西藏4000m以上高海拔地區(qū)變電站設(shè)計實踐

唐 滔，易建山，羅曉康，羅忠軍，白小奇，張 勇，李海龍，柏延鵬

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850010)

0 引言

西藏阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程(以下簡稱“阿里聯(lián)網(wǎng)工程”)起于日喀則地區(qū)多林變，止于阿里地區(qū)巴爾變，全線新建2座500 kV變電站(海拔約4 100 m)，4座220 kV變電站(海拔約4 700 m)。項目建成后將形成覆蓋西藏全區(qū)74個縣的統(tǒng)一主電網(wǎng)，擴大了西藏主電網(wǎng)覆蓋范圍。

1 高海拔地區(qū)環(huán)境特征及其影響

阿里聯(lián)網(wǎng)工程各變電站海拔高度均超過4 000 m，最高變電站海拔4 688 m，站址所處地區(qū)的主要特點為：

1) 空氣壓力低、密度及含氧量低；

2) 空氣干燥，無霜期短，四季風(fēng)大；

3) 寒冷期長，晝夜溫差大，部分站極端溫度達到-44℃；

4) 太陽輻射強，光照條件好；

5) 地震烈度高，其中2個站位于8度地震烈度區(qū)；

6) 存在季節(jié)性凍土，標(biāo)準凍深較深。

上述特點將降低電氣設(shè)備性能，減弱設(shè)備外絕緣水平，降低導(dǎo)體起始放電電暈，對變電站設(shè)計影響較大。我們在進行變電站設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到這些環(huán)境特征對電氣設(shè)備選型、配電裝置布置的影響。

2 空氣間隙及電氣設(shè)備絕緣水平確定

電氣設(shè)備最小安全凈距對配電裝置布置及整個變電站占地面積影響很大，電氣設(shè)備的絕緣水平及最小安全凈距是進行變電站設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 電氣設(shè)備絕緣水平的確定

2.1.1 海拔修正因數(shù)

IEC 60071-2-2018[1]、GB 311.1—2012[2]、GB/T 50064—2014[3]、DL/T 5352—2018[4]、DL/T 5222、DL/T 620、GB/T 16927.1等標(biāo)準、規(guī)范中海拔修正計算方法各不相同，適用的海拔高度也各不相同，其中文獻[1-3]均推薦采用公式(1)進行海拔修正因數(shù)計算。

Q/GDW 13001—2014《國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準 高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》[5]附錄B針對不同標(biāo)準中推薦的海拔修正方法，將所有標(biāo)準的適用范圍延至5 000 m，并與國網(wǎng)青海省電力公司在高海拔外絕緣領(lǐng)域研究成果及大量的試驗數(shù)據(jù)進行比對，試驗研究所得的高海拔修正系數(shù)與GB311.2推薦的海拔修正因數(shù)計算結(jié)果差別較小。因此，推薦采用GB311.2中高海拔修正公式，即公式(1)。

通過對已建變電站工程取值進行總結(jié)，結(jié)合Q/GDW 13001《國家電網(wǎng)公司物資采購標(biāo)準高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》[5]試驗推薦意見，在考慮海拔修正公式適用性時，GB311.1[2]沒有提出海拔高度的限制，僅說明運行在海拔高于1 000 m的設(shè)備，因此，海拔4 000 m以上工程推薦采用GB311.1[2]修正方法進行海拔修正，在確定空氣間隙50%放電電壓時，采用公式(1)進行海拔修正，確定設(shè)備外絕緣水平時，采用公式(2)進行海拔修正。

式中：Ka為海拔修正系數(shù)；H為設(shè)備安裝地點的海拔高度，m；m為指數(shù)，取值如下：對雷電沖擊耐受電壓，m=1.0；對空氣間隙和清潔絕緣子的短時工頻電壓，m=1.0；對操作沖擊耐受電壓，m按圖1選取。

