高原型架空出线27.5kV气体绝缘开关设备设计研究

陈 刚 王 健 黄协平

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.常州赛尔克瑞特电气有限公司， 常州 213033)

高原型架空出线27.5kV气体绝缘开关设备设计研究

陈 刚1王 健1黄协平2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.常州赛尔克瑞特电气有限公司， 常州 213033)

高海拔地区环境条件对电气开关设备的电气性能影响较大，通常需要根据高海拔环境条件对电气设备重新设计以满足高原地区使用要求,设备的造价将大幅增加。为设计出适合高海拔地区电气化铁路使用的27.5 kV电气开关设备，文章详细分析了高海拔地区环境条件对电气开关设备的影响，提出了高海拔地区27.5kV开关设备采用不受海拔高度影响的气体绝缘开关柜，同时将开关柜出线方式由电缆出线调整为架空出线的设计方案。并通过理论分析、数值计算、结构设计、仿真研究等方法，设计出了高原型架空出线27.5kV气体绝缘开关柜，进行了样机制造，通过了高海拔试验验证，为今后高原地区电气化铁路设计和电气设备选型提供了参考依据。

高海拔； 绝缘水平； 27.5 kV开关设备； 27.5 kV气体绝缘开关柜； 架空出线； 绝缘套管

1 引言

根据国家标准，高压开关产品适用的海拔环境为1 000 m及以下，超过1 000 m以上海拔高度的电气产品都需使用高原型产品，针对高海拔环境条件对产品进行调整、改进和设计，使其满足高原的特殊环境条件。海拔在 3 500 m以上地区，一般的高原型电气设备外绝缘水平已经不能满足绝缘要求，为此需选用提高一个电压等级的电器设备，工程投资大幅增加。

针对高海拔地区铁路牵引供电设备的特殊运行环境，综合考虑高海拔气候条件对电气设备性能的影响牵引变电所27.5 kV侧开关设备不同的布置形式及进出线方式在高海拔地区使用上的差异情况，专门研制了一种适用于高海拔5 000 m以下地区的27.5 kV气体绝缘架空出线开关设备。

2 高海拔环境条件对27.5 kV电气开关设备性能的影响

2.1 空气密度和湿度对绝缘配合海拔修正的影响

空气间隙的闪络电压取决于空气中的绝对湿度和空气密度。绝缘强度随温度和绝对湿度增加而增加，随空气密度减小而降低。湿度和周围温度的变化对外绝缘强度的影响通常会相互抵消。因此，电气设备外绝缘的绝缘配合海拔修正仅考虑空气密度的影响。

在海拔0～5 000 m范围内，海拔每升高1 000 m，气压降低约7.7～10.5 kPa，外绝缘电气强度降低约8%～13%[1]。对于使用在海拔高于1 000 m处的设备，为了在1 000 m海拔以下地区对电气设备做绝缘试验，应对试验电压值进行修正，修正公式如下：

U=KaU0

(1)

(2)

式中：U——用于高海拔地区的高压电气设备在海拔1 000 m以下地区试验时的耐受电压(kV)；

U0—高压电气设备的额定耐受电压(kV);

Ka——海拔修正系数;

H——设备安装地点的海拔高度(m)；

m——空气密度修正指数，对于工频、雷电冲击电压，m=1。

根据27.5 kV电气设备额定绝缘水平[2]和式(2)计算的海拔修正系数Ka，用公式(1)计算出的27.5 kV电气设备外绝缘水平按海拔1 000 m为一档进行分级的短时工频耐受电压和雷电冲击耐受电压分别见表1和表2。

表1 27.5 kV设备外绝缘短时工频耐受电压(有效值)(kV)

表2 27.5 kV设备外绝缘雷电冲击耐受电压(峰值)(kV)

2.2 空气温度降低及温度变化增大的影响

平均空气温度和最高空气温度均随海拔升高而降低，环境空气温度的补偿值一般为0.5 K/100 m。表3给出了我国电力部门实地研究所采集的温度与海拔高度的关系。一般情况下，高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起电工产品运行中温升的增加。

表3 海拔高度与温度的关系

高海拔地区昼夜温差大，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。

另外高海拔地区热辐射及紫外线强度较低海拔地区增加较大。热辐射对物体起加热作用，引起户外电气产品表面温升增加，降低有机绝缘材料的性能，使材料变形、产生机械热应力。紫外线则会使空气容易电离，加速了裸露在外的绝缘材料老化、变形，使得电气设备容易出现绝缘破坏等问题。

