亞吉鐵路牽引變電所進線相關電氣參數的研究

張效楠，嚴 希

0 引言

亞吉鐵路（埃塞俄比亞—吉布提鐵路）全長743 km，設計時速120 km，是埃塞俄比亞乃至東非腹地物資進出口主要通道，是埃塞俄比亞中部地區與西部、東部地區經濟、交通走廊的中軸。亞吉鐵路對構建和促進埃塞俄比亞鐵路網建設具有積極的示范和先導作用[4]。

亞吉鐵路（Sebeta-Mieso 段）沿線為牽引變電所供電的外部進線電源電壓等級為132 kV/230 kV，而我國外部電網無此電壓等級，設計時無法從相關標準或規范中查詢到電氣安全凈距等相關參數。因此，在牽引變電所電氣工程設計過程中，需參考電力工程設計手冊及IEC 相關標準重新計算并校驗電氣安全凈距和導線相間距等參數。

1 電氣安全凈距參數及計算

常用的電氣安全凈距參數如表1 所示。

表1 常用電氣安全凈距參數及適用范圍

1.1 B.1及B2值的確定

B1和B2值的確定如式（1）、式（2）所示。

以上兩式中，B1值主要是指帶電部分對柵欄和運輸設備的外廓至無遮攔帶電部分之間的安全凈距。一般運行人員手臂誤入柵欄時的臂長不大于750 mm，設備運輸時的擺動也在750 mm范圍內。此外，導線垂直交叉且要求不同時停電檢修時，檢修人員在導線上下的活動范圍也不超過 750 mm[1]；B2值為帶電部分對網柵的凈距，一般運行人員手指誤入網柵時的指長不大于70 mm，另考慮30 mm的施工誤差[1]。

1.2 C 值的確定

C 值的確定如式（3）所示。

C值為無遮攔裸導體至地面之間的安全凈距，即當人舉手時，手與帶電裸導體之間的凈距不小于A1值，一般運行人員舉手后的總高度不超過2 300 mm，另考慮室外配電裝置場地的施工誤差200 mm。在積雪嚴重地區，還應考慮積雪的影響，該距離可適當加大[1]。

1.3 D 值的確定

D 值的確定如式（4）所示。

D值為兩組平行母線之間的安全凈距，當一組母線帶電，另一組母線停電檢修時，在停電母線上進行作業的檢修人員與相鄰帶電母線之間的凈距不應小于A1值，一般檢修人員的工具活動范圍不超過1 800 mm，因室外條件較差，再加200 mm的裕度。此外，要求帶電部分至圍墻頂部和建、構筑物邊沿部分之間的凈距不小于D值，這是考慮到當有人爬到上述建、構筑物頂部時不致觸電[1]。

1.4 A1及A2值的確定

由式（1）—式（4）可知，B1、B2、C及D值均與A1值有直接關系。變電所設計時，主要導線、設備布置時參考的電氣安全凈距參數為A1與A2，其值可通過查詢IEC 60071-1-2011 得到。

2 亞吉鐵路牽引變電所相關電氣參數確定

2.1 進線電源電壓等級為132 kV/230 kV 時的電氣凈距

埃塞俄比亞外部電網電壓等級為132 kV/230 kV，我國現行標準無相關的電氣安全凈距參數，需查詢IEC 相關標準后再計算確定。

2.1.1 設備最高電壓的確定

根據IEC 60038-2009（標準電壓等級），標準電壓等級132 kV 對應的最高工作電壓為145 kV，標準電壓等級230 kV 對應的最高工作電壓為245 kV，如表2 所示（注：表中數值為線電壓；括號中給出的為非優選數值，建議在未來新建系統中不采用這些數值）。

表2 標準電壓等級與設備最高電壓 kV

2.1.2 雷電沖擊耐受電壓的確定

根據IEC 60071-1-2011（絕緣配合 定義、原則和規則），結合埃塞俄比亞當地電網的實際情況及設備選型經濟性，最高電壓等級145 kV 對應額定雷電沖擊耐受電壓取值為650 kV；最高電壓等級245 kV 對應額定雷電沖擊耐受電壓取值為950 kV，如表3 所示。

表3 設備最高電壓等級與額定雷電沖擊耐受電壓 kV

2.1.3 A1和A2值的確定

根據IEC 60071-1-2011 的規定，帶電部分至接地部分之間的安全凈距A1值為導體對架構的最小凈距，不同相帶電部分之間的安全凈距A2值為棒對架構的最小凈距[3]，相關參數如表4 所示。

表4 安全凈距A1和A2值

根據上述分析可知，132 kV額定電壓對應的雷電沖擊耐受電壓為650 kV，其對應的棒對構架的最小凈距A1= 1 300 mm，導線對架構的最小凈距A2= 1 300 mm；230 kV額定電壓對應的雷電沖擊耐受電壓為950 kV，其對應的棒對構架的最小凈距A1= 1 900 mm，導線對架構的最小凈距A2=1 700 mm。

