刘春波 刘晓东

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

西藏某铜矿地处青藏高原高山峡谷区，海拔高度为4 560～5 124 m，空气稀薄、气压低，使得电气设备外绝缘和空气间隙的放电电压降低[1]。针对这类问题，传统做法是加强电气设备的外绝缘(如加大设备尺寸)和放大空气间隙等，但其在西藏某铜矿项目实施中有很大难度。因为海拔的不同，加强绝缘的程度也不同，所有设备都不能达到标准化设计采购，电气设备高度宽度都需要特殊设计，平面布置也随之加大，投资增加，给设计制造维护带来很多麻烦。

在西藏某铜矿项目中，根据电气负荷计算情况考虑配电电压为交流110 kV、35 kV、10 kV、380/220 V。其中110 kV和35 kV系统电气设备采用六氟化硫气体柜，可不考虑绝缘问题，因此，本文主要就10 kV系统电气设备外绝缘方面进行阐述。

1 高海拔地区的绝缘配合要求

在系统运行中作用于线路和设备绝缘上的电压，包括正常工频持续运行电压和来自系统外部的雷电过电压以及来自电力系统内部的操作过电压。正常工频持续运行电压下的绝缘配合应满足电气装置电瓷外绝缘的爬电距离，应符合相应环境污秽分级条件下的爬电比距要求，电气设备应能在设计寿命期间承受工频持续运行电压。电气设备耐受暂时过电压及操作过电压的能力，以电气设备的短时(1 min)工频耐受电压来表征。雷电过电压下的绝缘配合，应满足电气设备的雷电冲击绝缘水平，该水平以电气设备的雷电冲击耐受电压来表征[2]。因此，电气设备外绝缘应符合短时工频耐受(1 min)电压和雷电冲击耐受电压的要求。而绝缘配合就是正确解决系统过电压与限压措施之间的矛盾以及经过限压措施后的过电压与电气设备绝缘之间的矛盾[3-4]，然后达到安全经济供电的目的。

1.1 耐受电压的修正

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范(GB/T 50064—2014)》有关规定，10 kV电力系统电气设备的绝缘水平见表1。

表1 10 kV电力系统电气设备的绝缘水平

注：括号内外数据分别对应中性点低电阻和非低电阻接地系统。

随着海拔的增加，由于空气稀薄、气压低等因素，会造成空气绝缘强度减弱，中高压电气设备外绝缘水平降低。根据《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求(GB 11022—2011)》的有关规定，对于安装在1 000 m以上的高压电气设备，在使用场所要求的绝缘耐受电压是以标准参考大气条件下的绝缘耐受电压乘以修正系数来决定[5-6]。

Ka=em(H-1 000)/8 150

(1)

式中：Ka——修正系数；

H——海拔，m；

m——用于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压时，m=1；用于纵绝缘操作冲击电压时，m=0.9；用于相对地操作冲击电压时，m=0.75。

因此，在西藏某铜矿项目的设备绝缘配合设计中，绝缘水平需按照电气设备使用海拔高度根据式(1)计算修正系数，然后将表1中的数据进行修正后使用。

2 提高高海拔地区绝缘水平的措施

在高海拔地区(超过1 000 m)，为保证电气设备能够安全可靠地运行，可通过采取加强保护或加强绝缘等措施，保证高压电器安全运行。对于加强保护，一方面可以采用特殊制造、性能优良的避雷器或高原型过电压保护器，即采取限压措施限制过电压；另一方面可以改变中性点接地方式，使单相接地时不跳闸变为立即跳闸，降低过电压危害。加强绝缘是指在加强保护措施不能满足绝缘配合要求时，按照使用地区的海拔加强高压电器外绝缘，即提高绝缘结构。

