用的交、直流瓷、玻璃絕緣子(串)和復合絕緣子的USCD按下式進行修正：

4）《110kV～750kV 架空輸電線路設計規范》（GB 50545-2010）[12]中規定：高海拔地區懸垂絕緣子串的片數，宜按下式計算：

nH——高海拔地區每串絕緣子所需片數；

H——海拔高度(m)；

m1——特征指數，它反映氣壓對于污穢電壓的影響程度；由試驗確定。

從上述各規范可以看出，相關規范均認為海拔對污穢條件下的線路絕緣子的爬電距離具有影響，但各規范給出的修正方法不同，根據各規范的適用范圍和實際情況，選用DL/T 368-2010給出的方法對絕緣子爬電距離進行修正。DL/T 368-2010附錄B中給出爬電距離修正系數見表4：

表4 絕緣子污穢外絕緣高海拔修正系數

3 空氣間隙

有關空氣絕緣間隙高海拔修正的現行主要標準見表5。

表5 現行空氣間隙高海拔修正相關標準

1）《66kV及以下架空電力線路設計規范》（GB 50061-2010）[13]中規定：

海拔高度為1000m及以上的地區，海拔高度每增高100m，內部過電壓和運行電壓的最小間隙應按本規范6.0.9所列數值增加1%。規范6.0.9給出的35kV內部過電壓最小間隙為250mm，運行電壓最小間隙為100mm，雷電過電壓最小間隙為450mm。

2）《高壓配電裝置設計技術規程》（DL/T 5352-2006）[14]中規定：

DL/T 5352—2006給出了海拔4000m以下的各電壓等級的空氣間隙修正曲線，如圖2所示，不同海拔高度的A1值通過該圖查詢獲得。海拔大于1000m時A值的修正：

圖2 空氣間隙修正曲線

3）《絕緣配合第1部分定義、原則和規則》（GB/T 311.1-2012）[5]的附錄A中給出了與不同沖擊耐受電壓值對應的保證規定的沖擊耐受電壓的空氣間隙值，我院通過修正后的耐受電壓查詢得到最小空氣間隙值，見表6。

表6 GB311.1-2012中35kV空氣間隙值

4）《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）[15]是參考的 DL/T 5352-2006。

5）國家電網公司《高海拔外絕緣配置技術規范》（Q/GDW 13001-2014）[6]是參考的 DL/T 5352-2006。同時將其110kV及以下電壓等級適應范圍延伸至5000m，直接給出了修正后的值，見表7。

表3-4 戶外變電站電氣一次設備要求的最小電弧距離

DL/T 5352和Q/GDW13001給出的空氣間隙值是一致的，根據GB311.1推算的空氣間隙值大于DL/T 5352和Q/GDW13001的值，且電壓等級越高、海拔越高，差距越大。

但需要說明的是：GB 311.1-2012[5]附錄A中對于其給出的“保證規定的沖擊耐受電壓的空氣間隙”做了如下說明：“這些距離不適用于技術規范中包括強制性沖擊型式試驗要求的設備，因為強制的最小距離可能妨礙設備的設計、提高其成本并妨礙技術進步”。且通過與其他相關規范海拔4000m以下的數據進行對比可以看出，GB311.1-2012給出的間距值是偏于安全的和保守的，這在高海拔地區尤其明顯。由此，根據GB 311.1-2012推算的空氣間隙值僅用于確定導線或設備帶電部分與接地體的間距和不同相帶電部分的間距。而對于設備的電弧距離推薦根據修正后的耐壓值再通過試驗進行驗證確定。

4 總結

文章在牽引供電系統外絕緣方面，僅對耐受電壓、絕緣間隙、爬電距離現有的規范進行梳理與總結，并根據初步對比分析給出了目前可推薦使用的修正值，但尚存在諸多問題，例如：牽引變電所設備最小空氣間隙值和電弧距離等，這些問題需要通過試驗的方法進一步深入研究。