高原型架空出線27.5kV氣體絕緣開關設備設計研究

陳 剛 王 健 黃協平

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.常州賽爾克瑞特電氣有限公司， 常州 213033)

高原型架空出線27.5kV氣體絕緣開關設備設計研究

陳 剛1王 健1黃協平2

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.常州賽爾克瑞特電氣有限公司， 常州 213033)

高海拔地區環境條件對電氣開關設備的電氣性能影響較大，通常需要根據高海拔環境條件對電氣設備重新設計以滿足高原地區使用要求,設備的造價將大幅增加。為設計出適合高海拔地區電氣化鐵路使用的27.5 kV電氣開關設備，文章詳細分析了高海拔地區環境條件對電氣開關設備的影響，提出了高海拔地區27.5kV開關設備采用不受海拔高度影響的氣體絕緣開關柜，同時將開關柜出線方式由電纜出線調整為架空出線的設計方案。并通過理論分析、數值計算、結構設計、仿真研究等方法，設計出了高原型架空出線27.5kV氣體絕緣開關柜，進行了樣機制造，通過了高海拔試驗驗證，為今后高原地區電氣化鐵路設計和電氣設備選型提供了參考依據。

高海拔； 絕緣水平； 27.5 kV開關設備； 27.5 kV氣體絕緣開關柜； 架空出線； 絕緣套管

1 引言

根據國家標準，高壓開關產品適用的海拔環境為1 000 m及以下，超過1 000 m以上海拔高度的電氣產品都需使用高原型產品，針對高海拔環境條件對產品進行調整、改進和設計，使其滿足高原的特殊環境條件。海拔在 3 500 m以上地區，一般的高原型電氣設備外絕緣水平已經不能滿足絕緣要求，為此需選用提高一個電壓等級的電器設備，工程投資大幅增加。

針對高海拔地區鐵路牽引供電設備的特殊運行環境，綜合考慮高海拔氣候條件對電氣設備性能的影響牽引變電所27.5 kV側開關設備不同的布置形式及進出線方式在高海拔地區使用上的差異情況，專門研制了一種適用于高海拔5 000 m以下地區的27.5 kV氣體絕緣架空出線開關設備。

2 高海拔環境條件對27.5 kV電氣開關設備性能的影響

2.1 空氣密度和濕度對絕緣配合海拔修正的影響

空氣間隙的閃絡電壓取決于空氣中的絕對濕度和空氣密度。絕緣強度隨溫度和絕對濕度增加而增加，隨空氣密度減小而降低。濕度和周圍溫度的變化對外絕緣強度的影響通常會相互抵消。因此，電氣設備外絕緣的絕緣配合海拔修正僅考慮空氣密度的影響。

在海拔0～5 000 m范圍內，海拔每升高1 000 m，氣壓降低約7.7～10.5 kPa，外絕緣電氣強度降低約8%～13%[1]。對于使用在海拔高于1 000 m處的設備，為了在1 000 m海拔以下地區對電氣設備做絕緣試驗，應對試驗電壓值進行修正，修正公式如下：

U=KaU0

(1)

(2)

式中：U——用于高海拔地區的高壓電氣設備在海拔1 000 m以下地區試驗時的耐受電壓(kV)；

U0—高壓電氣設備的額定耐受電壓(kV);

Ka——海拔修正系數;

H——設備安裝地點的海拔高度(m)；

m——空氣密度修正指數，對于工頻、雷電沖擊電壓，m=1。

根據27.5 kV電氣設備額定絕緣水平[2]和式(2)計算的海拔修正系數Ka，用公式(1)計算出的27.5 kV電氣設備外絕緣水平按海拔1 000 m為一檔進行分級的短時工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓分別見表1和表2。

表1 27.5 kV設備外絕緣短時工頻耐受電壓(有效值)(kV)

表2 27.5 kV設備外絕緣雷電沖擊耐受電壓(峰值)(kV)

2.2 空氣溫度降低及溫度變化增大的影響

平均空氣溫度和最高空氣溫度均隨海拔升高而降低，環境空氣溫度的補償值一般為0.5 K/100 m。表3給出了我國電力部門實地研究所采集的溫度與海拔高度的關系。一般情況下，高原環境空氣溫度的降低可以部分或全部補償因氣壓降低而引起電工產品運行中溫升的增加。

