高原地區電氣化鐵路接觸網外絕緣設計探討

2010-08-03 02:17:00王強

鐵道標準設計 2010年1期

王強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

隨著西部地區建設的飛速發展和《中長期鐵路網規劃》的快速實施,青藏線西格段、蘭新第二雙線、敦煌至格爾木線等多條電氣化鐵路將陸續建成。這些線路通過地區沿線自然條件復雜、惡劣,屬高原高寒地區。

高原地區主要有極端最低氣溫及平均氣溫低、日溫差大和平均海拔高、區大氣厚度小、氣壓低、太陽輻射強度大等特點,從而使得帶電體的絕緣泄露距離和空氣間隙的放電電壓降低,引起設備電氣性能下降,影響設備絕緣形式的選擇。另外,到目前為止,現有接觸網設備在高原地區應用的檢測、檢驗、試驗標準尚不完善。

為進一步提高高原地區電氣化鐵路接觸網安全、可靠運行水平,主要從接觸網設備耐受電壓、空氣絕緣間隙、絕緣泄露距離等方面,結合青藏線西格段的工程設計情況,對高原地區接觸網設備的外絕緣設計進行探討,并提出部分海拔校正方法和參數,供類似工程參考(本文所指高原地區平均海拔3000～4000m,平均氣壓一般不大于 70.1kPa)。

2 高原環境對接觸網設備耐受電壓的影響

對于接觸網設備而言,在工頻電壓作用下,主要承受雷電過電壓、操作過電壓、污耐受電壓等 3種類型的電壓,應用于高原地區時均需進行海拔校正。因此,接觸網設備耐受電壓的海拔校正可參照《高壓輸變電設備的絕緣配合》(GB311.1—1997)、《特殊環境條件高原用高壓電器的技術要求》(GB/T20635—2006)、《電氣化鐵路絕緣子第1部分:棒形瓷絕緣子》(TB/T3199.1—2008)中規定的修正方法、校正因數,并借鑒青藏線科研成果進行海拔校正計算。

(1)GB311.1規定的海拔校正因數

GB311.1—1997第3.3條 “對用于海拔高于1000m,但不超過4000m處的設備的外絕緣及干式變壓器的絕緣,海拔每升高 100m,絕緣強度約降低 1%,在海拔不高于1000m的地點試驗時,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因數 Ka”和第3.5條“設備適用的電力系統中性點的接地方式,最高電壓 72.5kV及以下為非有效接地系統或有效(直接)接地系統,最高電壓 126kV及以上應為有效(直接)接地系統”的要求,牽引供電系統設備在標準氣象條件下的各項耐受電壓應按額定耐受電壓乘以海拔校正因數進行。

校正因數

式中,H為設備安裝地點的海拔,m。

(2)GB/T20635—2006規定的海拔校正因數

GB/T20635—2006第5.1條“外絕緣強度的高海拔校正因數”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=Kh×U0進行修正,其中試驗電壓海拔校正因數

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。需要指出的是:當 m=1.0時,GB/T20635—2006海拔校正因數與 GB311.1—1997沒有本質上的區別,僅工頻、操作沖擊濕試電壓略有減小。

(3)TB/T3199.1—2008規定的海拔校正因數

《電氣化鐵路絕緣子第1部分:棒形瓷絕緣子》(TB/T3199.1—2008)附錄 C(資料性附錄)“絕緣子高海拔額定電壓的校驗”中的“表A.1海拔修正系數表”直接明確了使用于高原地區的接觸網棒式絕緣子的各項耐受電壓海拔校正因數,具體數值參見表1。

(4)青藏線科研成果中有關的海拔校正因數

《電力線路桿塔基礎及防雷接地試驗研究——青藏線電力線路試驗研究》關于絕緣子污閃、干閃、沖擊放電等特性的研究提出了鐵路用絕緣子的耐受電壓海拔校正因數,具體數值參見表2。

