高海拔環(huán)境對西藏扎拉水電站電氣設備選型的影響研究

徐則誠 歐陽友 楊麟 楊杰

收稿日期：2023-09-18

作者簡介：

徐則誠，男，工程師，主要從事水電站機電設計和科研工作。E-mail：xuzecheng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐則誠，歐陽友，楊麟，等.

高海拔環(huán)境對西藏扎拉水電站電氣設備選型的影響研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：99-102.

摘要：

高海拔環(huán)境下電氣設備選型工作存在特殊性，通過梳理扎拉水電站概況和實地調研數(shù)據，運用數(shù)據分析方法，對高海拔環(huán)境下電氣設備，如高壓配電裝置、變壓器、離相封閉母線、發(fā)電機、低壓開關設備等的選型問題進行研究。研究總結了高海拔環(huán)境對主要電氣設備的絕緣耐壓、電氣間隙和起暈電壓等方面的不同程度影響，以及在高海拔環(huán)境下運行的電氣設備選型的參數(shù)修正方法。

關鍵詞：

電氣設備選型； 高海拔環(huán)境； 電力設施； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV61

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.017

文章編號：1006-0081（2024）06-0099-04

0? 引? 言

高海拔環(huán)境對電氣設備的性能和可靠性產生重要影響。電氣設備在高海拔地區(qū)常常面臨氣壓、氣溫和空氣稀薄程度等因素的變化，對其絕緣能力、散熱性能和冷卻效果等方面帶來挑戰(zhàn)。正確選擇適合高海拔環(huán)境的電氣設備，可以確保設備的安全運行和可靠性，同時降低維護成本和風險［1-2］。

本文深入探討高海拔環(huán)境下水電站電氣設備選型工作，以扎拉水電站為例進行案例研究，運用文獻綜述和數(shù)據分析方法，分析高海拔環(huán)境對電氣設備選型的影響，并提出相應的選型原則和技術要求，旨在為高海拔環(huán)境下水電站電氣設備選型提供參考。

1? 工程介紹

西藏扎拉水電站主要開發(fā)任務為發(fā)電，采用混合式開發(fā)方式，壩址位于左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村附近，廠址位于察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村，距左貢縣城約136 km，距昌都約290 km。扎拉水電站水庫正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，總庫容914萬m3，總裝機容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），

為Ⅱ等大（2）型工程。樞紐主要建筑物由擋泄水建筑物、引水隧洞、電站廠房組成。電站壓力引水隧洞采用一洞四機布置、圓形斷面，引水線路長約5.5 km；電站廠房為河岸式，可研階段推薦安裝4臺250 MW沖擊式水輪發(fā)電機組。

扎拉水電站具備進一步提高單機容量的工程條件，是國內少有的可開展250～500 MW級沖擊式水輪發(fā)電機組科研攻關的工程項目。各參建單位對500 MW沖擊式水輪發(fā)電機組的設計和制造可行性進行了分析論證，并于2021年11月編制完成了《西藏扎拉水電站機組容量優(yōu)化論證報告》。報告認為，單機500 MW方案雖然技術上難度大，存在一定的風險，但機組的設計制造基本可行，風險可控，推薦扎拉水電站采用2臺500 MW裝機方案，對促進西藏地區(qū)水電開發(fā)建設意義重大。

本階段確定的電氣主接線方案為：發(fā)電機與主變壓器的組合方式采用單元接線，發(fā)電機出口設置斷路器，500 kV側2進3出（含一回聯(lián)變）采用3/2斷路器接線。220 kV電壓側采用不完全單母線接線，通過聯(lián)絡變壓器升壓至500 kV后接入雙斷路器串。

2? 環(huán)境條件

根據左貢縣氣象站1978～2010年觀測資料統(tǒng)計，扎拉水電站的環(huán)境條件見表1。

由于電站設備使用地點在海拔1 000 m以上，空氣密度較低，大氣壓力較小，溫度變化劇烈，對電氣設備的電暈、溫升、外絕緣等方面有一定影響，因此在設備選型時需要考慮海拔因素，并對數(shù)據進行修正。

3? 高海拔對電氣設備性能的影響

（1） 對溫升的影響。當電氣設備使用于高海拔地區(qū)時，海拔升高導致空氣密度降低，使空氣介質對于一些以自然對流、強迫通風或空氣散熱器等形式進行散熱的電氣產品的效果降低，并導致電器內部溫度升高。據研究，海拔0～5 000 m范圍內，每升高1 000 m，溫升會相應地增加3%～10%［1］。值得注意的是，隨著海拔的升高，環(huán)境溫度也會隨之降低，從而起到一定的補償作用。在設計高海拔地區(qū)電氣設備時，需要根據設備種類、海拔高度以及使用條件進行相應的修正，以保證其正常的工作環(huán)境。同時，戶外使用的導體和電氣設備還需考慮日照對其產生的影響。因此，對于電氣設備的額定使用電流等參數(shù)也需根據實際情況進行修正。