2.3 高海拔地区27.5 kV电气设备选型

我国既有铁路牵引变电所27.5 kV侧开关设备在低海拔地区常采用户外单体布置、户内双列网栅布置及空气开关柜等布置形式[3]，均以空气作为绝缘介质，全部电气元件及导体均裸露在空气中，其外绝缘性能受空气绝缘强度的限制。在27.5 kV的额定电压下，随着海拔高度的升高，设备外绝缘水平及最小空气间隙需要修正加大以满足绝缘要求，使得设备的体积及布置间隔变得庞大，制造工艺复杂，制造成本大幅增加，目前市场上能够满足海拔3 500～5 000 m使用的27.5 kV的空气开关柜的价钱要高于常规海拔使用的27.5 kV的充气开关柜的价格。另外，由于高海拔地区温差增大及热辐射、紫外线强度增强，使得裸露在外的开关设备容易出现绝缘破坏、闪络跳闸等问题，需要定期检修维护。

气体绝缘开关柜主要的一次设备如断路器、隔离开关、母线、电流互感器等均安装于以SF6气体作为绝缘介质的密封箱体内，不受外界环境的影响[4]，依靠气体的高绝缘特性和气箱的良好密封性，可使设备20年不需要维护。在任一海拔处，充气开关柜的内绝缘特性都是相同的，不需要进行海拔修正。能够很好的适应高海拔地区使用环境。因此在高海拔地区应用越来越广泛。目前国内外常用的气体绝缘开关柜均采用高压电缆出线方式，柜体典型设计如图1所示。

图1 27.5 kV气体绝缘电缆出线开关柜典型设计图

柜体主要由气箱、仪表箱、底框及高压电缆插拔口4个部分组成。气箱位于开关柜上部，断路器、高压母线、互感器等一次设备均布置于气箱中。高压电缆插拔口位于气箱的底部，高压电缆通过插拔式电缆终端与开关柜内母线连接。

由于电力电缆采用绝缘介质将金属导体与外界隔离，敷设在地面或地下，主要优点敷设较方便，占用土地资源较少，不影响城市市容，因此电缆出线形式在大城市中心地区的铁路牵引变电所内广泛使用。但电力电缆一次性投资大，且附件的安装工艺要求非常严格，对作业环境和现场施工场所的要求高，一旦现场施工对电缆附件的安装重视不够，就会留下事故隐患。在高海拔地区，电缆附件也需要进行高海拔电气参数修正，且高海拔地区牵引变电设施运输维护道路极为有限，一旦电缆附件出线故障，其停电检修的时间将大幅增加，将严重影响铁路正常安全运行。

相比高压电缆，架空线是裸露的金属导体，在空中架设，以绝缘子串固定在杆塔上，以空气为绝缘，投资成本低、机动性强、故障概率低、故障后便于检修更换，因此架空出线布置形式能够更好的适用于高海拔地区。

3 27.5 kV气体绝缘架空出线开关设备设计方案

针对高海拔地区特殊使用环境专门设计的架空出线27.5 kV气体绝缘开关柜各功能柜体设计，如图2～图4所示。

图2 进线柜示意图(mm)

图3 母线电压互感器、避雷器柜示意图(mm)

图4 母线隔离柜示意图(mm)

各功能柜体主要由气箱、仪表室、底框及绝缘套管4个部分组成。气箱按各柜型的功能及主要组成部分可分为：母线室、断路器室、三工位隔离开关(包括母线或母线的一部分)室等独立的气室，出线绝缘套管位于气箱的顶部。断路器室内有内置式电流互感器、断路器和连接排。母线室内有A、B两组母线，通过三工位隔离刀与断路器室内回路相连，母线室可根据需要配插接式电压互感器和插接式氧化锌避雷器。

各柜体结构模块化，通过组合可以满足各种主接线的要求及各种不同使用场合的需要。充气开关柜在制造厂总体装配、调试、整体运输，到现场后成套吊装就位，现场安装时可不涉及SF6气体的处理。

