西藏霍爾220 kV變電站電氣一次設計總結

蔣 春，先馳宇，丁 唯，楊 韜

(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 600021)

0 引言

阿里與藏中電網聯網工程是迄今為止世界上海拔最高、最具挑戰性的輸變電工程，氣象環境惡劣，道路交通艱險，后勤保障困難，環保要求嚴格，是繼青藏電力聯網、川藏電力聯網、藏中電力聯網工程3條“電力天路”之后，國家電網有限公司建設的又一項突破生命禁區、挑戰生存極限的世界超高海拔、超大難度的輸變電工程。霍爾220 kV變電站是該工程海拔最高、溫度最低、氣候條件最惡劣的變電工程之一，在電氣設計方面，霍爾站有其自身獨特的設計特點。

1 工程概況

霍爾站位于西藏自治區阿里地區普蘭縣霍爾鄉幫仁村，位于普蘭縣城東北約70 km處，與霍爾鄉相距約3.0 km。站址西南側有國道G219，南側2.0 km處是瑪旁雍錯湖景區入口，站址距離瑪旁雍錯湖邊約4 km。站內地勢平坦，平均海拔約4 644 m。

本期規模：120 MVA主變壓器1臺；220 kV配電裝置出線2回，其中1回出線裝設1組15 Mvar高壓電抗器；110 kV配電裝置出線1回；35 kV配電裝置出線1回；本期主變低壓側裝設4組4 Mvar低壓電抗器。

遠期規模：120 MVA主變壓器2臺；遠景220 kV配電裝置出線8回；110 kV配電裝置出線10回；35 kV配電裝置出線6回；每臺主變低壓側安裝8組無功補償設備，并各預留1組靜止無功補償裝置(static var compensator，SVC)位置。

220 kV配電裝置遠期8線2變，按雙母線雙分段接線規劃；本期2線1變，采用雙母線接線；220 kV配電裝置采用氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)戶內布置。110 kV配電裝置遠期10線2變，按雙母線雙分段接線規劃；本期1線1變，采用雙母線接線；110 kV配電裝置采用GIS戶內布置。35 kV配電裝置按單母線分段接線規劃，本期采用單母線接線，裝設總回路斷路器；35 kV配電裝置采用充氣式開關柜。

高海拔變電站電氣一次設計主要包括絕緣水平及空氣間隙計算、設備選型及布置、站用電系統、防雷接地、電纜選型及敷設等[1-2]，以下從這幾方面對本工程的設計特點進行總結。

2 絕緣水平及空氣間隙修正

2.1 絕緣水平

目前相關高海拔絕緣修正及空氣間隙修正的規范及設計手冊均只計算到了海拔4 000 m，海拔4 000 m的設計海拔高度已滿足全國大部分地區工程，但是本工程位于西藏阿里地區，場地海拔高度達4 700 m，因此需對本工程的設備絕緣水平及帶電空氣間隙進行專門計算，通過計算對標準值進行修正。

變電站內設備的要求耐受過電壓應以避雷器的保護水平為基礎，乘以配合系數作為配合耐受過電壓，然后乘以海拔修正系數得到要求的設備外絕緣水平。各電壓等級電氣設備在1 000 m及以下海拔高度的絕緣水平見表1所列。

表1 各電壓等級電氣設備標準絕緣水平kV

根據國網基建部印發的《高海拔地區35～750 kV變電站通用設計主要技術原則》規定“高海拔地區設備外絕緣耐受電壓水平按照GB/T 311.1—2012《絕緣配合：第1部分：定義、原則和規則》確定的原則進行修正。確定高海拔變電站設備外絕緣水平時，海拔修正系數可采用公式Ka=eq(H-1000)/8150(H為設備安裝地點的海拔高度，m)進行計算[3]，見表2所列。

表2 海拔修正系數Ka計算結果

表3的計算結果與表1進行對比可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，各電壓等級的絕緣水平均做了較大幅度的修正，對設計制造廠提出了較高的要求，相關設備的價格水平勢必也會提高，需引起設計注意。

表3 修正后電氣設備外絕緣的額定耐受電壓kV

2.2 空氣間隙修正

對于變電站交流空氣間隙要求，一般是按照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。本工程針對不同電壓等級的配電裝置采用以下計算原則：35～220 kV配電裝置雷電沖擊絕緣配合可采用GB/T 50064—2014中的確定性法，35～220 kV高海拔配電裝置空氣間隙由公式d=U50/530計算確定[4]，計算結果見表4所列。

