川藏铁路牵引变电设备选择

薛 敏，侯 峰

(1.广州地铁运营总部基地维修中心，广东 广州 510380;2.广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

0 前言

川藏铁路拉萨至林芝段海拔均在2000m 以上，拉萨南变电所海拔更高达4450m。海拔较高区域的绝缘配合与传统低于1000m 的区域不同。电气设备外绝缘放电电压与大气压力、绝对湿度的变化趋势正相关，跟温度的变化趋势反相关。上世纪80 年代国内有相关探索发现，当海拔升高时，绝对湿度、气温以及气压均降低。绝对湿度下降则导致放电电压将降低，温度下降会导致放电电压上升，因此随着海拔的抬高以及绝对湿度及温度的变动，会对外绝缘的放电电压产生较大的整体影响。因此，如何确保牵引变电所开关设备选择的正确性，已成为川藏铁路电气化设备平稳运行的突出问题。

1 川藏铁路电气设备绝缘配合准则

1.1 绝缘配合准则

所谓绝缘配合，就是正确处理系统中出现的各种过电压与限压措施各种过电压与各种绝缘抗电性能之间的固有矛盾，选择相应的保护措施，确定该设备的绝缘耐受强度，藉此把作用在设备上的各种电压(如操作过电压及工频电压)所导致的电气开关设备绝缘损坏程度，减少到在经济和技术上可接受的水平。也就是说，绝缘配合是要正确处理各种电压、各种限压措施和设备绝缘耐受强度三者之间的配合关系，全面考虑设备造价、维修费用及故障损失三个方面，力求取得较高的经济效益。

电气开关设备应用地点的海拔区域会对其外绝缘强度产生影响，对其内绝缘则无此影响。

1.2 外绝缘电压确定

开关设备外绝缘水平应在吻合绝缘配合准则的条件下确定。一般地，设备安装处的污秽等级及海拔直接对电气开关设备的外绝缘产生影响。

比如海拔高度，设备安装处的大气压强、温度及湿度会对设备外绝缘间隙产生影响。三个因素综合考量，可得出如下结论:开关设备的外绝缘强度随着海拔高度的升高而降低。

目前，电气设备的常规绝缘强度及室外配电装置最低安全外绝缘空气间隙仅适用于海拔1000m 以下的情况，超过此高度，则必须进行绝缘修正。

2 川藏铁路沿线环境参数对设备外绝缘的影响

2.1 高海拔对设备绝缘强度的影响

现行标准中定义的耐受电压是绝对湿度为11g/m3、绝对气压为101.3kPa 时的电压。对于海拔比较高的区域，所处环境的气压与标准气压差异较大，开关设备的外绝缘强度会受到较大的影响。在海拔高度从0 升至5000m 的情况下，气压下降速率约为11%/km，外绝缘强度下降速率约为12%/km。

鉴于拉萨南变电所选用的电气开关的安装地及生产地点的海拔差异巨大，如江苏某高压开关厂生产的隔离开关，用于4000m 以上的地点时，开关绝缘性能会显著降低，为了确保绝缘强度以满足高海拔区域的条件要求，在实际安装条件下应对绝缘强度进行相应的修正。如果安装地点高度超过1000m，其外绝缘强度为标准条件下试验电压乘以相应的修正系数Ka:

式中U 为用于高海拔区域的测试电压(kV);U0是标准条件下的测试电压(kV)。

2.2 海拔修正系数的确定

《GB311.1-2012》明确说明，设备安装处的海拔高度介于1000～4000m 之间时，其外绝缘强度随着海拔的升高而降低。

海拔每抬高100 米，绝缘强度约下降1%，若试验高度不超过1000 米，则海拔修正系数Ka为:

式中H 为设备安装处的高度(m)。

《GB/T20635 》及《DL/T593 》则 参 考 了《IEC60694》相关规范中关于海拔修正系数的计算方法，该规范中提出Ka为:

式中H 为设备安装地点的高度(米)，m 为修正系数，在工频电压及雷电冲击电压情况下，修正系数m 的值可取1。

现行标准《GB/T20626.1-2006》则是专门适用于海拔1000m 以上5000m 以下、高原区域使用的高压电工产品规范，该规范将5000m 以下的海拔直接细分为五级，每个级别1000m，其相应的修正系数如表1。

表1 GB/T20626.1 规定的海拔修正系数

2.3 高海拔修正系数分析

高压开关设备的绝缘强度直接影响着设备的安全运行。由上文分析可以得出:空气密度会随着海拔高度的增加而降低，设备的外绝缘强度也会相应的下降，因此为了达到设备相对应的绝缘强度要求，设备安装地点的海拔越高，其修正系数就越大。

针对上文中式(2)及式(3)，得出两种修正算法的示意图，如图1 所示。

图1 海拔修正系数曲线

从图1 可以看出，式(3)修正曲线更加平缓，式(2)修正曲线的变化趋势更快，但在1000m 和4500m处，两种算法的修正参数值取等。

在海拔1000～4500m 范围内，式(3)修正系数均大于式(2)修正系数;当海拔超过4500 米时，式(2)修正系数大于式(3)修正系数。

在海拔1000～5000m 范围内，每隔500 米计算一次Ka 数值，可得出表2 结论。

表2 海拔修正系数对比表

从《GB311.1-2012》查阅得知，仅当海拔不高于4000m 时，可用式(2)进行估算;超过4000m，公式则不再适用。而《GB/T20635》则提出，在海拔不超过5000m 时，均可按照式(3)进行修正计算。从图1可以看出，式(3)的修正系数变化更加平缓。基于此，在进行拉萨南变电所27.5kV 开关设备选型设计时，采用式(3)来确定修正系数。