2.1 改变电力系统中性点接地方式

电力系统中实际采用的中性点接地方式，按主要运行特性划分，可分为有效接地系统和非有效接地系统两大类。有效接地包括中性点直接接地和中性点低电阻接地；非有效接地包括中性点不接地、中性点高电阻接地和中性点谐振接地[7-8]。当电力系统的中性点接地方式由不接地或谐振接地改为低电阻接地时，系统发生单相接地故障时由不跳闸改为立即跳闸，以降低过电压危害，对设备的外绝缘要求随之降低。

以西藏某铜矿项目10 kV电力系统的电气设备为例，在海拔4 700 m地区，其绝缘修正系数为Ka=e1×(4 700-1 000)/8 150=1.57，两种接地方式下的绝缘水平修正值见表2。

表2 10 kV电力系统的电气设备绝缘水平修正值

在项目中使用某系列12 kV断路器，其参数为额定雷电冲击耐受电压75 kV、短时工频耐受电压42 kV。由表2可知：

1)当海拔高度小于1 000 m时，某系列12 kV断路器满足两种接地方式下的耐受电压，即满足绝缘配合要求。

2)在海拔4 700 m地区，当电力系统采用有中性点不接地方式时，电气设备的额定雷电冲击耐受电压/额定短时工频耐受电压为118 kV/66 kV，某系列12 kV断路器明显不能满足该耐压值,即不满足外绝缘要求；当电力系统采用中性点低电阻接地方式时，额定雷电冲击耐受电压/额定短时工频耐受电压为94 kV/44 kV，相比于中性点有效接地方式，耐受电压值降低，但某系列12 kV断路器耐压值依然不能满足外绝缘要求。

综上所述，在西藏某铜矿项目10 kV电力系统中，仅依靠改变中性点接地方式并不能实现电气设备的绝缘配合要求。

2.2 使用过电压保护器

过电压保护器可实现保护电气设备免受来自系统内外高瞬态过电压危害。当系统遭受雷电或内部过电压时，过电压保护器会先于与其并联的被保护设备放电，从而限制过电压，保护电气设备的外绝缘。根据电气设备使用地的海拔高度，项目采用高原型过电压保护器，通过合理选择过电压保护器的残压值来降低系统耐受电压，最终实现降低电气设备造价的目的。下文以某系列12 kV中压断路器设备为例，对其过电压保护器的参数进行选择。

2.2.1 过电压保护器残压值的选择

高原型过电压保护器的残压值选择，采用惯用法进行绝缘配合计算：首先要确定电气设备上可能出现的最高过电压；然后根据运行经验，乘以一个考虑各种影响因素及一定裕度的系数，即配合系数，来补偿在估算最大过电压和最低放电电压时的误差，据此来确定绝缘耐受的电压水平[9-10]。

2.2.2 过电压保护器型号的选择

1)在10 kV电力系统中，其最高电压为Um=12 kV，根据避雷器参数设计，系统采用中性点不接地方式时，相地持续运行电压为1.1Um=13.2 kV，相地额定电压为1.38Um=16.56 kV，在设备手册[11]中不能找到对应的设备，所以需特殊定制，因此不采用中性点不接地方式。

2)当系统采用中性点低电阻接地时，相地持续运行电压为0.8Um=9.6 kV，相地额定电压为Um=12 kV,根据设备手册[11]选择电站型复合绝缘金属氧化物避雷器HY5WZ2- 12/32.4。

通过以上计算分析，在10 kV电力系统选择中性点低电阻接地时，通过采用HY5WZ2- 12/32.4过电压保护器，可以限制过电压水平，实现电气设备绝缘配合要求。

2.3 增加导体间隙

3 结束语

本文所述的中性点低电阻接地结合过电压保护器的方式已在西藏某铜矿项目10 kV电力系统现场实施并运行，经现场回访及反馈，该系统运行安全可靠，没有出现电气设备因绝缘配合而导致问题的情况。此种保护方式，可将高海拔地区配电设备的外绝缘标准化，统一降低到标准值，保证了所有电气设备订货的标准化，同时为中高压电气设备在高海拔地区的绝缘配合设计提供一定的借鉴。