亞吉鐵路牽引變電所進(jìn)線相關(guān)電氣參數(shù)的研究

張效楠，嚴(yán) 希

0 引言

亞吉鐵路（埃塞俄比亞—吉布提鐵路）全長(zhǎng)743 km，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，是埃塞俄比亞乃至東非腹地物資進(jìn)出口主要通道，是埃塞俄比亞中部地區(qū)與西部、東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)、交通走廊的中軸。亞吉鐵路對(duì)構(gòu)建和促進(jìn)埃塞俄比亞鐵路網(wǎng)建設(shè)具有積極的示范和先導(dǎo)作用[4]。

亞吉鐵路（Sebeta-Mieso 段）沿線為牽引變電所供電的外部進(jìn)線電源電壓等級(jí)為132 kV/230 kV，而我國(guó)外部電網(wǎng)無此電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)無法從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中查詢到電氣安全凈距等相關(guān)參數(shù)。因此，在牽引變電所電氣工程設(shè)計(jì)過程中，需參考電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)及IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)重新計(jì)算并校驗(yàn)電氣安全凈距和導(dǎo)線相間距等參數(shù)。

1 電氣安全凈距參數(shù)及計(jì)算

常用的電氣安全凈距參數(shù)如表1 所示。

表1 常用電氣安全凈距參數(shù)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(duì)柵欄和運(yùn)輸設(shè)備的外廓至無遮攔帶電部分之間的安全凈距。一般運(yùn)行人員手臂誤入柵欄時(shí)的臂長(zhǎng)不大于750 mm，設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的擺動(dòng)也在750 mm范圍內(nèi)。此外，導(dǎo)線垂直交叉且要求不同時(shí)停電檢修時(shí)，檢修人員在導(dǎo)線上下的活動(dòng)范圍也不超過 750 mm[1]；B2值為帶電部分對(duì)網(wǎng)柵的凈距，一般運(yùn)行人員手指誤入網(wǎng)柵時(shí)的指長(zhǎng)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(dǎo)體至地面之間的安全凈距，即當(dāng)人舉手時(shí)，手與帶電裸導(dǎo)體之間的凈距不小于A1值，一般運(yùn)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(chǎng)地的施工誤差200 mm。在積雪嚴(yán)重地區(qū)，還應(yīng)考慮積雪的影響，該距離可適當(dāng)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(dāng)一組母線帶電，另一組母線停電檢修時(shí)，在停電母線上進(jìn)行作業(yè)的檢修人員與相鄰帶電母線之間的凈距不應(yīng)小于A1值，一般檢修人員的工具活動(dòng)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(gòu)筑物邊沿部分之間的凈距不小于D值，這是考慮到當(dāng)有人爬到上述建、構(gòu)筑物頂部時(shí)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(guān)系。變電所設(shè)計(jì)時(shí)，主要導(dǎo)線、設(shè)備布置時(shí)參考的電氣安全凈距參數(shù)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(guān)電氣參數(shù)確定

2.1 進(jìn)線電源電壓等級(jí)為132 kV/230 kV 時(shí)的電氣凈距

埃塞俄比亞外部電網(wǎng)電壓等級(jí)為132 kV/230 kV，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)無相關(guān)的電氣安全凈距參數(shù)，需查詢IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后再計(jì)算確定。

2.1.1 設(shè)備最高電壓的確定

根據(jù)IEC 60038-2009（標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)），標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)132 kV 對(duì)應(yīng)的最高工作電壓為145 kV，標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)230 kV 對(duì)應(yīng)的最高工作電壓為245 kV，如表2 所示（注：表中數(shù)值為線電壓；括號(hào)中給出的為非優(yōu)選數(shù)值，建議在未來新建系統(tǒng)中不采用這些數(shù)值）。

表2 標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)與設(shè)備最高電壓 kV

2.1.2 雷電沖擊耐受電壓的確定

根據(jù)IEC 60071-1-2011（絕緣配合 定義、原則和規(guī)則），結(jié)合埃塞俄比亞當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況及設(shè)備選型經(jīng)濟(jì)性，最高電壓等級(jí)145 kV 對(duì)應(yīng)額定雷電沖擊耐受電壓取值為650 kV；最高電壓等級(jí)245 kV 對(duì)應(yīng)額定雷電沖擊耐受電壓取值為950 kV，如表3 所示。

表3 設(shè)備最高電壓等級(jí)與額定雷電沖擊耐受電壓 kV

2.1.3 A1和A2值的確定

根據(jù)IEC 60071-1-2011 的規(guī)定，帶電部分至接地部分之間的安全凈距A1值為導(dǎo)體對(duì)架構(gòu)的最小凈距，不同相帶電部分之間的安全凈距A2值為棒對(duì)架構(gòu)的最小凈距[3]，相關(guān)參數(shù)如表4 所示。

表4 安全凈距A1和A2值

根據(jù)上述分析可知，132 kV額定電壓對(duì)應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓為650 kV，其對(duì)應(yīng)的棒對(duì)構(gòu)架的最小凈距A1= 1 300 mm，導(dǎo)線對(duì)架構(gòu)的最小凈距A2= 1 300 mm；230 kV額定電壓對(duì)應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓為950 kV，其對(duì)應(yīng)的棒對(duì)構(gòu)架的最小凈距A1= 1 900 mm，導(dǎo)線對(duì)架構(gòu)的最小凈距A2=1 700 mm。