4 专用架空出线绝缘套管设计

高原型架空出线27.5 kV气体绝缘开关柜其柜内设备仅是元器件安装布置位置发生变化，其柜内元器件的绝缘性能不发生变化。需要进一步特殊设计的是高原型架空出线绝缘套管，它承担对地绝缘和固定引线的作用，其综合性能对成套设备的高压试验及运行可靠性具有重要的意义。我们专门设计了一款满足海拔5 000 m使用的出线绝缘套管，如图5所示。

图5 出线绝缘套管示意图

架空出线绝缘套管对地绝缘分为外绝缘和内绝缘两部分。外绝缘设计就需要考虑架空出线绝缘套管的干闪距离、爬电距离、伞形等因素；内绝缘设计的重点主要为接地内屏蔽电极的设计，保证电场分布均匀和各种工况下的场强在允许值之内。

4.1 架空出线绝缘套管外绝缘设计计算

(1) 绝缘套管干闪距离的海拔修正计算

根据上述表1及表2中的数据，出线绝缘套管外绝缘在海拔1 000 m及以下需要满足的绝缘水平为：1 min工频耐受电压试验95 kV 、雷电冲击耐受电压试验200 kV。当设备安装在海拔 5 000 m地区时，1 min工频耐受电压修正值为155 kV ；雷电冲击耐受电压修正值为 326 kV。

借鉴大气中瓷件闪络电压分布的标准偏差值，对出线绝缘套管外绝缘距离根据海拔 5 000 m修正后的雷电冲击耐受电压、1 min工频耐受电压进行计算[5]。

工频干闪耐受电压：

Ug=(2.9Lg1+25)×(1-3.08σ1)

(3)

雷电冲击电压耐受值：

Uth=(5.7Lg2+20)×(1-3.08σ2)

(4)

式中：Lg1、Lg2——工频及雷电冲击电压下的绝缘子外部干闪距离(cm)；

σ1——1 min工频电压下闪络电压分布标准偏差，取σ1=5%；

σ2——雷电冲击电压下闪络电压分布标准偏差，取σ2=3%。

根据式(3)取Ug=155 kV ，则Lg1=54.4 cm；

根据式(4)取Uth=326 kV，则Lg2=59.4 cm。

因此取架空出线绝缘套管的外绝缘干闪距离设计基准为：Lg=60 cm 。

(2)绝缘套管爬电距离的海拔修正计算

TB/T 2805-1997《电气化铁道牵引变电所供电设备绝缘水平》规定污秽水平与最小公称爬电比距关系见表4。

表4 污秽水平与最小公称爬电比距关系

为了保证运行可靠，留有足够的设计余量，其爬电比距设计基准选取22 mm/kV。

表5 海拔高度对应的绝对湿度关系

根据表5可知，海拔5 000 m绝对湿度1.77 g/m3，湿度较海拔1 000 m以下有所降低，沿面闪络起始电压也降低，因此需要增大爬距，参考《湿度对绝缘表面工频闪络电压的影响》中数据，支柱绝缘子在绝对湿度1.77 g/m3时的工频闪络电压为255 kV，绝对湿度11 g/m3中的最高工频闪络电压是310 kV，则由于湿度的下降，工频闪络电压下降最大系数为310/255=1.22，设计基准选取1.3[6]。因此，海拔5 000 m处的出线绝缘套管外绝缘表面的爬距基准值取：31.5 kV×22 mm/kV×1.3=900.9 mm。

(3)绝缘套管伞形及屏蔽极的设计

绝缘套管的上半部分用大中小三种伞径间隔，高低伞裙错落，来增加滑闪有效距离；而绝缘套管的下半部分，为了配合接地内屏蔽而采用小伞，且伞根往外延伸来降低伞面场强，如图6所示。

图6 绝缘套伞群示意图

在套管内部设置接地内屏蔽环来均衡出线绝缘套管下端的电位和场强分布，降低接地内屏蔽环端部的场强，从而间接降低其对应外伞裙处的场强，避免伞裙下端对地出现闪络放电现象，有效的改善了架空出线绝缘套管的电场分布情况，增大了架空出线绝缘套管的外部干闪有效距离，从而提高了架空出线绝缘套管的绝缘水平。

