高海拔地區(qū)鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)備外絕緣參數(shù)修正研究

靳 松

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安710043）

近年來，我國(guó)陸續(xù)建成或在建多條海拔4000m以下的高原電氣化鐵路，如青藏鐵路西格段、蘭新第二雙線青海段、拉薩至林芝鐵路、敦煌至格爾木鐵路等。通過立項(xiàng)研究和建設(shè)實(shí)施，對(duì)于海拔4000m以下高原電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)供電方案、外絕緣修正及絕緣配合、設(shè)備材料選型、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等關(guān)鍵問題取得了一些科研成果并得以成功應(yīng)用，積累了一定的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。隨著“西部大開發(fā)”、“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施及推進(jìn)，我國(guó)將建設(shè)海拔在4000m以上地區(qū)的高原電氣化鐵路，例如：川藏鐵路、中尼鐵路。

高海拔地區(qū)的大氣參數(shù)不同于低海拔地區(qū)，因此，高海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)的電氣外絕緣特性也有較大差異[1]。為保證高海拔地區(qū)鐵路工程項(xiàng)目順利實(shí)施、安全可靠運(yùn)行，須針對(duì)高原特殊環(huán)境引起的牽引供電系統(tǒng)設(shè)備外絕緣適應(yīng)性問題進(jìn)行研究。本文主要對(duì)高海拔地區(qū)的三個(gè)電氣參數(shù)：耐受電壓、爬電距離和空氣間隙修正方法進(jìn)行分析并給出推薦值。

1 耐受電壓

有關(guān)耐受電壓高海拔修正的現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 現(xiàn)行耐受電壓高海拔修正相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1）《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）[2]“附錄 D 外絕緣放電電壓的氣象條件校正”中規(guī)定了放電電壓校正公式：

u0——標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下絕緣放電電壓；kV

u——實(shí)際放電電壓，kV；

δ——相對(duì)空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下為1，不同海拔時(shí)可按表D1(或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù))決定；

H——空氣濕度校正系數(shù)，有式（D2）、（D3）決定；

n——指數(shù)，與絕緣長(zhǎng)度有關(guān)，由式（D4）決定。規(guī)范標(biāo)示的適用范圍：海拔3500m。

2）《電氣化鐵道牽引變電所供電設(shè)備絕緣水平》（TB/T 2085-1997）[3]中規(guī)定：對(duì)于擬用于海拔高于1000m，但不超過4000m處的設(shè)備的外絕緣及干式變壓器的絕緣，其試驗(yàn)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系數(shù)Ka。

H——安裝地點(diǎn)的海拔高度m；

規(guī)范標(biāo)示的適用范圍：海拔4000m。

TB/T 2085-1997中采用的修正公式與GB/T 311.1-1997是一致的，GB/T311.1-2012版對(duì)此公式進(jìn)行了修改，因此建議不再采用TB/T2085-1997的修正公式。

3）《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》（GB/T 11022-2011）[4]中規(guī)定：

對(duì)于安裝在海拔高于1000m處的設(shè)備，外絕緣在使用地點(diǎn)的絕緣耐受水平應(yīng)為額定絕緣水平乘以按照?qǐng)D1確定的系數(shù)Ka。

圖1 海拔修正系數(shù)曲線

H——海拔高度m；

m=1對(duì)于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓；

m=0.9對(duì)于縱絕緣操作沖擊電壓；

m=0.75對(duì)于相對(duì)的操作沖擊電壓。

操作沖擊的m取值可參考IEC 60071-2的4.2.2。

規(guī)范標(biāo)示的適用范圍：海拔4000m。

4）《絕緣配合第1部分：定義、原則和規(guī)則》（GB 311.1-2012）[5]、國(guó)家電網(wǎng)公司《高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 13001-2014）[6]、《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064-2014）[7]及《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求》（GB/T 20626.1-2017）[8]中的耐受電壓修正方法同GB 11022-2011。

綜上，自GB/T 11022-2011起，關(guān)于外絕緣耐受電壓的海拔修正公式已達(dá)成了一致，但各規(guī)范所標(biāo)示的該公式的適用海拔高度仍不相同。Q/GDW13001-2014通過將試驗(yàn)研究得出的修正值與上述公式的計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，兩者相近，并推薦按該公式進(jìn)行修正，并將該公式在110kV及以下電壓等級(jí)的適用范圍延伸至了海拔5000m。

筆者單位將GB311.1-2012的公式試用范圍外延至5000m，將計(jì)算得到的修正系數(shù)與我院的高海拔科研成果進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果見表2。

表2 耐受電壓修正系數(shù)對(duì)照表

從表2可以看出，筆者單位研究成果與小于GB311.1-2012的公式計(jì)算值，故推薦采用GB311.1-2012的修正公式對(duì)外絕緣耐受電壓進(jìn)行修正。

2 爬電距離

有關(guān)爬電距離高海拔修正的現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 爬電距離高海拔修正的現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)

1）《高海拔污穢地區(qū)懸式絕緣子串片數(shù)選用導(dǎo)則》（DL/T 562-95）[9]中規(guī)定：1000m 以上地區(qū)單片絕緣子污穢耐壓值應(yīng)該直接在線路需經(jīng)過的高海撥地區(qū)，按GB4585.2的規(guī)定進(jìn)行繩緣子污穢耐壓試驗(yàn)，得出高海撥地區(qū)單片絕緣子的污穢耐壓值：