圖1 操作沖擊修正因子選取圖

式中：Urw為設(shè)備要求耐受過電壓，kV；Ucw為設(shè)備配合耐受過電壓，kV；Ka為海拔修正系數(shù)；Ks為安全因數(shù)，對于外絕緣取1.05.對于內(nèi)絕緣取1.15。根據(jù)我國電網(wǎng)實際運行情況，一般按避雷器保護水平為基礎(chǔ)選取，見表1。

表1 避雷器額定參數(shù)選擇表(國網(wǎng)通用值)

2.1.2 電氣設(shè)備外絕緣水平

GB 311.1[2]及GB/T 50064[3]給出了不同電壓等級的各類設(shè)備雷電沖擊、工頻耐壓及操作沖擊耐壓標(biāo)準值，該值為海拔高度1 000 m及以下地區(qū)一般條件下電氣設(shè)備額定耐受電壓值。對不同海拔高度按GB 311.1[2]修正方法進行電氣設(shè)備外絕緣海拔修正計算結(jié)果推薦值見表2。

表2 不同海拔電氣設(shè)備外絕緣水平推薦值

2.2 最小空氣間隙的確定

對于變電站交流空氣間隙，依據(jù)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(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗公式，并結(jié)合間隙形狀系數(shù)進行計算，或者根據(jù)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值。

按GB 311.2—2013[6]推薦，空氣間隙的50%放電電壓，采用公式(4)計算：

式中：U50為修正到標(biāo)準大氣條件下的50%操作沖擊閃絡(luò)電壓，kV；Uw為額定耐受過電壓，kV；σ為指數(shù)，取值如下：對雷電沖擊，σ=0.03；對操作沖擊，σ=0.03；Urw為設(shè)備要求耐受過電壓，kV；Ka為海拔修正系數(shù)；Ks為安全因數(shù)；Ulp(Usp)為避雷器操作沖擊(雷電沖擊)最大殘壓，kV；

在計算得到50%放電電壓后，按照GB311.2[6]給出的空氣間隙經(jīng)驗計算公式求得對應(yīng)空氣間隙取值。

對于雷電過電壓：

對于操作過電壓：

式中：d為空氣間隙要求值，m；U50為修正到標(biāo)準大氣條件下的50%操作沖擊閃絡(luò)電壓，kV；K為電極形狀系數(shù)；。

對不同海拔高度按GB 311.2[6]方法進行最小空氣間隙海拔修正計算結(jié)果推薦值如表3。

表3 不同海拔高度最小空氣間隙推薦值

3 高地震烈度對電氣設(shè)備的影響及解決措施

阿里聯(lián)網(wǎng)工程查務(wù)500 kV變電站和巴爾220 kV變電站地震烈度為8度(0.2g加速度)。GB 50260—2013[7]中明確：“重要電力設(shè)施中的電氣設(shè)施可按抗震設(shè)防烈度提高1度設(shè)防，但抗震設(shè)防烈度為9度及以上時不再提高”,因此上述兩站電氣設(shè)備需提高1度按9度(0.4g加速度)抗震要求進行設(shè)防。

3.1 高地震烈度對電氣設(shè)備的影響

強地震易造成變電站主要電氣設(shè)備損壞，造成變壓器底座從軌道里脫離出來、套管根部斷裂等，斷路器、隔離開關(guān)等電瓷型高壓電氣設(shè)備絕緣瓷瓶斷裂、設(shè)備傾斜或跌落等事故。

3.2 高地震烈度區(qū)電氣設(shè)備抗震措施

阿里聯(lián)網(wǎng)工程各變電站地震設(shè)防烈度為8度及以上，需要考慮從電氣設(shè)備選型優(yōu)化、設(shè)備導(dǎo)體連接優(yōu)化、隔震減震技術(shù)的應(yīng)用、對設(shè)備制造廠家的要求等幾個方面進行改進優(yōu)化，開展電氣設(shè)備的抗震設(shè)計工作。