4.2 架空出线绝缘套管内绝缘设计计算

对在SF6气体中的绝缘套管部分进行结构设计时，考虑更多的是电场分布的均匀性，以及绝缘件表面场强。为了满足设计要求，绝缘件各处最大场强需要限制在允许值之内。

考虑到SF6气体负极性的冲击系数，雷电冲击击穿的冲击系数为1.4，高于操作冲击的1.05和工频耐压的1.0，计算时仅采用雷电冲击耐受电压值进行计算和分析。在某一压强p(绝对值)下，导体及屏蔽罩表面雷电冲击负极性电压击穿场强EB按照式(5)计算：

EB=(63p+2.4)×(1-3σ)

(5)

式中：EB——导体及屏蔽罩表面雷电冲击负极性电压击穿场强(kV/mm)；

σ——雷电冲击电压下闪络电压分布标准偏差，取σ2=5%；

p—最低气压强度(MPa)。

文中所分析绝缘套管运行的SF6气体封闭气箱的最低气压绝对值为0.11 MPa，按式(5)计算得出，工程击穿场强为：EB=7.93 kV/mm。SF6气体中，雷电冲击耐受试验电压下，绝缘件表面允许场强Eτ按照式(6)计算：

Eτ=(0.85×EB)/2

(6)

式中：Eτ——绝缘件表面允许场强(kV/mm)。

根据式(6)计算得气体压力为0.11 MPa时 SF6气体中绝缘件表面允许场强Eτ=3.37 kV/mm 。

根据上述计算结果，套管整体设计如图7所示。

图7 出线绝缘套管结构示意图

绝缘套管由导电棒、环氧树脂、接地屏蔽环和固定嵌件组成。它一端在SF6气体中，一端裸露在空气中。外绝缘部分采用大小相间伞裙，干闪距离600 mm，爬电距离1 350 mm；内绝缘部分采用“矮胖”形结构，增加接地内屏蔽来均匀电场。

设计完成后，依据相关国家标准进行试验验证，计算分析结果和试验实测结果吻合，验证了架空出线绝缘套管设计方案的合理性。

5 结束语

本文分析了高海拔地区环境条件对27.5 kV开关设备性能影响及高海拔地区27.5 kV电缆及附件使用存在的问题，结合了高海拔地区特定的环境、使用需求、运营维护的需要，推荐高海拔地区27.5 kV开关设备采用不受海拔高度影响的气体绝缘开关柜，同时将开关柜出线方式由电缆出线调整为架空出线。对27.5 kV架空出线气体绝缘开关柜进行方案设计，调整内部元器件安装布置方式，并对架空出线套管进行海拔5 000 m电气参数计算和研究，使之满足高海拔环境使用需求。根据研究结果进行了样机的制造，并依据国家标准进行型式试验和高海拔试验验证，通过验证得出计算分析结果和试验实测结果相吻合，证明设计方案是合理可行的。

高原型架空出线27.5 kV气体绝缘开关设备的成功研发有利于提高高原地区电气化铁路运行的可靠性，减少电气设备故障概率，降低电气设备故障对行车的影响，减少运营维护工作量。为电气化铁路在高原地区的推广和运用提供了技术支持。

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Design Research on Overhead Outlet 27.5 kV Gas Insulated Switchgear

CHEN Gang1WANG Jian1HUANG Xieping2

(1. China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd, Chengdu 610031;2. Changzhou Self-creation Electrical Co.,Ltd, Changzhou 213033，China)

High altitude area environmental conditions have a great influence on the electrical performance of the electrical switchgear. It usually needs to be redesigned to meet the use at high altitude environment, and the Manufacturing costs increased significantly. In order to design the 27.5 kV electric switchgear suitable for high altitude areas, the paper analyzes the influence of environmental conditions on the electrical switchgear in high altitude areas and puts forward the use of the 27.5 kV cubicle type gas insulated switchgear which Not influenced by altitude . Through theoretical analysis, numerical calculation, structural design, simulation research and other methods, the 27.5 kV overhead wires connecting cubicle type gas insulated switchgear is designed. Based on the results of the research, the manufacture of the prototype is made, and the high altitude test is carried out, which provides a better choice for the switching device selection of the traction power supply system in high-altitude uses.

high altitude; insulation level ; 27.5 kV switchgear; 27.5 kV gas insulated switchgear; overhead outlet; insulated bushing

2015-09-05

陈刚(1977-)，男，高级工程师。 基金项目：中铁二院工程集团有限公司科研项目《高原型架空出线27.5 kV单相GIS充气柜研究及应用》(计划号14126113(14-15))

1674—8247(2016)02—0024—05

U224.2

A