（2） 對外絕緣的影響。高海拔地區(qū)空氣壓力降低，造成空氣絕緣強度下降，引起電器外絕緣體強度降低，外絕緣表面及不同電位的帶電間隙較易擊穿，需考慮其耐壓問題。在海拔0～5 000 m 范圍內，每千米高度平均氣壓降低 7.7～10.5 kPa，外絕緣體強度會降低8%～13%。此外，試驗證明海拔升高對電氣設備內絕緣無明顯影響［2］。

（3） 對起暈電壓的影響。隨著海拔升高，高壓交流設備的電暈起始電壓降低，因此電暈現(xiàn)象比平原地區(qū)更嚴重。電暈的起暈電壓與海拔高度及電場不均勻程度有關，電場不均勻程度越大，海拔越高，起暈電壓越低。海拔每升高100 m，起暈電壓降低約1%。電暈會增加電能損耗，加速電氣設備絕緣老化和金屬腐蝕，同時對無線電通信產生干擾［2-3］。

（4） 對動作性能的影響。由于海拔提高，氣溫低，散熱困難，與環(huán)境有關產品的動作特性可能受到影響而導致動作誤差加大。例如采用熱脫扣器作為過載保護部件的斷路器與熱繼電器，其雙金屬片在高原環(huán)境下由于散熱條件的變化，脫扣特性會發(fā)生一定偏移［4-5］。

4? 電氣設備選型

扎拉水電站的主要電氣設備包括發(fā)電機、發(fā)電機斷路器、離相封閉母線、油浸式主變壓器、廠用干式變壓器、550 kV與252 kV高壓配電裝置等設備，在設備選型時需考慮高海拔環(huán)境對電氣設備的影響。

4.1? 高壓配電裝置

扎拉水電站220 kV、500 kV配電裝置采用GIS、斷路器、隔離開關、CT、PT等設備封裝在SF6套管腔體內，絕緣介質為SF6，GIS設備內絕緣與海拔高度無關，SF6/空氣出線套管、電壓互感器和避雷器為敞開式設備，其絕緣水平需進行海拔修正。

絕緣耐受電壓由標準參考大氣壓條件下的絕緣耐受電壓乘以修正系數(shù)ka1來決定，修正系數(shù)ka1及修正絕緣耐受電壓U（PH）按式（1）～（2）計算［6-8］：

U（PH）=ka1U（P1000）（1）

ka1=emH-10008150（2）

式中：U（P1000）為海拔高度1 000 m時空氣間隙的放電電壓，kV；m為系數(shù)，工頻、雷電過電壓取1.0；H為海拔高度，m。扎拉水電站按海拔2 500 m計算550 kV敞開式設備外絕緣水平，見表2；252 kV敞開式設備外絕緣水平見表3。

4.2? 變壓器

主變壓器采用現(xiàn)場組裝式雙卷油浸強迫油循環(huán)風冷變壓器，額定容量280 MVA，高壓側采用油/SF6套管接至550 kV GIS，低壓側與15.75 kV離相封閉母線相連；聯(lián)絡變壓器為現(xiàn)場組裝式、三卷、油浸強迫油循環(huán)風冷自耦變壓器，額定容量分別為400，400，130 MVA。550 kV側和220 kV側出線采用油/SF6套管與GIS相連，35 kV側采用電纜出線。

油浸式變壓器內絕緣與海拔高度無關，需進行高海拔溫升修正。廠用變壓器均為干式變壓器，需進行外絕緣參數(shù)修正、電氣間隙參數(shù)修正和高海拔溫升修正。溫升限值部分，對于風冷式油浸式變壓器，應按安裝場所的海拔高于1 000 m的部分，每增加250 m時降低1 K。油浸強迫油循環(huán)風冷變壓器溫升限值見表4。

對于干式變壓器，在海拔超過1 000 m的部分，以每500 m為一級，風冷降低5％，自冷降低2．5％。F級絕緣環(huán)氧樹脂干式變壓器允許溫升為100 K，按海拔2 500 m進行修正，風冷變壓器允許溫升降低15％，設計值為85 K；自冷變壓器允許溫升降低7.5%，設計值為92.5 K。外絕緣修正系數(shù)按式（2）計算，按2 500 m計算修正系數(shù)為1.202。以空氣絕緣的產品，其電氣間隙的海拔修正系數(shù)值推薦選用表5參數(shù)。

采用插值法，按2 500 m進行修正，電氣間隙修正系數(shù)可取1.205。繞組線端和中性點套管帶電部分的最小空氣間隙見表6～7。

4.3? 離相封閉母線

發(fā)電機額定電流17 820 A，最大工作電流18 711 A，發(fā)電機主母線與分支回路采用全連式離相封閉母線。全連式離相封閉母線具有安全可靠、外殼屏蔽效果好、母線載流量大、占據空間小、便于安裝維護等優(yōu)點。