2.1.4 安全凈距的計算

根據2.1.3 節所述，可得額定電壓132 kV對應的帶電部分至接地部分之間的安全凈距A1= 1 300 mm，不同相帶電部分之間的安全凈距A2= 1 300 mm；額定電壓230 kV對應的帶電部分至接地部分之間的安全凈距A1= 1 700 mm，不同相帶電部分之間的安全凈距A2= 1 900 mm，同時根據第1 節中的相關計算式可得額定電壓132 kV和230 kV時對應的B、C、D值如表5 所示。

表5 安全凈距相關參數 mm

2.2 進線電源電壓等級為132 kV/230 kV 時的導線相間距

2.2.1 相間距計算

式中：D為兩組平行母線之間的安全凈距，mm；Ax-x為不同相帶電部分之間的最小電氣距離，mm；f1為絕緣子串弧垂，mm；f2為導線弧垂，mm；α1為絕緣子串風偏搖擺角；α2為導線風偏搖擺角；d為導線分裂間距，mm；r為導線半徑，mm；f為跨距中絕緣子串和導線的總弧垂，mm；l為跨距中水平投影長度，mm；l1為跨距內導線水平投影長度，mm；Qi為各種狀態時的絕緣子串單位長度質量，kg/m；qi為各種狀態時的導線單位長度質量kg/m；Q4為絕緣子串承受的風壓，N；q4為導線單位長度所承受的風壓，N/m；Q1為絕緣子串質量，kg；q1為導線單位長度質量，kg/m。

2.2.2 參數確定

（1）牽引變電所外電進線導線、絕緣子串及其余基礎數據。

在亞吉鐵路牽引變電所設計過程中，根據牽引供電系統相關參數，選取進線導線型號為JL/G1A-300/50。根據沿線氣象資料，9 座牽引變電所所處地區為重污穢區。根據GB/T 26218-2010 中相關定義，不同污穢等級下的參考統一爬電比距（RUSCD）如表6 所示。

表6 統一爬電比距

由表6 可知，重污穢區（e 區）絕緣子串的統一爬電比距為53.7 mm/kV。由此可得額定電壓132 kV 時的爬電距離為145 kV/×53.7 mm/kV =4 495 mm，額定電壓230 kV 時的爬電距離為245 kV/×53.7 mm/kV = 7 595 mm。根據現場實際情況并查詢樣本，確定絕緣子串型號為耐污盤形懸式瓷絕緣子，型號為XWP-240。絕緣子串的相關參數如表7 所示。

表7 絕緣子串相關參數

由表7 可得單片絕緣子串的公稱爬電距離為525 mm，故額定電壓132 kV 電源進線的絕緣子串基準片數為N = 4 495 mm/525 mm≈9；額定電壓230 kV 電源進線的絕緣子串基準片數為N = 7 595 mm/525 mm≈15。考慮耐張零值絕緣子2 片，最終可得額定電壓132 kV 時耐張絕緣子串為11 片；額定電壓230 kV 時耐張絕緣子串為17 片。

根據上述牽引變電所外部電源進線導線及絕緣子串型號，查詢設計手冊及相關設計圖紙后得出導線間相間計算式中相關參數，如表8 所示。

表8 導線相間距計算參數

（2）相間距計算過程。

額定電壓等級132 kV 時，將2.2.2 節相關參數代入2.1.1 節的相關計算式中計算可得：

即D≥2 565 mm

額定電壓等級230 kV 時，將2.2.2 節相關參數代入2.1.1 節的相關計算式中計算可得：

即D≥3 197 mm

在實際工程中，考慮適當的裕量可取：

U = 132 kV 時，D = 3 000 mm；U = 230 kV 時，D = 4 000 mm。

2.2.3 實際工程應用

實際工程應用中，因部分參數取值較為困難，考慮最極端情況，也可按下列規程公式計算：

其中：f 為跨距中絕緣子串和導線的總弧垂，cm；對于銅及青銅線，K = 7.5；對于鋁、鋁合金及鋼芯鋁線，K = 10。

將相關參數代入規程公式可得：

U = 132 kV 時，D≥2 714 mm；U = 230 kV 時，D≥3 278 mm。

在實際工程中，考慮適當的裕量可得：

U = 132 kV 時，D = 3 000 mm；U = 230 kV 時，D = 4 000 mm。

3 結語

亞吉鐵路（Sebeta-Mieso 段）9 座牽引變電所的外部進線電源為132 kV/230 kV 電壓等級。根據相關的IEC 規范、電力工程設計手冊重新計算電氣安全凈距及進線導線相間距。可以看出，132 kV進線電源的電氣參數需重新計算，可參考本文計算結果，230 kV 進線電源電氣參數可直接參考、沿用國內220 kV 進線電源的牽引變電所方案進行設計、建設。

我國電氣化鐵路牽引變電所的外部進線電源多為110 kV 或220 kV，相關電氣參數在國標或電力行業標準中均可查詢。但在國外，很多國家和地區的外部電網電壓等級標準與我國不同，在相關國家進行電氣化鐵路工程建設時，不能直接套用國內的牽引變電所設計模式以及電氣參數取值，需根據相關規范和電氣工程設計手冊對所在國家或地區的牽引變電所外部進線電源的相關電氣參數重新計算。