林志海

(中铁第一勘察设计院集团公司电气化处,西安 710043)

高原气候对电气设备外绝缘的影响主要有两方面：一是随着海拔的增加,空气密度和绝对湿度均降低,其介电强度也随着降低,导致以空气为绝缘介质的电气外绝缘的放电电压下降。另一方面由于昼夜温差大,温度变化快,设备外绝缘表面容易产生凝露,绝缘强度急剧下降,极易产生运行电压的绝缘闪络。

某新建线路平均海拔高度3 000 m左右,海拔最高3 600 m,考虑到沿线复杂、恶劣的运行环境,牵引变电系统外绝缘统一按海拔高度4 000 m进行修正设计。而国内外目前尚无海拔高度大于3 000 m电气化铁路设计经验,因此如何优化设计该项目牵引变电系统绝缘空气间隙距离、高压电气设备、支持绝缘子、悬式绝缘子的外绝缘试验电压、泄漏距离以及悬式绝缘子片数等关键参数成为全新的研究课题。

1 绝缘空气间隙(A值)的确定

1.1 校正因数K的选用

国家及电力行业标准相关规定[1,2],外绝缘带电空气间隙的海拔校正因数等同于

K=1+0.1(H-1)

(1)

按海拔高度4 000 m修正后经计算空气绝缘间隙校正因数K=1.3；

根据铁标中相关规定[3],校正因数

(2)

按海拔高度4 000 m时空气绝缘间隙校正因数K取1.43。

除了上述国家及相关行业标准中的规定外,国内外研究人员也十分重视高原大气参数对外绝缘放电特性影响的研究。我院在青藏铁路格拉段的研究显示在海拔4 000 m时空气绝缘间隙校正因数采用K=1.42[4],而根据经典的巴申曲线修正,在海拔4 000 m时电气间隙的校正因数K=1.29。

综合考虑沿线恶劣的自然气候条件和工程实际要求,经过现场试验检验,设计中空气绝缘间隙校正因数K取1.43。

1.2 空气绝缘间隙的确定

基于上述分析,本线牵引供电系统各种电压等级的各种间隙修正值如表1和表2所示。

表1牵引变电室内配电装置的安全净距修正mm

名称110kV27 5kV海拔1000m以下规范规定值海拔4000m修正计算值海拔4000m修正选用值海拔1000m以下规范规定值海拔4000m修正计算值海拔4000m修正选用值A18501215 51250300429450A290012871300300429450B116001965 52000105011791200B29501315 51350400529550C31503515 53550260027292750D26503015 53050210022292250E5000550040004200

表2 牵引变电室外配电装置的安全净距修正 mm

2 牵引变电设备各项耐受电压的确定

2.1 校正因数Ka的选用

国家标准规定高海拔高压电器设备外绝缘额定绝缘水平高海拔按公式U=Ka×U0进行修正[5],其中试验电压海拔校正因数

(3)

式中，m为修正指数。对于雷电冲击和工频、操作冲击干试验电压,m取为1.0；对于工频、操作冲击湿试电压,m取为0.75。当m=1.0时,文献[6]的海拔校正因数与《高压输变电设备的绝缘配合》(GB 311.1—1997)[7]的要求没有本质上的区别,仅工频、操作冲击湿试电压略有减小。

铁标相关规定,其海拔校正因数同GB 311.1—1997规定,为1.43[8,9]。

我院在青藏铁路格拉段的研究显示,XP-70、XWP2-70、FXBW-10/70、QBN2-25等几种绝缘子的工频湿闪、干闪、污闪、冲击等特性在海拔4 000 m情况下校正因数比文献[7]规定的稍低[4]。

结合该线牵引变电设备型式试验情况,综合考虑海拔影响和规范的具体应用情况,牵引变电设备的各项耐受电压校正因数Ka取1.43。

2.2 耐受电压的确定

该线牵引变电设备各项耐受电压按额定耐受电压乘以海拔校正因数计算得出,见表3。

表3 牵引变电设备耐受电压 kV

3 绝缘泄漏距离的确定

3.1 绝缘子污闪电压与气压的基本关系

国内外对高海拔地区绝缘子串的污闪特性进行了广泛研究,提出高海拔下的污秽绝缘子交、直流闪络电压或耐受电压与气压成幂函数关系,其幂指数或气压影响特征指数n反映了高海拔下污秽闪络电压或耐受电压下降的特征。

根据文献[10]要求,绝缘子污闪电压与气压的关系一般表征为

Udng=U0(p/P0)n

(4)

式中，Udng为当气压为p时污秽绝缘子串的闪络电压或耐受电压,kV；U0为标准参考大气压P0下污秽绝缘子串闪络电压或耐受电压,kV；n为气压对污闪电压(耐受电压)影响的特征指数,反映绝缘子污闪电压随气压降低的程度,试验发现n值与电压形式、绝缘子外形和污秽程度均有关。

3.2 气压值(p)与特征指数值(n)的确定

(1)气压值p

根据文献[11]规定,海拔4 000 m处年平均气压值为61.7 kPa。

(2)特征指数n

特征指数n反映了污闪电压随海拔升高的降低程度,n值越大,表示气压或海拔因素对绝缘子污闪电压影响越大。我院在青藏铁路格拉段的研究表明,在等值盐密度为0.1 mg/cm2的污秽条件下：在海拔4 000～5 500 m,悬式绝缘子n值可取近似值为0.44；复核绝缘子特征指数可取近似值为0.60[4]。文献[10]给出了供参考的各种类型悬式绝缘子特征指数n,一般n值在0.4～0.8,并提出对于运行在高海拔污秽地区交流系统内的普通盘形瓷绝缘子,可以取n=0.5。清华大学对几种典型结构形状的棒式绝缘子在高海拔低气压条件下交流人工污秽试验表明[12]：同种绝缘子在同样污秽条件下不同海拔高度的污闪电压值计算出的n值差别并不显著。从工程设计角度出发,为简化设计,可取两种盐密条件下所得n值的平均值作为该种绝缘子的n值。国外研究表明提出各种类型绝缘子n值在0.29～0.75。