雖然系統(tǒng)功能學(xué)派對名物化的語篇功能展開了不少有意義的探索，但與詞匯語法層面的研究相比還十分不足，在研究視角的廣度和深度上還有待進一步拓展。為了更好地把握語篇層面名物化現(xiàn)象研究的現(xiàn)狀、研究熱點和未來的研究方向，本文擬通過運用知識圖譜分析軟件“引文空間”(CiteSpace)，對比分析國內(nèi)外核心期刊近20年來發(fā)表的文獻，全面考察國內(nèi)外學(xué)界對英語名物化現(xiàn)象研究的趨勢，以期為今后英語語篇名物化現(xiàn)象的研究提供參考。

3.2.1 配電裝置選型

電氣設(shè)備的選型是進行電氣設(shè)備抗震設(shè)計的重要前提，為了減小電氣設(shè)備在地震時受到破壞，應(yīng)合理地進行設(shè)備選型，在高地震區(qū)的設(shè)備應(yīng)采用重心較低、抗震性能好的設(shè)備。DL/T 5218—2012[9]中規(guī)定66 kV～750 kV電壓等級配電裝置，在大氣污穢嚴重、場地限制、高抗震設(shè)防烈度、高海拔環(huán)境條件下，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證，可采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)。阿里聯(lián)網(wǎng)工程各變電站500 kV、220 kV、110 kV配電裝置選用GIS設(shè)備，滿足抗震性能要求。

3.2.2 導(dǎo)線選擇

站內(nèi)電氣設(shè)備的連接，盡量采用軟連接，35 kV戶外配電裝置主母線采用軟導(dǎo)線，提高抗震性能。

3.2.3 采用復(fù)合絕緣材料設(shè)備

瓷質(zhì)絕緣子(套管)存在的易脆斷、抗震性能差等缺陷。尤其是變壓器、電抗器用瓷質(zhì)出線套管價格偏高、運輸要求高、生產(chǎn)周期長(特別是超高壓、特高壓交直流產(chǎn)品)、安裝不便、易脆斷、抗震性能差、運行中需多次涂刷PRTV涂料等不足在超高壓工程應(yīng)用中逐漸暴露出來。而復(fù)合絕緣材料由于具有重量輕、安裝方便、憎水性好、介電性能優(yōu)良等特點，自上世紀六十年代初在德國首次研制并開發(fā)以來，將其作為設(shè)備的外絕緣材料，得到越來越廣泛的使用。

復(fù)合絕緣材料與瓷絕緣材料相比，主要具有重量輕、防爆性能好、憎水性好、耐污性能優(yōu)、抗震性能好、抗風(fēng)沙能力強、運輸安裝方便、交貨周期短、價格便宜等諸多方面的優(yōu)勢，符合國網(wǎng)公司環(huán)境友好及資源節(jié)約的要求。

阿里聯(lián)網(wǎng)工程110 kV及以上電壓等級全面應(yīng)用復(fù)合絕緣設(shè)備，主要包括：500 kV和220 kV高抗套管、主變壓器220 kV和110 kV套管、220 kV和110 kV GIS進出線套管、220 kV和110 kV避雷器復(fù)合絕緣外套、110 kV電壓互感器復(fù)合絕緣外套。

隔震技術(shù)是通過“以柔克剛，隔震耗能”的途徑，采用隔震、消能等方法，達到隔離地震反應(yīng)的目的。通過對電氣設(shè)備采用隔震措施，可以大大提高其抗震能力。

隔震的本質(zhì)作用是使結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運動或支座運動分離開，隔斷地震能量的傳播途徑，盡量減少傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上部的地震能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。具體就是在工程結(jié)構(gòu)的特定部位，裝設(shè)隔振器、隔震墊等，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用，使工程結(jié)構(gòu)在地震(或風(fēng))作用下的動力反應(yīng)(加速度、速度、位移)得到合理控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、設(shè)備、裝修等的安全。

變壓器、電抗器因其結(jié)構(gòu)尺寸大、重心低、質(zhì)量大，地震作用下以剪切變形為主，故屬于變電站內(nèi)的重矮型設(shè)備，可通過加設(shè)隔震裝置降低其在地震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

