川藏鐵路牽引變電設(shè)備選擇

薛 敏，侯 峰

(1.廣州地鐵運(yùn)營(yíng)總部基地維修中心，廣東 廣州 510380;2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 前言

川藏鐵路拉薩至林芝段海拔均在2000m 以上，拉薩南變電所海拔更高達(dá)4450m。海拔較高區(qū)域的絕緣配合與傳統(tǒng)低于1000m 的區(qū)域不同。電氣設(shè)備外絕緣放電電壓與大氣壓力、絕對(duì)濕度的變化趨勢(shì)正相關(guān)，跟溫度的變化趨勢(shì)反相關(guān)。上世紀(jì)80 年代國(guó)內(nèi)有相關(guān)探索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海拔升高時(shí)，絕對(duì)濕度、氣溫以及氣壓均降低。絕對(duì)濕度下降則導(dǎo)致放電電壓將降低，溫度下降會(huì)導(dǎo)致放電電壓上升，因此隨著海拔的抬高以及絕對(duì)濕度及溫度的變動(dòng)，會(huì)對(duì)外絕緣的放電電壓產(chǎn)生較大的整體影響。因此，如何確保牽引變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備選擇的正確性，已成為川藏鐵路電氣化設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的突出問(wèn)題。

1 川藏鐵路電氣設(shè)備絕緣配合準(zhǔn)則

1.1 絕緣配合準(zhǔn)則

所謂絕緣配合，就是正確處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種過(guò)電壓與限壓措施各種過(guò)電壓與各種絕緣抗電性能之間的固有矛盾，選擇相應(yīng)的保護(hù)措施，確定該設(shè)備的絕緣耐受強(qiáng)度，藉此把作用在設(shè)備上的各種電壓(如操作過(guò)電壓及工頻電壓)所導(dǎo)致的電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣損壞程度，減少到在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可接受的水平。也就是說(shuō)，絕緣配合是要正確處理各種電壓、各種限壓措施和設(shè)備絕緣耐受強(qiáng)度三者之間的配合關(guān)系，全面考慮設(shè)備造價(jià)、維修費(fèi)用及故障損失三個(gè)方面，力求取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)用地點(diǎn)的海拔區(qū)域會(huì)對(duì)其外絕緣強(qiáng)度產(chǎn)生影響，對(duì)其內(nèi)絕緣則無(wú)此影響。

1.2 外絕緣電壓確定

開(kāi)關(guān)設(shè)備外絕緣水平應(yīng)在吻合絕緣配合準(zhǔn)則的條件下確定。一般地，設(shè)備安裝處的污穢等級(jí)及海拔直接對(duì)電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備的外絕緣產(chǎn)生影響。

比如海拔高度，設(shè)備安裝處的大氣壓強(qiáng)、溫度及濕度會(huì)對(duì)設(shè)備外絕緣間隙產(chǎn)生影響。三個(gè)因素綜合考量，可得出如下結(jié)論:開(kāi)關(guān)設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度隨著海拔高度的升高而降低。

目前，電氣設(shè)備的常規(guī)絕緣強(qiáng)度及室外配電裝置最低安全外絕緣空氣間隙僅適用于海拔1000m 以下的情況，超過(guò)此高度，則必須進(jìn)行絕緣修正。

2 川藏鐵路沿線(xiàn)環(huán)境參數(shù)對(duì)設(shè)備外絕緣的影響

2.1 高海拔對(duì)設(shè)備絕緣強(qiáng)度的影響

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中定義的耐受電壓是絕對(duì)濕度為11g/m3、絕對(duì)氣壓為101.3kPa 時(shí)的電壓。對(duì)于海拔比較高的區(qū)域，所處環(huán)境的氣壓與標(biāo)準(zhǔn)氣壓差異較大，開(kāi)關(guān)設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度會(huì)受到較大的影響。在海拔高度從0 升至5000m 的情況下，氣壓下降速率約為11%/km，外絕緣強(qiáng)度下降速率約為12%/km。

鑒于拉薩南變電所選用的電氣開(kāi)關(guān)的安裝地及生產(chǎn)地點(diǎn)的海拔差異巨大，如江蘇某高壓開(kāi)關(guān)廠(chǎng)生產(chǎn)的隔離開(kāi)關(guān)，用于4000m 以上的地點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)絕緣性能會(huì)顯著降低，為了確保絕緣強(qiáng)度以滿(mǎn)足高海拔區(qū)域的條件要求，在實(shí)際安裝條件下應(yīng)對(duì)絕緣強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的修正。如果安裝地點(diǎn)高度超過(guò)1000m，其外絕緣強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)條件下試驗(yàn)電壓乘以相應(yīng)的修正系數(shù)Ka:

