西藏4000m以上高海拔地區變電站設計實踐

唐 滔，易建山，羅曉康，羅忠軍，白小奇，張 勇，李海龍，柏延鵬

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850010)

0 引言

西藏阿里與藏中電網聯網工程(以下簡稱“阿里聯網工程”)起于日喀則地區多林變，止于阿里地區巴爾變，全線新建2座500 kV變電站(海拔約4 100 m)，4座220 kV變電站(海拔約4 700 m)。項目建成后將形成覆蓋西藏全區74個縣的統一主電網，擴大了西藏主電網覆蓋范圍。

1 高海拔地區環境特征及其影響

阿里聯網工程各變電站海拔高度均超過4 000 m，最高變電站海拔4 688 m，站址所處地區的主要特點為：

1) 空氣壓力低、密度及含氧量低；

2) 空氣干燥，無霜期短，四季風大；

3) 寒冷期長，晝夜溫差大，部分站極端溫度達到-44℃；

4) 太陽輻射強，光照條件好；

5) 地震烈度高，其中2個站位于8度地震烈度區；

6) 存在季節性凍土，標準凍深較深。

上述特點將降低電氣設備性能，減弱設備外絕緣水平，降低導體起始放電電暈，對變電站設計影響較大。我們在進行變電站設計時，應充分考慮到這些環境特征對電氣設備選型、配電裝置布置的影響。

2 空氣間隙及電氣設備絕緣水平確定

電氣設備最小安全凈距對配電裝置布置及整個變電站占地面積影響很大，電氣設備的絕緣水平及最小安全凈距是進行變電站設計的基礎數據。

2.1 電氣設備絕緣水平的確定

2.1.1 海拔修正因數

IEC 60071-2-2018[1]、GB 311.1—2012[2]、GB/T 50064—2014[3]、DL/T 5352—2018[4]、DL/T 5222、DL/T 620、GB/T 16927.1等標準、規范中海拔修正計算方法各不相同，適用的海拔高度也各不相同，其中文獻[1-3]均推薦采用公式(1)進行海拔修正因數計算。

Q/GDW 13001—2014《國家電網公司物資采購標準 高海拔外絕緣配置技術規范》[5]附錄B針對不同標準中推薦的海拔修正方法，將所有標準的適用范圍延至5 000 m，并與國網青海省電力公司在高海拔外絕緣領域研究成果及大量的試驗數據進行比對，試驗研究所得的高海拔修正系數與GB311.2推薦的海拔修正因數計算結果差別較小。因此，推薦采用GB311.2中高海拔修正公式，即公式(1)。

通過對已建變電站工程取值進行總結，結合Q/GDW 13001《國家電網公司物資采購標準高海拔外絕緣配置技術規范》[5]試驗推薦意見，在考慮海拔修正公式適用性時，GB311.1[2]沒有提出海拔高度的限制，僅說明運行在海拔高于1 000 m的設備，因此，海拔4 000 m以上工程推薦采用GB311.1[2]修正方法進行海拔修正，在確定空氣間隙50%放電電壓時，采用公式(1)進行海拔修正，確定設備外絕緣水平時，采用公式(2)進行海拔修正。

式中：Ka為海拔修正系數；H為設備安裝地點的海拔高度，m；m為指數，取值如下：對雷電沖擊耐受電壓，m=1.0；對空氣間隙和清潔絕緣子的短時工頻電壓，m=1.0；對操作沖擊耐受電壓，m按圖1選取。

圖1 操作沖擊修正因子選取圖

式中：Urw為設備要求耐受過電壓，kV；Ucw為設備配合耐受過電壓，kV；Ka為海拔修正系數；Ks為安全因數，對于外絕緣取1.05.對于內絕緣取1.15。根據我國電網實際運行情況，一般按避雷器保護水平為基礎選取，見表1。

表1 避雷器額定參數選擇表(國網通用值)

2.1.2 電氣設備外絕緣水平

GB 311.1[2]及GB/T 50064[3]給出了不同電壓等級的各類設備雷電沖擊、工頻耐壓及操作沖擊耐壓標準值，該值為海拔高度1 000 m及以下地區一般條件下電氣設備額定耐受電壓值。對不同海拔高度按GB 311.1[2]修正方法進行電氣設備外絕緣海拔修正計算結果推薦值見表2。