Ud·n·g=Uc·n·g/N

Ud·n·g——高海拔下單片絕緣子污穢耐壓值；

Uc·n·g——高海拔下絕緣子串污穢耐壓值；

2）《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第2部分：交流系統(tǒng)用瓷和玻璃絕緣子》（GB/T 26218.2-2010）[10]中規(guī)定：海拔對(duì)沖擊耐受電壓的影響通常比對(duì)污穢耐受性能的影響大。通常，在較高海拔地區(qū)因?yàn)闆_擊電壓所需要的絕緣長(zhǎng)度的增大會(huì)導(dǎo)致足夠大的爬電距離。這意昧著，若購(gòu)方?jīng)]有清楚聲明有其他要求，通常規(guī)定Ka=1。

3）《輸電線路用絕緣子污穢外絕緣的高海拔修正》（DL/T 368-2010）[11]中引入了統(tǒng)一爬電比距(USCD)的海撥修正系數(shù)，規(guī)定如下：在合海拔地區(qū)所使用的交、直流瓷、玻璃絕緣子(串)和復(fù)合絕緣子的USCD按下式進(jìn)行修正：

4）《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545-2010）[12]中規(guī)定：高海拔地區(qū)懸垂絕緣子串的片數(shù)，宜按下式計(jì)算：

nH——高海拔地區(qū)每串絕緣子所需片數(shù)；

H——海拔高度(m)；

m1——特征指數(shù)，它反映氣壓對(duì)于污穢電壓的影響程度；由試驗(yàn)確定。

從上述各規(guī)范可以看出，相關(guān)規(guī)范均認(rèn)為海拔對(duì)污穢條件下的線路絕緣子的爬電距離具有影響，但各規(guī)范給出的修正方法不同，根據(jù)各規(guī)范的適用范圍和實(shí)際情況，選用DL/T 368-2010給出的方法對(duì)絕緣子爬電距離進(jìn)行修正。DL/T 368-2010附錄B中給出爬電距離修正系數(shù)見表4：

表4 絕緣子污穢外絕緣高海拔修正系數(shù)

3 空氣間隙

有關(guān)空氣絕緣間隙高海拔修正的現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 現(xiàn)行空氣間隙高海拔修正相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1）《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50061-2010）[13]中規(guī)定：

海拔高度為1000m及以上的地區(qū)，海拔高度每增高100m，內(nèi)部過電壓和運(yùn)行電壓的最小間隙應(yīng)按本規(guī)范6.0.9所列數(shù)值增加1%。規(guī)范6.0.9給出的35kV內(nèi)部過電壓最小間隙為250mm，運(yùn)行電壓最小間隙為100mm，雷電過電壓最小間隙為450mm。

2）《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5352-2006）[14]中規(guī)定：

DL/T 5352—2006給出了海拔4000m以下的各電壓等級(jí)的空氣間隙修正曲線，如圖2所示，不同海拔高度的A1值通過該圖查詢獲得。海拔大于1000m時(shí)A值的修正：

圖2 空氣間隙修正曲線

3）《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》（GB/T 311.1-2012）[5]的附錄A中給出了與不同沖擊耐受電壓值對(duì)應(yīng)的保證規(guī)定的沖擊耐受電壓的空氣間隙值，我院通過修正后的耐受電壓查詢得到最小空氣間隙值，見表6。

表6 GB311.1-2012中35kV空氣間隙值

4）《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2016）[15]是參考的 DL/T 5352-2006。

5）國(guó)家電網(wǎng)公司《高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 13001-2014）[6]是參考的 DL/T 5352-2006。同時(shí)將其110kV及以下電壓等級(jí)適應(yīng)范圍延伸至5000m，直接給出了修正后的值，見表7。

表3-4 戶外變電站電氣一次設(shè)備要求的最小電弧距離

DL/T 5352和Q/GDW13001給出的空氣間隙值是一致的，根據(jù)GB311.1推算的空氣間隙值大于DL/T 5352和Q/GDW13001的值，且電壓等級(jí)越高、海拔越高，差距越大。

但需要說明的是：GB 311.1-2012[5]附錄A中對(duì)于其給出的“保證規(guī)定的沖擊耐受電壓的空氣間隙”做了如下說明：“這些距離不適用于技術(shù)規(guī)范中包括強(qiáng)制性沖擊型式試驗(yàn)要求的設(shè)備，因?yàn)閺?qiáng)制的最小距離可能妨礙設(shè)備的設(shè)計(jì)、提高其成本并妨礙技術(shù)進(jìn)步”。且通過與其他相關(guān)規(guī)范海拔4000m以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，GB311.1-2012給出的間距值是偏于安全的和保守的，這在高海拔地區(qū)尤其明顯。由此，根據(jù)GB 311.1-2012推算的空氣間隙值僅用于確定導(dǎo)線或設(shè)備帶電部分與接地體的間距和不同相帶電部分的間距。而對(duì)于設(shè)備的電弧距離推薦根據(jù)修正后的耐壓值再通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證確定。

4 總結(jié)

文章在牽引供電系統(tǒng)外絕緣方面，僅對(duì)耐受電壓、絕緣間隙、爬電距離現(xiàn)有的規(guī)范進(jìn)行梳理與總結(jié)，并根據(jù)初步對(duì)比分析給出了目前可推薦使用的修正值，但尚存在諸多問題，例如：牽引變電所設(shè)備最小空氣間隙值和電弧距離等，這些問題需要通過試驗(yàn)的方法進(jìn)一步深入研究。