對用于海拔高于1 000 m，但不超過4 000 m處的金屬封閉母線的絕緣，參照GB 311.1-2012《高壓輸變電設備絕緣配合》的要求，海拔每升高100 m，絕緣強度約降低1%，即校正因數(shù)ka2按式（3）計算：

ka2=11.1-H×10-4（3）

式中：H為海拔高度，取2 500 m。計算得到校正因數(shù)ka2=1.176。

主回路離相封閉母線額定電壓18 kV，額定電流20 000 A，根據GB/T 8349-2000《金屬封閉母線》規(guī)定，18 kV金屬封閉母線額定1 min工頻耐受電壓濕式有效值為45 kV，干式有效值為61 kV，額定雷電沖擊耐受電壓峰值為115 kV。經過高海拔修正，絕緣水平為：額定1 min工頻耐受電壓濕式有效值為53 kV，干式有效值為72 kV，額定雷電沖擊耐受電壓峰值為136 kV。

4.4? 發(fā)電機

對于在高海拔地區(qū)運行的水輪發(fā)電機組，定子線棒與定子繞組的防電暈和絕緣性能至關重要。當設備安裝在海拔高度高于1 000 m 時，要對設備外絕緣的耐壓值進行修正，修正系數(shù)按式（2）計算，按2 500 m計算修正系數(shù)為1.202。同時，要對起暈電壓的試驗值進行修正。起暈電壓修正系數(shù)按式（4）計算，定子線棒和繞組的起暈電壓值按式（5）和式（6）計算。

KQ=（1-KHS）1-KHA（4）

式中：KQ為起暈電壓修正系數(shù)；

K為電暈起始電壓

隨海拔升高的遞減率，取0.1 km-1；HS為試驗地點

的海拔，km；

HA為安裝地點的海拔，km。

UBS=1.5KQUN（5）

式中：UBS為定子線棒的電暈起始電壓，kV；UN為電機額定電壓，kV。

UIS=1.5KQUΦ （6）

式中：UIS為繞組的電暈起始電壓，kV；UΦ為電機額定相電壓，kV。

4.5? 低壓開關設備

常規(guī)型低壓電器在海拔2 500 m時仍有60％的耐壓裕度。通過對常規(guī)國產繼電器與轉換開關等試驗，在海拔4 000 m及以下地區(qū)，均可在其額定電壓下正常運行。

低壓開關具有較高的工作電壓，用于高海拔環(huán)境中，為保證可靠性，其額定工作電壓需相應降低。此外，低壓開關設備一般安裝于戶內及電氣箱體內，散熱條件差，工作環(huán)境溫度降低無法全部抵消散熱不利的影響，需考慮降低容量使用。

高海拔環(huán)境對低壓斷路器脫扣及動作特性有一定影響。采用熱脫扣器作為過載保護部件的斷路器、熱繼電器，其雙金屬片在高原環(huán)境下由于散熱條件的變化，脫扣特性會發(fā)生一定偏移。不同產品偏移程度有一定的分散性，但均在其技術條件規(guī)定的特性曲線范圍內，因此可根據現(xiàn)場實際調試情況進行微調。斷路器磁脫扣采用電流啟動的電磁線圈，不受海拔影響。采用電子脫扣器的低壓電器產品的脫扣動作特性不受高海拔環(huán)境影響，無需進行調整和修正，但應適當考慮電子元件的散熱問題。高海拔環(huán)境下，常用熔斷器的熔斷特性最大偏差均在允許偏差的50％以內，受環(huán)境影響小，較適用于高原環(huán)境，所以在設計時宜優(yōu)選熔斷器作為設備的保護元件。

5? 結? 語

本文結合扎拉水電站對高海拔地區(qū)電氣設計中可能遇到的一系列問題進行分析和探討。高海拔環(huán)境對主要電氣設備的絕緣耐壓、電氣間隙和起暈電壓等方面都具有不同程度的影響。研究成果可為高海拔水電站工程的設備選型提供參考。

參考文獻：

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（編輯：張? 爽

）

Influence of high altitude environment on selection of electrical equipment for Xizang Zhala Hydropower Station

XU Zecheng1，OUYANG You1，YANG Lin2，YANG Jie1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China）

Abstract：

In order to explore the specificity of electrical equipment selection in high altitude environment，we involved an examination of Zhala Hydropower Station′s overview and on-site research data. Utilizing data analysis methods，the selection of electrical equipment in high-altitude environments，such as high-voltage distribution units，transformers，phase-isolated busbars，generators，and circuit breaker equipment were researched. The effects of high altitude environment on insulation voltage，electrical clearance and corona voltage of main electrical equipment were summarized. The parameter correction method for the selection of electrical equipment operating in high altitude environment was introduced.

Key words：

electrical equipment selection； high altitude environment； electric power facilities； Zhala Hydropower Station