表3 海拔高度與溫度的關系

高海拔地區晝夜溫差大，溫度變化快，設備外絕緣表面容易產生凝露，絕緣強度急劇下降，極易產生運行電壓的絕緣閃絡。

另外高海拔地區熱輻射及紫外線強度較低海拔地區增加較大。熱輻射對物體起加熱作用，引起戶外電氣產品表面溫升增加，降低有機絕緣材料的性能，使材料變形、產生機械熱應力。紫外線則會使空氣容易電離，加速了裸露在外的絕緣材料老化、變形，使得電氣設備容易出現絕緣破壞等問題。

2.3 高海拔地區27.5 kV電氣設備選型

我國既有鐵路牽引變電所27.5 kV側開關設備在低海拔地區常采用戶外單體布置、戶內雙列網柵布置及空氣開關柜等布置形式[3]，均以空氣作為絕緣介質，全部電氣元件及導體均裸露在空氣中，其外絕緣性能受空氣絕緣強度的限制。在27.5 kV的額定電壓下，隨著海拔高度的升高，設備外絕緣水平及最小空氣間隙需要修正加大以滿足絕緣要求，使得設備的體積及布置間隔變得龐大，制造工藝復雜，制造成本大幅增加，目前市場上能夠滿足海拔3 500～5 000 m使用的27.5 kV的空氣開關柜的價錢要高于常規海拔使用的27.5 kV的充氣開關柜的價格。另外，由于高海拔地區溫差增大及熱輻射、紫外線強度增強，使得裸露在外的開關設備容易出現絕緣破壞、閃絡跳閘等問題，需要定期檢修維護。

氣體絕緣開關柜主要的一次設備如斷路器、隔離開關、母線、電流互感器等均安裝于以SF6氣體作為絕緣介質的密封箱體內，不受外界環境的影響[4]，依靠氣體的高絕緣特性和氣箱的良好密封性，可使設備20年不需要維護。在任一海拔處，充氣開關柜的內絕緣特性都是相同的，不需要進行海拔修正。能夠很好的適應高海拔地區使用環境。因此在高海拔地區應用越來越廣泛。目前國內外常用的氣體絕緣開關柜均采用高壓電纜出線方式，柜體典型設計如圖1所示。

圖1 27.5 kV氣體絕緣電纜出線開關柜典型設計圖

柜體主要由氣箱、儀表箱、底框及高壓電纜插拔口4個部分組成。氣箱位于開關柜上部，斷路器、高壓母線、互感器等一次設備均布置于氣箱中。高壓電纜插拔口位于氣箱的底部，高壓電纜通過插拔式電纜終端與開關柜內母線連接。

由于電力電纜采用絕緣介質將金屬導體與外界隔離，敷設在地面或地下，主要優點敷設較方便，占用土地資源較少，不影響城市市容，因此電纜出線形式在大城市中心地區的鐵路牽引變電所內廣泛使用。但電力電纜一次性投資大，且附件的安裝工藝要求非常嚴格，對作業環境和現場施工場所的要求高，一旦現場施工對電纜附件的安裝重視不夠，就會留下事故隱患。在高海拔地區，電纜附件也需要進行高海拔電氣參數修正，且高海拔地區牽引變電設施運輸維護道路極為有限，一旦電纜附件出線故障，其停電檢修的時間將大幅增加，將嚴重影響鐵路正常安全運行。

相比高壓電纜，架空線是裸露的金屬導體，在空中架設，以絕緣子串固定在桿塔上，以空氣為絕緣，投資成本低、機動性強、故障概率低、故障后便于檢修更換，因此架空出線布置形式能夠更好的適用于高海拔地區。

3 27.5 kV氣體絕緣架空出線開關設備設計方案

針對高海拔地區特殊使用環境專門設計的架空出線27.5 kV氣體絕緣開關柜各功能柜體設計，如圖2～圖4所示。

圖2 進線柜示意圖(mm)

圖3 母線電壓互感器、避雷器柜示意圖(mm)

圖4 母線隔離柜示意圖(mm)

各功能柜體主要由氣箱、儀表室、底框及絕緣套管4個部分組成。氣箱按各柜型的功能及主要組成部分可分為：母線室、斷路器室、三工位隔離開關(包括母線或母線的一部分)室等獨立的氣室，出線絕緣套管位于氣箱的頂部。斷路器室內有內置式電流互感器、斷路器和連接排。母線室內有A、B兩組母線，通過三工位隔離刀與斷路器室內回路相連，母線室可根據需要配插接式電壓互感器和插接式氧化鋅避雷器。

各柜體結構模塊化，通過組合可以滿足各種主接線的要求及各種不同使用場合的需要。充氣開關柜在制造廠總體裝配、調試、整體運輸，到現場后成套吊裝就位，現場安裝時可不涉及SF6氣體的處理。