4 極端低溫對電氣設(shè)備的影響及解決措施

4.1 極端低溫對電氣設(shè)備的影響

阿里聯(lián)網(wǎng)工程吉隆500 kV變電站站址極端最低溫度達到-43.4℃，屬于高海拔高寒地區(qū)，DL/T 5352[4]中對于屋外SF6絕緣設(shè)備，明確應(yīng)按極端最低溫度進行設(shè)備選擇。如此惡劣的自然條件，將對電氣設(shè)備性能產(chǎn)生不良影響，具體表現(xiàn)為：極端低溫可能會造成氣體絕緣設(shè)備中的SF6氣體由于極端低溫液化導(dǎo)致絕緣性能大幅度降低。常規(guī)油絕緣設(shè)備若采用#25號變壓器油，在低于-25℃的氣象條件下會發(fā)生凝固，從而散失絕緣及散熱性能。常規(guī)電纜在如此低溫環(huán)境下可能發(fā)生護套及絕緣層開裂情況，導(dǎo)致運行故障。

4.2 電氣設(shè)備應(yīng)對極端低溫的措施

1) 變壓器及電抗器：采用高防紫外線、高防腐油漆，加強油箱的密封措施，采用運動粘度和傾點較高的#45號變壓器油，盡量避免在低溫下啟動。

2) 500 kV GIS、220 kV GIS及110 kV GIS：采用戶內(nèi)布置，斷路器單元加裝電伴熱，其余單元采用降低氣室額定壓力方式降低SF6氣體液化溫度。為確保電伴熱供電可靠性，GIS匯控柜采用雙電源供電，在匯控柜內(nèi)實現(xiàn)雙電源自動切換。

3) 35 kV斷路器：采用罐式斷路器加裝伴熱帶或瓷柱式斷路器加SF6+CF4混合氣體方案解決SF6氣體液化。鑒于混合氣體比例較難控制，推薦采用罐式斷路器加裝伴熱帶。

4) 隔離開關(guān)：采用特殊的潤滑油脂，保證在低溫環(huán)境下不凝固，電動機構(gòu)需要經(jīng)過特殊處理。

5) 并聯(lián)電容器：需要選用凝固點溫度低、粘度低的液體介質(zhì)(如：MBT/DBT) 浸漬電容器。

6) 靜止無功補償器(static var compensator，SVC)成套裝置：閥組水冷系統(tǒng)添加防凍液。

7) 低壓動力箱及就地控制柜：提高箱體的密閉性；箱內(nèi)元件采用耐寒產(chǎn)品；在箱內(nèi)加裝溫濕度自動控制器及空調(diào)，保證箱內(nèi)溫度并防止箱內(nèi)凝露和結(jié)冰。

8) 電纜：選用高耐寒電力(控制)電纜(如ZR-YJY23、ZR-KYJYP2/23)。

9) 鋼材：選用Q235C或Q345C鋼材(日最低平均溫度介于-20℃～-40℃之間)。

5 戶內(nèi)中壓開關(guān)柜型式選擇及注意事項

戶內(nèi)設(shè)備的空氣間隙須進行海拔修正，方法與戶外設(shè)備一致。

目前國內(nèi)采用空氣絕緣的戶內(nèi)開關(guān)柜主要為中置式開關(guān)柜。隨著海拔增加，電氣設(shè)備空氣間隙要求值隨之增加，標(biāo)準的空氣絕緣柜無法滿足空氣間隙增大后的要求，需增大開關(guān)柜尺寸或采用充氣式高壓開關(guān)柜來滿足空氣間隙修正的要求。綜合考慮國網(wǎng)公司相關(guān)文件要求，建議35 kV開關(guān)柜在海拔1 000 m以上采用充氣式高壓開關(guān)柜，10 kV開關(guān)柜在海拔2 000 m以上采用充氣式高壓開關(guān)柜，以有效避免因增加電氣間隙而導(dǎo)致的尺寸問題。