表1 TB/T3199.1—2008中絕緣子耐受電壓海拔修正因數

表2 青藏線科研成果中耐受電壓海拔校正因數

(5)接觸網設備耐受電壓海拔校正因數的選取

根據上述耐受電壓海拔校正因數的不同規定,高原地區耐受電壓海拔校正因數選用見表3。

表3 設備耐受電壓海拔校正因數

綜合上述耐受電壓海拔校正因數的計算規定,考慮高原地區惡劣的自然環境和現行規范體系的具體應用情況,經計算分析,建議高原地區電氣化鐵路接觸網設備的耐受電壓校正因數選用現有標準體系中的較大值,即:一般按 GB311.1—1997規定的海拔校正因數,接觸網棒式絕緣子耐受電壓海拔校正因數按鐵路標準規定選用。

3 高原環境對接觸網空氣絕緣間隙的影響

接觸網空氣絕緣間隙的海拔校正可參照《66kV及以下架空電力線路設計規范》(GB50061—97)、《鐵路電力牽引供電設計規范》(TB10009—2005)規定的修正方法進行海拔校正計算。

(1)GB50061—97規定的海拔校正因數

GB50061—97第5.0.8條規定,“海拔超過1000m地區,海拔高度每增加 100m,內過電壓和運行電壓的最小間隙,應按規定的數值增大 1%”,即輸電線路外絕緣空氣間隙的海拔校正因數等同于

式中,H為輸電線路經過地區的海拔。

(2)TB10009—2005規定的海拔校正因數

TB10009—2005第5.3.2條“接觸網的空氣絕緣間隙不應小于表5.3.2的規定”“在高程大于1000m的地區,表5.3.2中所列空氣絕緣間隙值應進行修正”,參考條文說明,修正系數為

式中,H為安裝地點的海拔。

(3)青藏線科研成果中有關的海拔校正因數

《高低壓電力設備高原適用性試驗研究—高海拔對 27.5kV和 35kV系統空氣絕緣間隙影響的試驗研究》提出了高原環境電氣化鐵路空氣絕緣間隙的海拔校正因數,具體數值參見表4。

表4 青藏線科研成果中空氣絕緣間隙海拔校正因數

(4)接觸網空氣絕緣間隙海拔校正因數的選取

根據上述空氣絕緣間隙海拔校正因數的不同規定,空氣絕緣間隙海拔校正因數選用見表5。

表5 空氣絕緣間隙海拔校正因數

由表5可見,青藏線科研成果和 TB10009—2005規定高原地區空氣絕緣間隙海拔校正因數差別不大。綜合考慮鐵路現行規范體系的具體應用情況,建議高原地區電氣化鐵路接觸網設備的空氣絕緣修正時按TB10009—2005規定選用海拔校正因數。

4 高原環境對絕緣泄漏距離的影響

(1)絕緣子污閃電壓與氣壓的基本關系

絕緣泄露距離同絕緣子污耐受電壓一般呈線性關系,即污耐受電壓與氣壓呈線性關系。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。

式中,Ud?n?g為氣壓為 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。上式作為電力系統交流輸電線路的高海拔修正方法,引入到《高海拔污穢地區懸式絕緣子串片數選用導則》(DL/T562—95)。

(2)特征指數 n的取值

關于特征指數 n的取值,國內外的研究結論和 DL/T562—95規范中的結論基本一致:試驗發現 n值與電壓形式、絕緣子外形和污穢程度均有關,但至今還無清楚的變化規律,現有數據一般 n值在 0.4～0.8。表6～表8是目前收集到國內外試驗得出的 n值的數據。

表6 國外學者推薦的n值

表7 DL/T562—95標準中各種類型懸式絕緣子特性指數 n值

綜上,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。經分析,瓷絕緣子的 n值一般在 0.4～0.8,復合絕緣子的特征指數 n數值較小,一般在 0.3～0.6。考慮到高原地區惡劣的自然、氣候條件,接觸網絕緣子的特征指數n的建議選用表9所示數值,