4 專用架空出線絕緣套管設計

高原型架空出線27.5 kV氣體絕緣開關柜其柜內設備僅是元器件安裝布置位置發生變化，其柜內元器件的絕緣性能不發生變化。需要進一步特殊設計的是高原型架空出線絕緣套管，它承擔對地絕緣和固定引線的作用，其綜合性能對成套設備的高壓試驗及運行可靠性具有重要的意義。我們專門設計了一款滿足海拔5 000 m使用的出線絕緣套管，如圖5所示。

圖5 出線絕緣套管示意圖

架空出線絕緣套管對地絕緣分為外絕緣和內絕緣兩部分。外絕緣設計就需要考慮架空出線絕緣套管的干閃距離、爬電距離、傘形等因素；內絕緣設計的重點主要為接地內屏蔽電極的設計，保證電場分布均勻和各種工況下的場強在允許值之內。

4.1 架空出線絕緣套管外絕緣設計計算

(1) 絕緣套管干閃距離的海拔修正計算

根據上述表1及表2中的數據，出線絕緣套管外絕緣在海拔1 000 m及以下需要滿足的絕緣水平為：1 min工頻耐受電壓試驗95 kV 、雷電沖擊耐受電壓試驗200 kV。當設備安裝在海拔 5 000 m地區時，1 min工頻耐受電壓修正值為155 kV ；雷電沖擊耐受電壓修正值為 326 kV。

借鑒大氣中瓷件閃絡電壓分布的標準偏差值，對出線絕緣套管外絕緣距離根據海拔 5 000 m修正后的雷電沖擊耐受電壓、1 min工頻耐受電壓進行計算[5]。

工頻干閃耐受電壓：

Ug=(2.9Lg1+25)×(1-3.08σ1)

(3)

雷電沖擊電壓耐受值：

Uth=(5.7Lg2+20)×(1-3.08σ2)

(4)

式中：Lg1、Lg2——工頻及雷電沖擊電壓下的絕緣子外部干閃距離(cm)；

σ1——1 min工頻電壓下閃絡電壓分布標準偏差，取σ1=5%；

σ2——雷電沖擊電壓下閃絡電壓分布標準偏差，取σ2=3%。

根據式(3)取Ug=155 kV ，則Lg1=54.4 cm；

根據式(4)取Uth=326 kV，則Lg2=59.4 cm。

因此取架空出線絕緣套管的外絕緣干閃距離設計基準為：Lg=60 cm 。

(2)絕緣套管爬電距離的海拔修正計算

TB/T 2805-1997《電氣化鐵道牽引變電所供電設備絕緣水平》規定污穢水平與最小公稱爬電比距關系見表4。

表4 污穢水平與最小公稱爬電比距關系

為了保證運行可靠，留有足夠的設計余量，其爬電比距設計基準選取22 mm/kV。

表5 海拔高度對應的絕對濕度關系

根據表5可知，海拔5 000 m絕對濕度1.77 g/m3，濕度較海拔1 000 m以下有所降低，沿面閃絡起始電壓也降低，因此需要增大爬距，參考《濕度對絕緣表面工頻閃絡電壓的影響》中數據，支柱絕緣子在絕對濕度1.77 g/m3時的工頻閃絡電壓為255 kV，絕對濕度11 g/m3中的最高工頻閃絡電壓是310 kV，則由于濕度的下降，工頻閃絡電壓下降最大系數為310/255=1.22，設計基準選取1.3[6]。因此，海拔5 000 m處的出線絕緣套管外絕緣表面的爬距基準值取：31.5 kV×22 mm/kV×1.3=900.9 mm。

(3)絕緣套管傘形及屏蔽極的設計

絕緣套管的上半部分用大中小三種傘徑間隔，高低傘裙錯落，來增加滑閃有效距離；而絕緣套管的下半部分，為了配合接地內屏蔽而采用小傘，且傘根往外延伸來降低傘面場強，如圖6所示。

圖6 絕緣套傘群示意圖

在套管內部設置接地內屏蔽環來均衡出線絕緣套管下端的電位和場強分布，降低接地內屏蔽環端部的場強，從而間接降低其對應外傘裙處的場強，避免傘裙下端對地出現閃絡放電現象，有效的改善了架空出線絕緣套管的電場分布情況，增大了架空出線絕緣套管的外部干閃有效距離，從而提高了架空出線絕緣套管的絕緣水平。

