高海拔地区变电站设计技术探讨

何永德

(四川省电力设计院,成都,610072)

1 工程概况

玉龙铜矿 110kV总降变电站地处西藏昌都地区江达县境内,距昌都 145km,海拔 4500m,是我国目前单台主变容量最大(31.5MVA)、海拔最高、运行条件最恶劣的 110kV变电站之一,已超过国家规程规范的应用范围(规程规范只对海拔≤4000m的有相应的技术规定)。正因如此,在国内乃至世界上可以借鉴和参照的类似工程经验极少,这就对本工程的设计提出了严峻的挑战和考验。我院设计人员以高度的责任感进行了多方的收资和大量的研究、计算、校验及试验工作,最终提出了设计成果,并付诸施工、带电投产。本工程设计的成功,为我国今后高海拔地区变电站的建设提供了经验。

本变电站主变压器终期两台 31.5MVA,本期一台,预留一台;110kV终期出线 2回,本期 1回至昌都 110kV中心变,预留 1回;本期采用线路——变压器组接线方式,终期采用单母线分段接线,屋外中型软母线双列布置;10kV配电装置终期出线 28回,本期 11回,预留 17回,单母线分段接线,采用屋内配电装置,双列三通道布置;10kV中性点采用接地变压器和电阻接地方式,布置在 10kV配电装置内;10kV无功补偿采用TBB10-1500+1500-3W(GY)型户外式成套电容补偿装置。

2 110kV屋外配电装置最小安全净距的计算

110kV安全净距主要由操作过电压和雷电过电压决定,首先按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997中的附录 D(外绝缘放电电压的气象条件校正),计算对应的相——地和相——相空气间隙海拔修正系数 K,再计算对应的相——地和相——相 50%放电电压,最后查《电力工程电气设计手册》图 15-43、44确定 A1值(带电部分至接地部分)和 A2值(不同相带电部分之间)。

2.2 计算最小安全净距 A1和 A2值

2.1 计算海拔修正系数 K

式中:δ——相对空气密度,本工程为 0.635;

H——空气湿度校正系数,本工程空气绝对湿度 h为 2.2g/m3;

n——指数,与绝缘长度有关;

雷电及操作冲击电压波空气湿度校正系数 H计算:

正极性操作冲击电压波时的指数 n计算:

式中:li——绝缘的长度(对绝缘子即串的净长,对空气间隙即间距),m。

正极性雷电冲击电压波时,指数 n=1。

按上面公式计算,结果见表 1和表 2。

表 1 操作过电压下的K值

表 2 雷电过电压下的K值

2.2 计算最小安全净距 A1和 A2值

式中:σs.s——变电所相对地空气间隙在操作过电压下放电电压的变异系数,5%;

K6——变电所相对地空气间隙操作过电压配合系数,取 1.1。

式中:σs.p——相间空气间隙在操作过电压下放电电压的变异系数,3.5%;

K8——相间与相对地过电压的比值,对范围Ⅰ取 1.4;

K9——变电所相间空气间隙操作过电压配合系数,对范围Ⅰ取 1.6;

Up.l——对范围Ⅰ为计算用最大操作过电压,kV。

UR——避雷器残压 ,取 260kV(标称放电电流10kA)。

变电所的雷电过电压相间空气间隙可取相应对地间隙的 1.1倍。

将以上相关数据代入公式(4)中,并查《电力工程电气设计手册》第 890页图 15-43、44曲线,由查图 15-44曲线,得 A1=1250mm、A2=1350mm;由查图 15-43曲线,得 A1=1050mm、A2=1.1、A1=1155mm。计算结果见表3。

表 3 50%放电电压及最小安全净距A1和 A 2值

在实际工程应用中,考虑理论计算与实际情况的误差,A1、A2值可适当放大。

3 110kV电气设备绝缘水平的确定

本工程地处 4500m的高海拔地区,设备内绝缘无需提高。海拔超过 1000m的电气设备,其外绝缘应进行海拔修正:一是按基本带电距离 A值推算;二是按 GB311.1-1997规程中的 Ka值修正;三是考虑气象参数按 DL/T620-1997中附录D(外绝缘放电电压的气象条件校正)计算。通过以上方法进行综合比较校验,确定 110kV设备的外绝缘水平。结合国内设备情况,110kV设备采用 145kV级产品,适当加大空气间隙,适当提高设备外绝缘水平,即可满足高海拔外绝缘水平的要求。修正后的 110kV设备外绝缘水平见表 4。

