高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)外絕緣設(shè)計探討

王 強

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

隨著西部地區(qū)建設(shè)的飛速發(fā)展和《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)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(xù)建成。這些線路通過地區(qū)沿線自然條件復(fù)雜、惡劣,屬高原高寒地區(qū)。

高原地區(qū)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(qū)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(shè)備電氣性能下降,影響設(shè)備絕緣形式的選擇。另外,到目前為止,現(xiàn)有接觸網(wǎng)設(shè)備在高原地區(qū)應(yīng)用的檢測、檢驗、試驗標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。

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

2 高原環(huán)境對接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓的影響

對于接觸網(wǎng)設(shè)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(yīng)用于高原地區(qū)時均需進行海拔校正。因此,接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓的海拔校正可參照《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》(GB311.1—1997)、《特殊環(huán)境條件高原用高壓電器的技術(shù)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(guī)定的修正方法、校正因數(shù),并借鑒青藏線科研成果進行海拔校正計算。

(1)GB311.1規(guī)定的海拔校正因數(shù)

GB311.1—1997第3.3條 “對用于海拔高于1000m,但不超過4000m處的設(shè)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(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定耐受電壓乘以海拔校正因數(shù) Ka”和第3.5條“設(shè)備適用的電力系統(tǒng)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(tǒng)或有效(直接)接地系統(tǒng),最高電壓 126kV及以上應(yīng)為有效(直接)接地系統(tǒng)”的要求,牽引供電系統(tǒng)設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的各項耐受電壓應(yīng)按額定耐受電壓乘以海拔校正因數(shù)進行。

校正因數(shù)

式中,H為設(shè)備安裝地點的海拔,m。

(2)GB/T20635—2006規(guī)定的海拔校正因數(shù)

GB/T20635—2006第5.1條“外絕緣強度的高海拔校正因數(shù)”規(guī)定,高海拔高壓電器設(shè)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(shù)

式中,m為修正指數(shù)。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(dāng) m=1.0時,GB/T20635—2006海拔校正因數(shù)與 GB311.1—1997沒有本質(zhì)上的區(qū)別,僅工頻、操作沖擊濕試電壓略有減小。

(3)TB/T3199.1—2008規(guī)定的海拔校正因數(shù)

《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(shù)表”直接明確了使用于高原地區(qū)的接觸網(wǎng)棒式絕緣子的各項耐受電壓海拔校正因數(shù),具體數(shù)值參見表1。

(4)青藏線科研成果中有關(guān)的海拔校正因數(shù)

《電力線路桿塔基礎(chǔ)及防雷接地試驗研究——青藏線電力線路試驗研究》關(guān)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(shù),具體數(shù)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(shù)

表2 青藏線科研成果中耐受電壓海拔校正因數(shù)

(5)接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓海拔校正因數(shù)的選取

根據(jù)上述耐受電壓海拔校正因數(shù)的不同規(guī)定,高原地區(qū)耐受電壓海拔校正因數(shù)選用見表3。

表3 設(shè)備耐受電壓海拔校正因數(shù)

綜合上述耐受電壓海拔校正因數(shù)的計算規(guī)定,考慮高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境和現(xiàn)行規(guī)范體系的具體應(yīng)用情況,經(jīng)計算分析,建議高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的耐受電壓校正因數(shù)選用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系中的較大值,即:一般按 GB311.1—1997規(guī)定的海拔校正因數(shù),接觸網(wǎng)棒式絕緣子耐受電壓海拔校正因數(shù)按鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用。

3 高原環(huán)境對接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙的影響

接觸網(wǎng)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(shè)計規(guī)范》(GB50061—97)、《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》(TB10009—2005)規(guī)定的修正方法進行海拔校正計算。

(1)GB50061—97規(guī)定的海拔校正因數(shù)

GB50061—97第5.0.8條規(guī)定,“海拔超過1000m地區(qū),海拔高度每增加 100m,內(nèi)過電壓和運行電壓的最小間隙,應(yīng)按規(guī)定的數(shù)值增大 1%”,即輸電線路外絕緣空氣間隙的海拔校正因數(shù)等同于

式中,H為輸電線路經(jīng)過地區(qū)的海拔。

(2)TB10009—2005規(guī)定的海拔校正因數(shù)

TB10009—2005第5.3.2條“接觸網(wǎng)的空氣絕緣間隙不應(yīng)小于表5.3.2的規(guī)定”“在高程大于1000m的地區(qū),表5.3.2中所列空氣絕緣間隙值應(yīng)進行修正”,參考條文說明,修正系數(shù)為

式中,H為安裝地點的海拔。

(3)青藏線科研成果中有關(guān)的海拔校正因數(shù)

《高低壓電力設(shè)備高原適用性試驗研究—高海拔對 27.5kV和 35kV系統(tǒng)空氣絕緣間隙影響的試驗研究》提出了高原環(huán)境電氣化鐵路空氣絕緣間隙的海拔校正因數(shù),具體數(shù)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(shù)

(4)接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙海拔校正因數(shù)的選取

根據(jù)上述空氣絕緣間隙海拔校正因數(shù)的不同規(guī)定,空氣絕緣間隙海拔校正因數(shù)選用見表5。

表5 空氣絕緣間隙海拔校正因數(shù)