4.2 架空出線絕緣套管內絕緣設計計算

對在SF6氣體中的絕緣套管部分進行結構設計時，考慮更多的是電場分布的均勻性，以及絕緣件表面場強。為了滿足設計要求，絕緣件各處最大場強需要限制在允許值之內。

考慮到SF6氣體負極性的沖擊系數，雷電沖擊擊穿的沖擊系數為1.4，高于操作沖擊的1.05和工頻耐壓的1.0，計算時僅采用雷電沖擊耐受電壓值進行計算和分析。在某一壓強p(絕對值)下，導體及屏蔽罩表面雷電沖擊負極性電壓擊穿場強EB按照式(5)計算：

EB=(63p+2.4)×(1-3σ)

(5)

式中：EB——導體及屏蔽罩表面雷電沖擊負極性電壓擊穿場強(kV/mm)；

σ——雷電沖擊電壓下閃絡電壓分布標準偏差，取σ2=5%；

p—最低氣壓強度(MPa)。

文中所分析絕緣套管運行的SF6氣體封閉氣箱的最低氣壓絕對值為0.11 MPa，按式(5)計算得出，工程擊穿場強為：EB=7.93 kV/mm。SF6氣體中，雷電沖擊耐受試驗電壓下，絕緣件表面允許場強Eτ按照式(6)計算：

Eτ=(0.85×EB)/2

(6)

式中：Eτ——絕緣件表面允許場強(kV/mm)。

根據式(6)計算得氣體壓力為0.11 MPa時 SF6氣體中絕緣件表面允許場強Eτ=3.37 kV/mm 。

根據上述計算結果，套管整體設計如圖7所示。

圖7 出線絕緣套管結構示意圖

絕緣套管由導電棒、環氧樹脂、接地屏蔽環和固定嵌件組成。它一端在SF6氣體中，一端裸露在空氣中。外絕緣部分采用大小相間傘裙，干閃距離600 mm，爬電距離1 350 mm；內絕緣部分采用“矮胖”形結構，增加接地內屏蔽來均勻電場。

設計完成后，依據相關國家標準進行試驗驗證，計算分析結果和試驗實測結果吻合，驗證了架空出線絕緣套管設計方案的合理性。

5 結束語

本文分析了高海拔地區環境條件對27.5 kV開關設備性能影響及高海拔地區27.5 kV電纜及附件使用存在的問題，結合了高海拔地區特定的環境、使用需求、運營維護的需要，推薦高海拔地區27.5 kV開關設備采用不受海拔高度影響的氣體絕緣開關柜，同時將開關柜出線方式由電纜出線調整為架空出線。對27.5 kV架空出線氣體絕緣開關柜進行方案設計，調整內部元器件安裝布置方式，并對架空出線套管進行海拔5 000 m電氣參數計算和研究，使之滿足高海拔環境使用需求。根據研究結果進行了樣機的制造，并依據國家標準進行型式試驗和高海拔試驗驗證，通過驗證得出計算分析結果和試驗實測結果相吻合，證明設計方案是合理可行的。

高原型架空出線27.5 kV氣體絕緣開關設備的成功研發有利于提高高原地區電氣化鐵路運行的可靠性，減少電氣設備故障概率，降低電氣設備故障對行車的影響，減少運營維護工作量。為電氣化鐵路在高原地區的推廣和運用提供了技術支持。

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Design Research on Overhead Outlet 27.5 kV Gas Insulated Switchgear

CHEN Gang1WANG Jian1HUANG Xieping2

(1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd, Chengdu 610031;2. Changzhou Self-creation Electrical Co.,Ltd, Changzhou 213033，China)

High altitude area environmental conditions have a great influence on the electrical performance of the electrical switchgear. It usually needs to be redesigned to meet the use at high altitude environment, and the Manufacturing costs increased significantly. In order to design the 27.5 kV electric switchgear suitable for high altitude areas, the paper analyzes the influence of environmental conditions on the electrical switchgear in high altitude areas and puts forward the use of the 27.5 kV cubicle type gas insulated switchgear which Not influenced by altitude . Through theoretical analysis, numerical calculation, structural design, simulation research and other methods, the 27.5 kV overhead wires connecting cubicle type gas insulated switchgear is designed. Based on the results of the research, the manufacture of the prototype is made, and the high altitude test is carried out, which provides a better choice for the switching device selection of the traction power supply system in high-altitude uses.

high altitude; insulation level ; 27.5 kV switchgear; 27.5 kV gas insulated switchgear; overhead outlet; insulated bushing

2015-09-05

陳剛(1977-)，男，高級工程師。 基金項目：中鐵二院工程集團有限公司科研項目《高原型架空出線27.5 kV單相GIS充氣柜研究及應用》(計劃號14126113(14-15))

1674—8247(2016)02—0024—05

U224.2

A