表4 霍爾變電站最小間隙值表

從表4可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，空氣帶電距離修正后取值相比平原地區標準取值有了很大的增加，相關設備干弧距離、絕緣子串設計、構架高寬度設計、配電裝置帶電校驗等需要引起重視。

3 設備選型及布置

3.1 高壓配電裝置選型及布置

高海拔地區空氣稀薄，電氣設備外絕緣性能下降，電氣設備的干弧距離需要加長，外絕緣需要修正，若采用戶外敞開式設備，變電站的占地面積將大大增加，在西藏地區土建工程造價昂貴的情況下，場平、土建等增加費用將超過空氣絕緣敞開式開關設備(air insulated switchgear，AIS)的節省費用。因此，高海拔地區工程高壓配電裝置推薦采用GIS設備。

通常戶外GIS設備應考慮太陽輻射的影響，太陽輻射主要是通過使材料發生光化學降解反應以及使環境變熱等對設備造成影響。具體主要表現為：設備的溫升升高，對設備的通流能力造成影響；影響設備某些橡膠、塑料及環氧樹脂制品的彈性、塑性及造成老化等。因此，強紫外線地區工程推薦GIS設備戶內布置。對于布置于室外的密度繼電器需加裝遮避罩或其它措施避免陽光直射，戶外的復合套管需采用高溫硫化硅橡膠工藝(HTV)，避免采用室溫硫化硅橡膠工藝(RTV)。

在超低溫情況下，SF6氣體液化后無法熄滅高壓電弧，低溫嚴重制約SF6斷路器的安全運行。GIS設備雖然戶內布置，但仍無法保證建筑外墻的保溫效果滿足避免SF6氣體液化的要求。鑒于此，本工程考慮對110 kV及220 kV GIS設備的斷路器室加裝伴熱帶，戶外分支母線及高壓套管采用降低氣壓的方式解決液化問題，氣壓設定為0.4 MPa。

綜上，考慮本工程高海拔、極低溫、強紫外線的環境，本工程110 kV及220 kV高壓配電裝置選用GIS，戶內布置。GIS斷路器室罐體附設伴熱帶以防止低溫環境下SF6氣體液化。

3.2 主變、高抗等含油設備

運行在高寒地區變電站的變壓器和并聯電抗器，需選擇更低凝點的變壓器油，否則無法保證正常運行，或難以實現低溫啟動。本工程極端最低氣溫-41.4℃，因此本工程變壓器類設備用油選擇KI45X克拉瑪依油。

對變壓器設備類的密封橡膠的要求是首先必須具有良好的耐熱性、耐油性，較好的機械強度和適當的彈性，其次要具有良好的耐臭氧、耐紫外線等耐老化性能。本工程變壓器設備類的密封橡膠統一選用具有優異耐紫外線、耐熱、耐油、耐老化性的氟硅橡膠。

3.3 端子箱、匯控柜、控制柜等戶外箱體

低溫環境會影響戶外控制柜內電子組件的正常工作，因此柜內需附帶加熱功能及溫控裝置，當溫度低于零度時自動啟動，保證柜內溫度不低于零度。加熱器功率應能滿足極低溫度下的運行要求，另外柜體也需考慮通風散熱性能。

沙塵進入設備操作機構箱或者端子箱、儀表等處，會影響控制設備的正常功能；飛揚的砂、石沖擊或者打磨設備外表面，損壞設備表面漆層，影響電氣設備的外觀。因此，本工程要求所有的戶外箱體外殼采用不銹鋼或耐蝕鋁合金，公稱厚度不應小于2 mm；柜體表面進行酸洗去脂、烘干、納米陶瓷涂層(帶靜電吸附原理)，對封閉結構的內表面也要噴涂或進行防銹處理；柜體密封采用PU發泡密封材料，機柜的防護等級至少可達IP65。戶外柜采用專用戶外密封膠，耐高溫180℃，耐低溫-45℃，抗老化，阻燃；箱體設置可使箱內空氣流通的迷宮式通風口，并具有防腐、防雨、防風、防潮、防塵和防小動物進入的性能。

3.4 其他

1)高壓電抗器隔聲罩殼采用保溫隔熱罩殼，且為多層結構配置，保溫隔熱功能優于傳統保溫墻板。隔聲罩頂部設置有3%的坡度，具備排水能力，隔聲板外側設置有壓型鋼板，吸隔聲板與壓型鋼板間設置高分子橡膠防水卷材，套管開孔處橡膠卷材翻邊包裹套管一圈，具備較強防水密封功能[1]。