由表5可見,青藏線科研成果和 TB10009—2005規(guī)定高原地區(qū)空氣絕緣間隙海拔校正因數(shù)差別不大。綜合考慮鐵路現(xiàn)行規(guī)范體系的具體應(yīng)用情況,建議高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的空氣絕緣修正時按TB10009—2005規(guī)定選用海拔校正因數(shù)。

4 高原環(huán)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(guān)系

絕緣泄露距離同絕緣子污耐受電壓一般呈線性關(guān)系,即污耐受電壓與氣壓呈線性關(guān)系。國內(nèi)外對高海拔地區(qū)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(luò)電壓或耐受電壓與氣壓成冪函數(shù)關(guān)系,其冪指數(shù)或氣壓影響特征指數(shù) n反映了高海拔下污穢閃絡(luò)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(luò)電壓或耐受電壓,kV;U0為標(biāo)準(zhǔn)參考大氣壓 P0下污穢絕緣子串閃絡(luò)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(shù)。上式作為電力系統(tǒng)交流輸電線路的高海拔修正方法,引入到《高海拔污穢地區(qū)懸式絕緣子串片數(shù)選用導(dǎo)則 》(DL/T562—95)。

(2)特征指數(shù) n的取值

關(guān)于特征指數(shù) n的取值,國內(nèi)外的研究結(jié)論和 DL/T562—95規(guī)范中的結(jié)論基本一致:試驗發(fā)現(xiàn) n值與電壓形式、絕緣子外形和污穢程度均有關(guān),但至今還無清楚的變化規(guī)律,現(xiàn)有數(shù)據(jù)一般 n值在 0.4～0.8。表6～表8是目前收集到國內(nèi)外試驗得出的 n值的數(shù)據(jù)。

表6 國外學(xué)者推薦的n值

表7 DL/T562—95標(biāo)準(zhǔn)中各種類型懸式絕緣子特性指數(shù) 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(jié)論:n值和絕緣子的幾何形狀以及污穢程度有關(guān)系,由簡單形狀模型上所獲得的 n值比由復(fù)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(luò)現(xiàn)象有關(guān)。經(jīng)分析,瓷絕緣子的 n值一般在 0.4～0.8,復(fù)合絕緣子的特征指數(shù) n數(shù)值較小,一般在 0.3～0.6?？紤]到高原地區(qū)惡劣的自然、氣候條件,接觸網(wǎng)絕緣子的特征指數(shù)n的建議選用表9所示數(shù)值,

表9 絕緣子的特征指數(shù)n的選用值

(3)絕緣泄露距離校正因數(shù)的選取

根據(jù)《高海拔污穢地區(qū)懸式絕緣子串片數(shù)選用導(dǎo)則》(DL/T562—95)確定的計算方法,高原地區(qū)接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣泄露距離校正因數(shù)系數(shù)等效為

式中,P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;P為一定海拔高度時大氣壓;n為特征指數(shù)。

參照《電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 海拔與氣壓、水深與水壓》(GB/T4797.2—2005))中圖1a)“2000m以上海拔高度與標(biāo)準(zhǔn)氣壓之間的對應(yīng)關(guān)系圖”選定高原地區(qū)的平均氣壓,建議高原地區(qū)接觸網(wǎng)絕緣泄露距離的校正因數(shù)選用見表10所示。

5 青藏線西格段的工程應(yīng)用

青藏線西格段位于青海省境內(nèi),青藏高原東北部,平均海拔3000m左右,海拔最高3600m,海拔3000m以上區(qū)段線路約占全線的 80%。西格段電氣化工程中,借鑒上述結(jié)論,進行了相應(yīng)的接觸網(wǎng)外絕緣設(shè)計。

6 結(jié)論及建議

(1)高原環(huán)境下,接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓、空氣絕緣間隙、絕緣泄露距離等均需進行相應(yīng)的海拔校正。

(2)結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和現(xiàn)有研究成果,推薦了高原地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備耐受電壓、空氣絕緣間隙、絕緣泄露距離海拔校正的方法和校正因數(shù)的建議值。

(3)目前高原地區(qū)電氣化鐵路實際運行經(jīng)驗不多,建議在西格段選擇有代表性的區(qū)段對關(guān)鍵接觸網(wǎng)設(shè)備進行監(jiān)測,為高原地區(qū)電氣化鐵路的安全運行、運營維護管理及電氣化設(shè)備產(chǎn)品制造積累經(jīng)驗。

[1]GB311.1—1997,高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[2]GB/T4797.2—2005,電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件海拔與氣壓、水深與水壓[S].

[3]DL/T562—95,高海拔污穢地區(qū)懸式絕緣子串片數(shù)選用導(dǎo)則[S].

[4]TB10009—2005,鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范 [S].

[5]TB/T3199.1—2008,電氣化鐵路絕緣子 第1部分:棒形瓷絕緣子[S].

[6]關(guān)志成,等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[7]蔣興良,胡建林,等.青藏線電力線路試驗研究總結(jié)報告[R].重慶:重慶大學(xué),2006.

[8]蔣興良,舒立春,孫才新.電力系統(tǒng)污穢與覆冰絕緣[M].北京:中國電力出版社,2009.