表2 不同海拔電氣設備外絕緣水平推薦值

2.2 最小空氣間隙的確定

對于變電站交流空氣間隙，依據絕緣配合得到的絕緣水平，計算得到50%放電電壓，然后通過由大量棒板間隙試驗數據擬合得到的經驗公式，并結合間隙形狀系數進行計算，或者根據不同形狀、長度空氣間隙真型試驗得到50%放電電壓特性曲線，然后通過查找計算曲線得到空氣間隙要求值。

按GB 311.2—2013[6]推薦，空氣間隙的50%放電電壓，采用公式(4)計算：

式中：U50為修正到標準大氣條件下的50%操作沖擊閃絡電壓，kV；Uw為額定耐受過電壓，kV；σ為指數，取值如下：對雷電沖擊，σ=0.03；對操作沖擊，σ=0.03；Urw為設備要求耐受過電壓，kV；Ka為海拔修正系數；Ks為安全因數；Ulp(Usp)為避雷器操作沖擊(雷電沖擊)最大殘壓，kV；

在計算得到50%放電電壓后，按照GB311.2[6]給出的空氣間隙經驗計算公式求得對應空氣間隙取值。

對于雷電過電壓：

對于操作過電壓：

式中：d為空氣間隙要求值，m；U50為修正到標準大氣條件下的50%操作沖擊閃絡電壓，kV；K為電極形狀系數；。

對不同海拔高度按GB 311.2[6]方法進行最小空氣間隙海拔修正計算結果推薦值如表3。

表3 不同海拔高度最小空氣間隙推薦值

3 高地震烈度對電氣設備的影響及解決措施

阿里聯網工程查務500 kV變電站和巴爾220 kV變電站地震烈度為8度(0.2g加速度)。GB 50260—2013[7]中明確：“重要電力設施中的電氣設施可按抗震設防烈度提高1度設防，但抗震設防烈度為9度及以上時不再提高”,因此上述兩站電氣設備需提高1度按9度(0.4g加速度)抗震要求進行設防。

3.1 高地震烈度對電氣設備的影響

強地震易造成變電站主要電氣設備損壞，造成變壓器底座從軌道里脫離出來、套管根部斷裂等，斷路器、隔離開關等電瓷型高壓電氣設備絕緣瓷瓶斷裂、設備傾斜或跌落等事故。

3.2 高地震烈度區電氣設備抗震措施

阿里聯網工程各變電站地震設防烈度為8度及以上，需要考慮從電氣設備選型優化、設備導體連接優化、隔震減震技術的應用、對設備制造廠家的要求等幾個方面進行改進優化，開展電氣設備的抗震設計工作。

雖然系統功能學派對名物化的語篇功能展開了不少有意義的探索，但與詞匯語法層面的研究相比還十分不足，在研究視角的廣度和深度上還有待進一步拓展。為了更好地把握語篇層面名物化現象研究的現狀、研究熱點和未來的研究方向，本文擬通過運用知識圖譜分析軟件“引文空間”(CiteSpace)，對比分析國內外核心期刊近20年來發表的文獻，全面考察國內外學界對英語名物化現象研究的趨勢，以期為今后英語語篇名物化現象的研究提供參考。

3.2.1 配電裝置選型

電氣設備的選型是進行電氣設備抗震設計的重要前提，為了減小電氣設備在地震時受到破壞，應合理地進行設備選型，在高地震區的設備應采用重心較低、抗震性能好的設備。DL/T 5218—2012[9]中規定66 kV～750 kV電壓等級配電裝置，在大氣污穢嚴重、場地限制、高抗震設防烈度、高海拔環境條件下，經技術經濟論證，可采用氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)。阿里聯網工程各變電站500 kV、220 kV、110 kV配電裝置選用GIS設備，滿足抗震性能要求。