式中U 為用于高海拔區(qū)域的測(cè)試電壓(kV);U0是標(biāo)準(zhǔn)條件下的測(cè)試電壓(kV)。

2.2 海拔修正系數(shù)的確定

《GB311.1-2012》明確說(shuō)明，設(shè)備安裝處的海拔高度介于1000～4000m 之間時(shí)，其外絕緣強(qiáng)度隨著海拔的升高而降低。

海拔每抬高100 米，絕緣強(qiáng)度約下降1%，若試驗(yàn)高度不超過(guò)1000 米，則海拔修正系數(shù)Ka為:

式中H 為設(shè)備安裝處的高度(m)。

《GB/T20635 》及《DL/T593 》則 參 考 了《IEC60694》相關(guān)規(guī)范中關(guān)于海拔修正系數(shù)的計(jì)算方法，該規(guī)范中提出Ka為:

式中H 為設(shè)備安裝地點(diǎn)的高度(米)，m 為修正系數(shù)，在工頻電壓及雷電沖擊電壓情況下，修正系數(shù)m 的值可取1。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《GB/T20626.1-2006》則是專(zhuān)門(mén)適用于海拔1000m 以上5000m 以下、高原區(qū)域使用的高壓電工產(chǎn)品規(guī)范，該規(guī)范將5000m 以下的海拔直接細(xì)分為五級(jí)，每個(gè)級(jí)別1000m，其相應(yīng)的修正系數(shù)如表1。

表1 GB/T20626.1 規(guī)定的海拔修正系數(shù)

2.3 高海拔修正系數(shù)分析

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣強(qiáng)度直接影響著設(shè)備的安全運(yùn)行。由上文分析可以得出:空氣密度會(huì)隨著海拔高度的增加而降低，設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的下降，因此為了達(dá)到設(shè)備相對(duì)應(yīng)的絕緣強(qiáng)度要求，設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔越高，其修正系數(shù)就越大。

針對(duì)上文中式(2)及式(3)，得出兩種修正算法的示意圖，如圖1 所示。

圖1 海拔修正系數(shù)曲線(xiàn)

從圖1 可以看出，式(3)修正曲線(xiàn)更加平緩，式(2)修正曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)更快，但在1000m 和4500m處，兩種算法的修正參數(shù)值取等。

在海拔1000～4500m 范圍內(nèi)，式(3)修正系數(shù)均大于式(2)修正系數(shù);當(dāng)海拔超過(guò)4500 米時(shí)，式(2)修正系數(shù)大于式(3)修正系數(shù)。

在海拔1000～5000m 范圍內(nèi)，每隔500 米計(jì)算一次Ka 數(shù)值，可得出表2 結(jié)論。

表2 海拔修正系數(shù)對(duì)比表

從《GB311.1-2012》查閱得知，僅當(dāng)海拔不高于4000m 時(shí)，可用式(2)進(jìn)行估算;超過(guò)4000m，公式則不再適用。而《GB/T20635》則提出，在海拔不超過(guò)5000m 時(shí)，均可按照式(3)進(jìn)行修正計(jì)算。從圖1可以看出，式(3)的修正系數(shù)變化更加平緩。基于此，在進(jìn)行拉薩南變電所27.5kV 開(kāi)關(guān)設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)，采用式(3)來(lái)確定修正系數(shù)。

式(2)的算法較為簡(jiǎn)單，修正系數(shù)變化較大，更適用于粗略估算。

2.4 變電設(shè)備綜合修正系數(shù)

《GB/T20635》和《GB/T20626.1》規(guī)定海拔分級(jí)從0 至5000m，每1000m 為一級(jí)，共分5 級(jí)，該分級(jí)概括了不同高度下電氣設(shè)備的適用條件，對(duì)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化有一定的參考意義。但在實(shí)際應(yīng)用中，海拔情況大多介于上述規(guī)范中規(guī)定的分級(jí)之間。

《GB/T20635》提出，當(dāng)開(kāi)關(guān)設(shè)備使用地點(diǎn)的海拔恰恰介于任意兩個(gè)分級(jí)之間時(shí)，則選擇較高等級(jí)。當(dāng)設(shè)備實(shí)際安裝海拔距離選用的海拔等級(jí)較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)降低設(shè)備選擇的合理性。

《GB/T20626.1》則采用式(3)進(jìn)行離散計(jì)算，實(shí)際上，從圖1 中即可得出相應(yīng)的修正系數(shù)，表2 則是根據(jù)式(3)，每隔500m 進(jìn)行細(xì)分。若設(shè)備的安裝高度不在此表中，一則可以直接帶入式(3)中直接計(jì)算，二則可以根據(jù)表2 進(jìn)行插值計(jì)算。