表 4 110kV设备的外绝缘水平

4 长线路工频过电压问题

本工程 110kV线路由昌都 110kV中心变引接,长度 120km,线路对地电容不能忽略;在无负载电流的情况下,回路中将流过容性电流,线路末端电压将升高。

式中:U2——受端电压(玉龙铜矿变电站侧),开路;

U1——送端电压(昌都中心变电站侧);

β— —相角常数 (β =6°/100km,50Hz)。

即在空载时,玉龙铜矿变电站侧电压高出昌都中心变电压 1%,在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规程要求的允许值内(规程要求:对范围Ⅰ中的 110kV及 220kV系统,工频过电压一般不超过 1.3p.u.),加之本工程 110kV设备选用的是 145kV产品,故不需采取限制工频过电压的措施。

5 10kV系统设计

在海拔超过 4000m的变电站设计中,过去10kV系统一般采用 24kV开关柜或用 20kV～35kV元件来代替 10kV元件,投资增加较大。为此,我们对 10kV系统的设计进行了创新:采用“先加强保护,后加强绝缘”的创新技术方案,在10kV电网中,中性点采用低电阻接地方式,发生单相接地时直接跳闸。

当海拔≤1000m低电阻接地方式下,10kV雷电冲击耐受电压可由 75kV降低为 60kV,短时(1min)工频耐受电压可由 42kV降低为 28kV。在本变电站设计中,我们选用常规的 10kV高原设备(雷电冲击耐受电压 75kV,短时(1min)工频耐受电压 42kV),并与厂家协商,将 10kV避雷器的残压由 45kV降低为 32.4kV,考虑海拔修正系数后,经计算能满足绝缘配合要求,经过两年实践证明是成功的。通过本项目的创新和实践,希望能顺利逾越技术障碍,更希望为国内外提供高海拔设计的有益经验。

6 其他技术问题解决方案

6.1 接地问题。本工程区域内土壤电阻率非常高,属硬质岩型,未按常规将接地体埋在冻土层以下,采用降阻剂和换土方式(没有打深井),经昌都电力公司和昌都气象站防雷中心测试后,接地电阻达到 0.45Ω,效果良好。

6.2 主变压器运输。在昌都地区,110kV主变压器因运输条件差一般均采用现场组装,其缺点是外形大、运行时噪音高、损耗大。我院和厂家在考察了运输线路并制定相关措施后,由原来的现场组装方案改为整体运输,保证了主变压器的质量,运行时噪音小、损耗低。

6.3 建筑结构。为确保混凝土的抗冻性,在施工过程中设计对混凝土的密实度、水灰比、砂石级配、减水剂的添加等指标都作出了明确的规定,以确保工程质量。

6.4 建筑防腐。变电站位于铜矿厂区内,距离制酸、电解萃取车间不远。我院采取了先进的热镀锌防腐,控制防腐层厚度,建筑物外墙面、门窗及细部均采取了较为严格的防腐措施,确保了结构及构件在使用有效期内的可靠性。

7 结语

在西藏玉龙铜矿 110kV总降变电站工程设计中,我院做了大量的工作,精心设计,正确贯彻执行了国家的方针政策、规程规范,特别是严格执行了工程建设强制性条文的规定。在超过国家规程规范的应用范围(规程规范只对海拔≤4000m的有相应的技术规定)的情况下,提出“先保护,后绝缘”的科技理念,完成了高海拔、高土壤电阻率、强雷暴和深冻土环境条件下的本工程设计工作,为工程的顺利建成并达标投产创造了良好的条件。该变电站自 2007年12月投运以来,至今运行安全,没有发生人员、设备等的不安全事故,得到了建设各方的高度评价,取得了很好的经济效应、社会效应和环境效应。本工程设计的成功,为我国今后高海拔地区变电站建设提供了经验,同时也为玉龙铜矿的供配电工程建设提供了有益的借鉴。本变电站的设计得到了专家的一致肯定,荣获 2009年度四川省优秀工程设计二等奖。