2.1.4 安全凈距的計(jì)算

根據(jù)2.1.3 節(jié)所述，可得額定電壓132 kV對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(shí)根據(jù)第1 節(jié)中的相關(guān)計(jì)算式可得額定電壓132 kV和230 kV時(shí)對(duì)應(yīng)的B、C、D值如表5 所示。

表5 安全凈距相關(guān)參數(shù) mm

2.2 進(jìn)線電源電壓等級(jí)為132 kV/230 kV 時(shí)的導(dǎo)線相間距

2.2.1 相間距計(jì)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(dǎo)線弧垂，mm；α1為絕緣子串風(fēng)偏搖擺角；α2為導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺角；d為導(dǎo)線分裂間距，mm；r為導(dǎo)線半徑，mm；f為跨距中絕緣子串和導(dǎo)線的總弧垂，mm；l為跨距中水平投影長(zhǎng)度，mm；l1為跨距內(nèi)導(dǎo)線水平投影長(zhǎng)度，mm；Qi為各種狀態(tài)時(shí)的絕緣子串單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；qi為各種狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量kg/m；Q4為絕緣子串承受的風(fēng)壓，N；q4為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度所承受的風(fēng)壓，N/m；Q1為絕緣子串質(zhì)量，kg；q1為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m。

2.2.2 參數(shù)確定

（1）牽引變電所外電進(jìn)線導(dǎo)線、絕緣子串及其余基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在亞吉鐵路牽引變電所設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)牽引供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，選取進(jìn)線導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A-300/50。根據(jù)沿線氣象資料，9 座牽引變電所所處地區(qū)為重污穢區(qū)。根據(jù)GB/T 26218-2010 中相關(guān)定義，不同污穢等級(jí)下的參考統(tǒng)一爬電比距（RUSCD）如表6 所示。

表6 統(tǒng)一爬電比距

由表6 可知，重污穢區(qū)（e 區(qū)）絕緣子串的統(tǒng)一爬電比距為53.7 mm/kV。由此可得額定電壓132 kV 時(shí)的爬電距離為145 kV/×53.7 mm/kV =4 495 mm，額定電壓230 kV 時(shí)的爬電距離為245 kV/×53.7 mm/kV = 7 595 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并查詢樣本，確定絕緣子串型號(hào)為耐污盤形懸式瓷絕緣子，型號(hào)為XWP-240。絕緣子串的相關(guān)參數(shù)如表7 所示。

表7 絕緣子串相關(guān)參數(shù)

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(jìn)線的絕緣子串基準(zhǔn)片數(shù)為N = 4 495 mm/525 mm≈9；額定電壓230 kV 電源進(jìn)線的絕緣子串基準(zhǔn)片數(shù)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(shí)耐張絕緣子串為11 片；額定電壓230 kV 時(shí)耐張絕緣子串為17 片。

根據(jù)上述牽引變電所外部電源進(jìn)線導(dǎo)線及絕緣子串型號(hào)，查詢?cè)O(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙后得出導(dǎo)線間相間計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)，如表8 所示。

表8 導(dǎo)線相間距計(jì)算參數(shù)

（2）相間距計(jì)算過程。

額定電壓等級(jí)132 kV 時(shí)，將2.2.2 節(jié)相關(guān)參數(shù)代入2.1.1 節(jié)的相關(guān)計(jì)算式中計(jì)算可得：

即D≥2 565 mm

額定電壓等級(jí)230 kV 時(shí)，將2.2.2 節(jié)相關(guān)參數(shù)代入2.1.1 節(jié)的相關(guān)計(jì)算式中計(jì)算可得：

即D≥3 197 mm

在實(shí)際工程中，考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ靠扇。?/p>

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

2.2.3 實(shí)際工程應(yīng)用

實(shí)際工程應(yīng)用中，因部分參數(shù)取值較為困難，考慮最極端情況，也可按下列規(guī)程公式計(jì)算：

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

將相關(guān)參數(shù)代入規(guī)程公式可得：

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

在實(shí)際工程中，考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ靠傻茫?/p>

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

3 結(jié)語

亞吉鐵路（Sebeta-Mieso 段）9 座牽引變電所的外部進(jìn)線電源為132 kV/230 kV 電壓等級(jí)。根據(jù)相關(guān)的IEC 規(guī)范、電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)重新計(jì)算電氣安全凈距及進(jìn)線導(dǎo)線相間距。可以看出，132 kV進(jìn)線電源的電氣參數(shù)需重新計(jì)算，可參考本文計(jì)算結(jié)果，230 kV 進(jìn)線電源電氣參數(shù)可直接參考、沿用國(guó)內(nèi)220 kV 進(jìn)線電源的牽引變電所方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)。

我國(guó)電氣化鐵路牽引變電所的外部進(jìn)線電源多為110 kV 或220 kV，相關(guān)電氣參數(shù)在國(guó)標(biāo)或電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均可查詢。但在國(guó)外，很多國(guó)家和地區(qū)的外部電網(wǎng)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)不同，在相關(guān)國(guó)家進(jìn)行電氣化鐵路工程建設(shè)時(shí)，不能直接套用國(guó)內(nèi)的牽引變電所設(shè)計(jì)模式以及電氣參數(shù)取值，需根據(jù)相關(guān)規(guī)范和電氣工程設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)所在國(guó)家或地區(qū)的牽引變電所外部進(jìn)線電源的相關(guān)電氣參數(shù)重新計(jì)算。