通過(guò)比較《GB/T20635》及《GB/T20626.1》可以得出，《GB/T20626.1》采用的方法，可以大大提高設(shè)備修正系數(shù)選型的合理性。

當(dāng)設(shè)備試驗(yàn)地點(diǎn)不為1000m 時(shí)，根據(jù)式(3)，可以得出相應(yīng)的修正參數(shù)Ka:

式中H 為設(shè)備安裝地的海拔高度(m)，H0為設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)的海拔高度(m)。

由式(4)，可以得出電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備不同試驗(yàn)點(diǎn)及不同安裝地點(diǎn)的綜合修正參數(shù)表，如表3 所示，相應(yīng)的綜合修正曲線(xiàn)，如圖2 所示。

表3 即為川藏鐵路27.5kV 變電開(kāi)關(guān)設(shè)備選型的綜合修正系數(shù)表。

表3 綜合修正系數(shù)Ka

圖2 綜合修正系數(shù)曲線(xiàn)

3 27.5kV 電氣設(shè)備的選擇

空氣間隙和絕緣子構(gòu)成了電氣設(shè)備的外絕緣。空氣間隙的擊穿電壓及絕緣子的閃絡(luò)電壓和大氣條件有關(guān)。隨著海拔高度的抬高，空氣密度降低，外絕緣放電電壓隨之降低，因此川藏鐵路沿線(xiàn)變電所電氣設(shè)備外絕緣配置必須考慮這一因素。

3.1 電氣設(shè)備外絕緣額定耐受電壓

電氣設(shè)備的絕緣水平，應(yīng)同時(shí)具有耐受工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓的能力。并經(jīng)過(guò)計(jì)算，分別給出相應(yīng)的試驗(yàn)電壓，或在已有的標(biāo)準(zhǔn)中選擇相應(yīng)的數(shù)值。

《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)盒絕緣配合》(DL/T620-1997)規(guī)定35kV 電壓等級(jí)電氣設(shè)備選用的耐受電壓如表4、表5、表6(海拔1000 米以下)。

表4 電壓范圍I 電氣設(shè)備選用的耐受電壓

表5 輸變電設(shè)備1 分鐘工頻耐受電壓有效值

表6 輸變電設(shè)備雷電沖擊耐受電壓

3.2 高壓電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度高海拔修正

參考表3 的結(jié)論，對(duì)表4、表5、表6 中的參數(shù)進(jìn)行修正，可以得出下表7、表8 所示結(jié)論。

表7 設(shè)備1 分鐘工頻耐受電壓有效修正值

表8 設(shè)備雷電沖擊耐受電壓修正值

從上表可以看出，當(dāng)設(shè)備安裝區(qū)域的海拔高度在2500m 以上時(shí)，工頻耐壓修正值及沖擊耐壓修正值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海拔為1000m 時(shí)候的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)值，由此也印證了對(duì)海拔高度進(jìn)行修正的必要性。同時(shí)，上述值并未考慮安裝區(qū)域的污穢等級(jí)、設(shè)備運(yùn)行重要性等因素，建議在實(shí)際應(yīng)用中具體考慮，可以將絕緣等級(jí)提高一級(jí)。

對(duì)于35kV 設(shè)備的外絕緣試驗(yàn)電壓，《國(guó)家電網(wǎng)公司物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(2009 年版)高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范(第二批)》中曾給出較為詳細(xì)的規(guī)定，結(jié)合各工程的具體情況，實(shí)際選用的耐受實(shí)驗(yàn)電壓要比上文所闡述的高一些。

川藏鐵路拉薩南變電所海拔約為4450m 左右，除為川藏鐵路供電以外，遠(yuǎn)期規(guī)劃需考慮拉日鐵路改造，預(yù)留一回饋線(xiàn)，因此，該變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣耐受強(qiáng)度建議提高一級(jí)選取，如表9 所示。

表9 拉薩南變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備耐受電壓

本表僅針對(duì)川藏鐵路27.5kV 牽引變電設(shè)備的選擇進(jìn)行了修正，對(duì)于220kV 設(shè)備，可依照表3 進(jìn)行修正。

4 小結(jié)

在川藏鐵路的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，我院做了大量工作，嚴(yán)格執(zhí)行工程建設(shè)強(qiáng)制性條文規(guī)定。通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中對(duì)海拔修正系數(shù)的不同規(guī)定，最終采用了綜合修正系數(shù)的方法，更好地平衡了電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣的安全性和經(jīng)濟(jì)性。拉薩南變電所為此后高海拔區(qū)域變電所建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)，也為川藏鐵路供配電工程建設(shè)提供了有益借鑒。

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