3.2.2 導線選擇

站內電氣設備的連接，盡量采用軟連接，35 kV戶外配電裝置主母線采用軟導線，提高抗震性能。

3.2.3 采用復合絕緣材料設備

瓷質絕緣子(套管)存在的易脆斷、抗震性能差等缺陷。尤其是變壓器、電抗器用瓷質出線套管價格偏高、運輸要求高、生產周期長(特別是超高壓、特高壓交直流產品)、安裝不便、易脆斷、抗震性能差、運行中需多次涂刷PRTV涂料等不足在超高壓工程應用中逐漸暴露出來。而復合絕緣材料由于具有重量輕、安裝方便、憎水性好、介電性能優良等特點，自上世紀六十年代初在德國首次研制并開發以來，將其作為設備的外絕緣材料，得到越來越廣泛的使用。

復合絕緣材料與瓷絕緣材料相比，主要具有重量輕、防爆性能好、憎水性好、耐污性能優、抗震性能好、抗風沙能力強、運輸安裝方便、交貨周期短、價格便宜等諸多方面的優勢，符合國網公司環境友好及資源節約的要求。

阿里聯網工程110 kV及以上電壓等級全面應用復合絕緣設備，主要包括：500 kV和220 kV高抗套管、主變壓器220 kV和110 kV套管、220 kV和110 kV GIS進出線套管、220 kV和110 kV避雷器復合絕緣外套、110 kV電壓互感器復合絕緣外套。

隔震技術是通過“以柔克剛，隔震耗能”的途徑，采用隔震、消能等方法，達到隔離地震反應的目的。通過對電氣設備采用隔震措施，可以大大提高其抗震能力。

隔震的本質作用是使結構或部件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開，隔斷地震能量的傳播途徑，盡量減少傳遞到隔震結構上部的地震能量，從而減少上部結構的地震反應。具體就是在工程結構的特定部位，裝設隔振器、隔震墊等，以改變或調整結構的動力特性或動力作用，使工程結構在地震(或風)作用下的動力反應(加速度、速度、位移)得到合理控制，確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝修等的安全。

變壓器、電抗器因其結構尺寸大、重心低、質量大，地震作用下以剪切變形為主，故屬于變電站內的重矮型設備，可通過加設隔震裝置降低其在地震作用下的結構動力響應。

4 極端低溫對電氣設備的影響及解決措施

4.1 極端低溫對電氣設備的影響

阿里聯網工程吉隆500 kV變電站站址極端最低溫度達到-43.4℃，屬于高海拔高寒地區，DL/T 5352[4]中對于屋外SF6絕緣設備，明確應按極端最低溫度進行設備選擇。如此惡劣的自然條件，將對電氣設備性能產生不良影響，具體表現為：極端低溫可能會造成氣體絕緣設備中的SF6氣體由于極端低溫液化導致絕緣性能大幅度降低。常規油絕緣設備若采用#25號變壓器油，在低于-25℃的氣象條件下會發生凝固，從而散失絕緣及散熱性能。常規電纜在如此低溫環境下可能發生護套及絕緣層開裂情況，導致運行故障。

4.2 電氣設備應對極端低溫的措施

1) 變壓器及電抗器：采用高防紫外線、高防腐油漆，加強油箱的密封措施，采用運動粘度和傾點較高的#45號變壓器油，盡量避免在低溫下啟動。

2) 500 kV GIS、220 kV GIS及110 kV GIS：采用戶內布置，斷路器單元加裝電伴熱，其余單元采用降低氣室額定壓力方式降低SF6氣體液化溫度。為確保電伴熱供電可靠性，GIS匯控柜采用雙電源供電，在匯控柜內實現雙電源自動切換。

3) 35 kV斷路器：采用罐式斷路器加裝伴熱帶或瓷柱式斷路器加SF6+CF4混合氣體方案解決SF6氣體液化。鑒于混合氣體比例較難控制，推薦采用罐式斷路器加裝伴熱帶。