在充氣柜設(shè)計時需要特別注意柜內(nèi)開關(guān)額定電流有無滿足要求的產(chǎn)品，充氣柜與高壓電纜、全絕緣母線的連接接口。

當(dāng)充氣柜為饋線回路時，無法安裝線路側(cè)隔離開關(guān)和接地開關(guān)，接地開關(guān)位于斷路器上方，對饋線回路進行檢修時，需特別注意操作流程。

6 季節(jié)性凍土的影響及解決措施

阿里聯(lián)網(wǎng)工程各變電站站址所處地區(qū)均存在季節(jié)性凍土，標(biāo)準凍深在0.8～2.0 m之間。凍土層土壤電阻率高，其中霍爾220 kV變電站凍土層厚度約1.6 m，第一電性層土壤電阻率為9 903 Ω·m，厚度0.9 m；第二電性層土壤電阻率為2 468 Ω·m，厚度4.9 m；第三電性層土壤電阻率為1 328 Ω·m，厚度31.1 m；第四電性層土壤電阻率為641 Ω·m，厚度13.1 m。凍土層土壤電阻率和深度隨著土壤溫度變化，不僅影響接觸電壓與跨步電壓值，同時還影響到跨步電壓與接觸電壓允許值。須采取有效降阻措施降低站區(qū)接地電阻，確保全站接觸電勢和跨步電勢滿足要求。

GB/T 50065—2011[8]中明確：“在季節(jié)凍土或……可采用下列措施：季節(jié)性的高電阻率層厚度較深時，可將水平接地網(wǎng)正常埋設(shè)，在接地網(wǎng)周圍及內(nèi)部接地極交叉節(jié)點布置短垂直接地極，其長度宜深入季節(jié)高電阻率層下面2 m”。因此，霍爾變?nèi)局鹘拥鼐W(wǎng)按不等間距分布，埋深0.8 m；在接地網(wǎng)周圍及內(nèi)部交叉節(jié)點布置垂直接地極，長度L=3.0 m，同時在站區(qū)內(nèi)設(shè)置6口約100 m的深井接地；為提高接觸電勢，在設(shè)備支架和構(gòu)架周圍鋪設(shè)碎石。經(jīng)CDEGS軟件模擬計算，采取上述措施后，全站接地電阻可降至1 Ω以下，接觸電勢和跨步電勢均滿足要求。

7 線路降壓運行工況下變電站內(nèi)避雷器配置

阿里聯(lián)網(wǎng)工程查務(wù)—吉隆段輸電線路按500 kV電壓等級設(shè)計，線路兩端均裝設(shè)500 kV高抗，本期降壓至220 kV電壓等級運行。線路絕緣子按500 kV經(jīng)海拔修正后選取，長度較220 kV絕緣子長出許多，當(dāng)線路遭受雷擊時，絕緣子可能無法擊穿閃絡(luò)，造成雷電波沿線路侵入變電站，在站內(nèi)設(shè)備上產(chǎn)生雷電過電壓，危害變電站設(shè)備安全。經(jīng)與武漢大學(xué)研究配合，最終推薦在查務(wù)站、吉隆站220 kV GIS出線套管處、500 kV線路入口處各裝設(shè)一組204 kV的避雷器，在各種運行工況下，避雷器放電電流均未超過10 kA標(biāo)稱放電電流。我院設(shè)計的同類工程依據(jù)科研機構(gòu)研究計算結(jié)果，避雷器按204 kV、13 kA標(biāo)稱放電電流進行配置。

8 結(jié)語

西藏4 000 m以上高海拔地區(qū)變電站設(shè)計，確定設(shè)備外絕緣水平和最小空氣間隙要求值是最為重要的環(huán)節(jié)，也是變電站設(shè)計的主要依據(jù)之一。結(jié)合國網(wǎng)公司試驗數(shù)據(jù)及已建變電站工程取值總結(jié)，推薦采用GB 311.1[2]中修正方法進行海拔修正。