2)復合絕緣設備采用高溫硫化硅橡膠工藝，選用高分子量的甲基乙烯基硅橡膠為原料，主鏈Si-O鍵的鍵能為445 kJ/mol，而紫外線經過大氣臭氧層過濾，能量為300～412 kJ/mol，可以避開強紫外線損傷。

4 站用電系統

本站新建1臺220 kV主變，根據常規設計，可采用1臺站用變+1臺備用變的電源方案，但是該地區地處偏遠，方圓100 km范圍內無可靠電源，常規220 kV站的站用電源設計方案無法滿足本工程的特殊要求。本工程考慮采用1臺站用變+應急電源的方案。

應急電源可采用可快速啟動的柴油發電機組。柴油發電機效率高，可在很短的時間內，通過自動控制裝置啟動供電，操作簡單，經濟性好，是常用的應急備用發電設備。但是考慮本工程所在地理環境，面臨著高海拔、極低溫、邊境油品管控等特殊因素。若采用柴油發電機組作為應急電源，面臨著諸多問題。因此，本工程考慮采用電化學儲能系統作為應急備用電源，由于儲能系統成本較高，一般其僅考慮為I類重要負荷供電。

5 防雷接地

本工程配電裝置區域采用獨立避雷針和構架避雷針對設備做聯合保護，站前區通過在建筑物屋頂設避雷帶做防直擊雷保護[2]。

本工程對保護接地、工作接地和過電壓保護接地采用一個總的接地網，接地網為以水平接地體為主，并采用部分垂直接地極組成復合環形封閉式接地網。水平接地網按不等間距分布，在變電站圍墻內1.5 m處作閉合水平地網。本站季節性凍土深度在1.4～1.6 m，考慮施工難度及開挖工程量，將地網正常埋設(埋深0.8 m)，在接地網周圍及內部交叉節點布置短垂直接地極。水平接地體材料用-60×8 mm鍍鋅扁鋼，垂直接地極用φ70 mm鍍鋅鋼管。

經計算，不采取任何降阻措施時，全站接觸跨步電勢不滿足要求，需采取如下降阻措施：

1)在站區內打7口約100 m的深井，做深井接地；

2)設備和構架周圍鋪設碎石，以提高接觸電位差；

3)防止變電站內外電位轉移，采取必要的電位隔離措施。

6 電纜選型及敷設

本工程氣溫極低，因此高低壓電纜選用阻燃交聯聚乙烯絕緣聚乙烯護套鎧裝電纜(ZR-YJY23)。

電纜敷設總體遵循“分層分溝”布置的原則，高壓電力電纜(35 kV電纜)與低壓電纜(低壓動力與控制、通訊電纜)分溝敷設，各電壓等級均分層敷設。電纜敷設按電壓等級由高到低、由上到下敷設。通訊光纜敷設在電纜溝最底層，放入專門的防火槽盒內。

動力電纜運行過程中容易產生高溫、渦流損耗等現象，火災危險相對較高。與控制電纜混雜在一起敷設，容易導致控制保護系統故障和誤動，甚至全站停電。根據規范要求“當動力電纜與控制電纜或通信電纜敷設在同一電纜溝或電纜隧道內時，宜采用防火槽盒或防火隔板進行分隔”。本工程地處西藏阿里地區，運維檢修工作均極為困難，為進一步減小動力電纜火災情況下對同溝敷設控制電纜的影響，本工程采用了“抽屜式防火隔板及電纜支架系統”。該系統包括帶導軌凹槽的電纜支架、L形抽屜式防火隔板、滾動或滑動機構等。其中電纜支架選用熱固性、阻燃型復合材料制作，外表光潔，機械比強度和比模量大，耐腐蝕、絕緣性能優良、全壽命周期綜合效益高。其中抽屜式防火隔板系模塊化產品，安裝拆卸僅需推入或抽出，可根據需要調整數量并可沿電纜溝依次拼接，避免了現場切割與焊接安裝，簡化了現場工作量，提高了施工效率，安裝后整潔美觀，并且有利于電纜安全運行。

7 結語

本工程地處西藏阿里地區，設備選型及布置均需考慮低氣壓、極低溫、強紫外線、大風沙等地理環境因素。本文本主要從絕緣配合、空氣間隙計算、設備選型及布置、站用電系統、防雷接地、電纜選型及敷設這幾方面設計特點進行了歸納總結，可供類似環境條件地區工程參考設計。