式(2)的算法较为简单，修正系数变化较大，更适用于粗略估算。

2.4 变电设备综合修正系数

《GB/T20635》和《GB/T20626.1》规定海拔分级从0 至5000m，每1000m 为一级，共分5 级，该分级概括了不同高度下电气设备的适用条件，对设备的标准化有一定的参考意义。但在实际应用中，海拔情况大多介于上述规范中规定的分级之间。

《GB/T20635》提出，当开关设备使用地点的海拔恰恰介于任意两个分级之间时，则选择较高等级。当设备实际安装海拔距离选用的海拔等级较远时，会降低设备选择的合理性。

《GB/T20626.1》则采用式(3)进行离散计算，实际上，从图1 中即可得出相应的修正系数，表2 则是根据式(3)，每隔500m 进行细分。若设备的安装高度不在此表中，一则可以直接带入式(3)中直接计算，二则可以根据表2 进行插值计算。

通过比较《GB/T20635》及《GB/T20626.1》可以得出，《GB/T20626.1》采用的方法，可以大大提高设备修正系数选型的合理性。

当设备试验地点不为1000m 时，根据式(3)，可以得出相应的修正参数Ka:

式中H 为设备安装地的海拔高度(m)，H0为设备试验点的海拔高度(m)。

由式(4)，可以得出电气开关设备不同试验点及不同安装地点的综合修正参数表，如表3 所示，相应的综合修正曲线，如图2 所示。

表3 即为川藏铁路27.5kV 变电开关设备选型的综合修正系数表。

表3 综合修正系数Ka

图2 综合修正系数曲线

3 27.5kV 电气设备的选择

空气间隙和绝缘子构成了电气设备的外绝缘。空气间隙的击穿电压及绝缘子的闪络电压和大气条件有关。随着海拔高度的抬高，空气密度降低，外绝缘放电电压随之降低，因此川藏铁路沿线变电所电气设备外绝缘配置必须考虑这一因素。

3.1 电气设备外绝缘额定耐受电压

电气设备的绝缘水平，应同时具有耐受工频过电压、操作过电压和雷电过电压的能力。并经过计算，分别给出相应的试验电压，或在已有的标准中选择相应的数值。

《交流电气装置的过电压保护盒绝缘配合》(DL/T620-1997)规定35kV 电压等级电气设备选用的耐受电压如表4、表5、表6(海拔1000 米以下)。

表4 电压范围I 电气设备选用的耐受电压

表5 输变电设备1 分钟工频耐受电压有效值

表6 输变电设备雷电冲击耐受电压

3.2 高压电气设备绝缘强度高海拔修正

参考表3 的结论，对表4、表5、表6 中的参数进行修正，可以得出下表7、表8 所示结论。

表7 设备1 分钟工频耐受电压有效修正值

表8 设备雷电冲击耐受电压修正值

从上表可以看出，当设备安装区域的海拔高度在2500m 以上时，工频耐压修正值及冲击耐压修正值已经远远大于海拔为1000m 时候的标准实验值，由此也印证了对海拔高度进行修正的必要性。同时，上述值并未考虑安装区域的污秽等级、设备运行重要性等因素，建议在实际应用中具体考虑，可以将绝缘等级提高一级。

对于35kV 设备的外绝缘试验电压，《国家电网公司物资采购标准(2009 年版)高海拔外绝缘配置技术规范(第二批)》中曾给出较为详细的规定，结合各工程的具体情况，实际选用的耐受实验电压要比上文所阐述的高一些。

川藏铁路拉萨南变电所海拔约为4450m 左右，除为川藏铁路供电以外，远期规划需考虑拉日铁路改造，预留一回馈线，因此，该变电所开关设备绝缘耐受强度建议提高一级选取，如表9 所示。

表9 拉萨南变电所开关设备耐受电压

本表仅针对川藏铁路27.5kV 牵引变电设备的选择进行了修正，对于220kV 设备，可依照表3 进行修正。

4 小结

在川藏铁路的设计过程当中，我院做了大量工作，严格执行工程建设强制性条文规定。通过对比分析现行国标中对海拔修正系数的不同规定，最终采用了综合修正系数的方法，更好地平衡了电气开关设备绝缘的安全性和经济性。拉萨南变电所为此后高海拔区域变电所建设提供了经验，也为川藏铁路供配电工程建设提供了有益借鉴。

［1］宋兵，张晓鹏，陈刚，等.27.5kV 电气设备绝缘水平及高海拔修正系数选择［J］.建筑电气，2013(4):13-19.

［2］汪秋宾，宋兵.高地震地区牵引变电所电气设施适应性分析［J］.电气化铁道，2013(1):4-9.

［3］龙玉华.高压电气设备外绝缘试验时高海拔修正因数的计算［J］.高压电器，1993(4):22-27.

［4］万启发，陈勇，谷莉莉，等.高海拔外绝缘海拔校正因数的初步探讨［J］.高电压技术，2003，29(5):6.

［5］何永德.高海拔地区变电站设计技术探讨［J］.四川水利，2010(6):5-7.

［6］孙广生，孔力，李安定.西藏安多光伏电站电气设备绝缘特性的研究［J］.电工电能新技术，2003(3):21-23.

［7］龚峰.基于IEC 标准的高压配电装置最小安全净距计算研究［J］.电气应用，2012(3):72-76.

［8］殷勤，郭洁，严强，等.外绝缘放电电压校正方法的分析与比较［J］.电瓷避雷器，2011(4):9-13.