4) 隔離開關：采用特殊的潤滑油脂，保證在低溫環境下不凝固，電動機構需要經過特殊處理。

5) 并聯電容器：需要選用凝固點溫度低、粘度低的液體介質(如：MBT/DBT) 浸漬電容器。

6) 靜止無功補償器(static var compensator，SVC)成套裝置：閥組水冷系統添加防凍液。

7) 低壓動力箱及就地控制柜：提高箱體的密閉性；箱內元件采用耐寒產品；在箱內加裝溫濕度自動控制器及空調，保證箱內溫度并防止箱內凝露和結冰。

8) 電纜：選用高耐寒電力(控制)電纜(如ZR-YJY23、ZR-KYJYP2/23)。

9) 鋼材：選用Q235C或Q345C鋼材(日最低平均溫度介于-20℃～-40℃之間)。

5 戶內中壓開關柜型式選擇及注意事項

戶內設備的空氣間隙須進行海拔修正，方法與戶外設備一致。

目前國內采用空氣絕緣的戶內開關柜主要為中置式開關柜。隨著海拔增加，電氣設備空氣間隙要求值隨之增加，標準的空氣絕緣柜無法滿足空氣間隙增大后的要求，需增大開關柜尺寸或采用充氣式高壓開關柜來滿足空氣間隙修正的要求。綜合考慮國網公司相關文件要求，建議35 kV開關柜在海拔1 000 m以上采用充氣式高壓開關柜，10 kV開關柜在海拔2 000 m以上采用充氣式高壓開關柜，以有效避免因增加電氣間隙而導致的尺寸問題。

在充氣柜設計時需要特別注意柜內開關額定電流有無滿足要求的產品，充氣柜與高壓電纜、全絕緣母線的連接接口。

當充氣柜為饋線回路時，無法安裝線路側隔離開關和接地開關，接地開關位于斷路器上方，對饋線回路進行檢修時，需特別注意操作流程。

6 季節性凍土的影響及解決措施

阿里聯網工程各變電站站址所處地區均存在季節性凍土，標準凍深在0.8～2.0 m之間。凍土層土壤電阻率高，其中霍爾220 kV變電站凍土層厚度約1.6 m，第一電性層土壤電阻率為9 903 Ω·m，厚度0.9 m；第二電性層土壤電阻率為2 468 Ω·m，厚度4.9 m；第三電性層土壤電阻率為1 328 Ω·m，厚度31.1 m；第四電性層土壤電阻率為641 Ω·m，厚度13.1 m。凍土層土壤電阻率和深度隨著土壤溫度變化，不僅影響接觸電壓與跨步電壓值，同時還影響到跨步電壓與接觸電壓允許值。須采取有效降阻措施降低站區接地電阻，確保全站接觸電勢和跨步電勢滿足要求。

GB/T 50065—2011[8]中明確：“在季節凍土或……可采用下列措施：季節性的高電阻率層厚度較深時，可將水平接地網正常埋設，在接地網周圍及內部接地極交叉節點布置短垂直接地極，其長度宜深入季節高電阻率層下面2 m”。因此，霍爾變全站主接地網按不等間距分布，埋深0.8 m；在接地網周圍及內部交叉節點布置垂直接地極，長度L=3.0 m，同時在站區內設置6口約100 m的深井接地；為提高接觸電勢，在設備支架和構架周圍鋪設碎石。經CDEGS軟件模擬計算，采取上述措施后，全站接地電阻可降至1 Ω以下，接觸電勢和跨步電勢均滿足要求。

7 線路降壓運行工況下變電站內避雷器配置

阿里聯網工程查務—吉隆段輸電線路按500 kV電壓等級設計，線路兩端均裝設500 kV高抗，本期降壓至220 kV電壓等級運行。線路絕緣子按500 kV經海拔修正后選取，長度較220 kV絕緣子長出許多，當線路遭受雷擊時，絕緣子可能無法擊穿閃絡，造成雷電波沿線路侵入變電站，在站內設備上產生雷電過電壓，危害變電站設備安全。經與武漢大學研究配合，最終推薦在查務站、吉隆站220 kV GIS出線套管處、500 kV線路入口處各裝設一組204 kV的避雷器，在各種運行工況下，避雷器放電電流均未超過10 kA標稱放電電流。我院設計的同類工程依據科研機構研究計算結果，避雷器按204 kV、13 kA標稱放電電流進行配置。

8 結語

西藏4 000 m以上高海拔地區變電站設計，確定設備外絕緣水平和最小空氣間隙要求值是最為重要的環節，也是變電站設計的主要依據之一。結合國網公司試驗數據及已建變電站工程取值總結，推薦采用GB 311.1[2]中修正方法進行海拔修正。