虽然不同的研究者、不同的研究方法、不同的绝缘子、不同的污秽条件,试验所得到的n值不同,但可以得出如下共同结论：n值和绝缘子的几何形状以及污秽程度有关系,由简单形状模型上所获得的n值比由复杂形状绝缘子上获得的n值小,不同形状绝缘子n值的差异和绝缘子伞裙的弧络现象有关。

通过研究该线各种牵引变电用绝缘子的外形特征,结合沿线污秽情况确定绝缘子的特征指数n，见表4。

表4 绝缘子的特征指数n的选用值

3.3 污秽等级及爬电比距

该项目沿线污秽较严重,部分地区分布有盐渍土路基和盐湖路基,盐雾污秽严重；另外沿线多处有装卸作业车站所在区段工业和生活污染严重,如何选取合适的污秽等级也是绝缘子绝缘泄露距离计算的主要因素之一[13]。文献[14]对环境污区进行了分级并给出了外绝缘选择标准,结合沿线污秽特点,本线爬电比距采用表5所示定值。

3.4 绝缘泄漏距离的计算

根据表4给出的悬式绝缘子外绝缘电压降低特征系数n值,同时按0.95考虑绝缘子的泄漏距离有效利用系数,牵引变电用悬式绝缘子、支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离确定如下。

表5 牵引变电污秽等级及爬电比距选用

(1)悬式绝缘子外绝缘泄漏距离

考虑绝缘子泄露距离和污闪电压是线性关系,即

m/mo=Uo/U

(5)

将式(4)代入式(5)可得

m=mo(po/p)n

(6)

根据式(6),悬式绝缘泄漏距离计算结果如表6所示。

表6 悬式绝缘子绝缘泄漏距离计算

根据我院与清华大学在青藏铁路110 kV输变电工程绝缘子选型试验成果计算的XWP2-70绝缘子在海拔4 000 m、Ⅳ级污秽条件下的结果(表7)，综合考虑上述各种计算方法,确定该项目牵引变电110、27.5 kV悬式、耐张绝缘子采用XWP2-70耐污型悬式绝缘子,分别选取11片和5片。

表7 XWP2-70绝缘子片数验算

(2)支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离

根据式(6),支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离计算结果如表8、表9所示。

表8 室外支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离计算

表9 室内支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离计算

根据表8、表9计算结果,同时考虑牵引变电设备及支持绝缘子的制造、试验情况,选择室内外支持绝缘子、电气设备外绝缘泄漏距离如下。

户外：U0=110 kV,m≮5 400 mm

U0=27.5 kV，m≮1 400 mm

户内：U0=110 kV，m≮4 100 mm

U0=27.5 kV，m≮1 200 mm

3 结语

高原高海拔环境对电气设备外绝缘影响较大,通过调研国标和行业标准,吸收消化既有研究成果,完成了该项目牵引变电系统外绝缘修正设计,得到了牵引变电所内外配电装置的空气绝缘间隙和高压电气设备耐受电压,计算了悬式绝缘子外绝缘泄漏距离和绝缘子片数、支持绝缘子和电气设备外绝缘泄漏距离等参数,并成功应用到工程实践中。目前该项目电气化工程已完成并开通运营,牵引变电设施的可靠和安全运行验证了设计的合理性,同时也为将来类似高海拔项目的牵引变电工程设计、施工、运营提供了重要的参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部.GB 50061—2010 66 kV及以下架空电力线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2010.

[2] 国家电力公司华东电力设计院.DL/T5092—1999 110～500 kV架空送电线路设计技术规程[S].北京：国家经济贸易委员会,1999.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[4] 田志军.青藏铁路隧道净空绝缘试验研究[R].西安：铁道第一勘察设计院,2006.

[5] 蒋兴良.青藏线电力线路试验研究[R].重庆：重庆大学,2007.

[6] GB/T20635—2006 特殊环境条件 高原用高压电器的技术要求[S].北京：中国标准出版社,2007.

[7] 中国电力企业联合会.GB311.1—97 高压输变电设备的绝缘配合[S].北京：中国电力出版社,1997.

[8] 铁道部科学研究院.TB/T 3036—2002,27.5 kV电气化铁道接触网用分段绝缘器[S].北京：铁道部科学研究院,2002.

[9] TB/T3150—2007 电气化铁路高压交流隔离开关和接地开关[S].北京：中国铁道出版社,2007.

[10] 中华人民共和国电力工业部.DL/T 562—95 高海拔污秽地区悬式绝缘子串片数选用导则[S].北京：中华人民共和国电力工业部,1995.

[11] 中国电气工业协会.GB/T 14597—2010 电工产品不同海拔的气候环境条件[S].北京：国家标准化委员会,2010.

[12] 关志成,等. 绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社,2006.

[13] 魏俦元.接触网棒式绝缘子大面积污闪原因分析及防范对策[J].铁道标准设计,2008(1)：101-103.

[14] 国家技术监督局.GB/T 16434—1996 高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准[S].北京：中国标准出版社,1996.