高海拔环境对西藏扎拉水电站电气设备选型的影响研究

徐则诚 欧阳友 杨麟 杨杰

收稿日期：2023-09-18

作者简介：

徐则诚，男，工程师，主要从事水电站机电设计和科研工作。E-mail：xuzecheng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐则诚，欧阳友，杨麟，等.

高海拔环境对西藏扎拉水电站电气设备选型的影响研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：99-102.

摘要：

高海拔环境下电气设备选型工作存在特殊性，通过梳理扎拉水电站概况和实地调研数据，运用数据分析方法，对高海拔环境下电气设备，如高压配电装置、变压器、离相封闭母线、发电机、低压开关设备等的选型问题进行研究。研究总结了高海拔环境对主要电气设备的绝缘耐压、电气间隙和起晕电压等方面的不同程度影响，以及在高海拔环境下运行的电气设备选型的参数修正方法。

关键词：

电气设备选型； 高海拔环境； 电力设施； 扎拉水电站

中图法分类号：TV61

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.017

文章编号：1006-0081（2024）06-0099-04

0  引  言

高海拔环境对电气设备的性能和可靠性产生重要影响。电气设备在高海拔地区常常面临气压、气温和空气稀薄程度等因素的变化，对其绝缘能力、散热性能和冷却效果等方面带来挑战。正确选择适合高海拔环境的电气设备，可以确保设备的安全运行和可靠性，同时降低维护成本和风险［1-2］。

本文深入探讨高海拔环境下水电站电气设备选型工作，以扎拉水电站为例进行案例研究，运用文献综述和数据分析方法，分析高海拔环境对电气设备选型的影响，并提出相应的选型原则和技术要求，旨在为高海拔环境下水电站电气设备选型提供参考。

1  工程介绍

西藏扎拉水电站主要开发任务为发电，采用混合式开发方式，坝址位于左贡县碧土乡扎郎村附近，厂址位于察隅县察瓦龙乡珠拉村，距左贡县城约136 km，距昌都约290 km。扎拉水电站水库正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，总库容914万m3，总装机容量1 015 MW（含生态电站15 MW），

为Ⅱ等大（2）型工程。枢纽主要建筑物由挡泄水建筑物、引水隧洞、电站厂房组成。电站压力引水隧洞采用一洞四机布置、圆形断面，引水线路长约5.5 km；电站厂房为河岸式，可研阶段推荐安装4台250 MW冲击式水轮发电机组。

扎拉水电站具备进一步提高单机容量的工程条件，是国内少有的可开展250～500 MW级冲击式水轮发电机组科研攻关的工程项目。各参建单位对500 MW冲击式水轮发电机组的设计和制造可行性进行了分析论证，并于2021年11月编制完成了《西藏扎拉水电站机组容量优化论证报告》。报告认为，单机500 MW方案虽然技术上难度大，存在一定的风险，但机组的设计制造基本可行，风险可控，推荐扎拉水电站采用2台500 MW装机方案，对促进西藏地区水电开发建设意义重大。

本阶段确定的电气主接线方案为：发电机与主变压器的组合方式采用单元接线，发电机出口设置断路器，500 kV侧2进3出（含一回联变）采用3/2断路器接线。220 kV电压侧采用不完全单母线接线，通过联络变压器升压至500 kV后接入双断路器串。

2  环境条件

根据左贡县气象站1978～2010年观测资料统计，扎拉水电站的环境条件见表1。

由于电站设备使用地点在海拔1 000 m以上，空气密度较低，大气压力较小，温度变化剧烈，对电气设备的电晕、温升、外绝缘等方面有一定影响，因此在设备选型时需要考虑海拔因素，并对数据进行修正。

3  高海拔对电气设备性能的影响

（1） 对温升的影响。当电气设备使用于高海拔地区时，海拔升高导致空气密度降低，使空气介质对于一些以自然对流、强迫通风或空气散热器等形式进行散热的电气产品的效果降低，并导致电器内部温度升高。据研究，海拔0～5 000 m范围内，每升高1 000 m，温升会相应地增加3%～10%［1］。值得注意的是，随着海拔的升高，环境温度也会随之降低，从而起到一定的补偿作用。在设计高海拔地区电气设备时，需要根据设备种类、海拔高度以及使用条件进行相应的修正，以保证其正常的工作环境。同时，户外使用的导体和电气设备还需考虑日照对其产生的影响。因此，对于电气设备的额定使用电流等参数也需根据实际情况进行修正。

（2） 对外绝缘的影响。高海拔地区空气压力降低，造成空气绝缘强度下降，引起电器外绝缘体强度降低，外绝缘表面及不同电位的带电间隙较易击穿，需考虑其耐压问题。在海拔0～5 000 m 范围内，每千米高度平均气压降低 7.7～10.5 kPa，外绝缘体强度会降低8%～13%。此外，试验证明海拔升高对电气设备内绝缘无明显影响［2］。

（3） 对起晕电压的影响。随着海拔升高，高压交流设备的电晕起始电压降低，因此电晕现象比平原地区更严重。电晕的起晕电压与海拔高度及电场不均匀程度有关，电场不均匀程度越大，海拔越高，起晕电压越低。海拔每升高100 m，起晕电压降低约1%。电晕会增加电能损耗，加速电气设备绝缘老化和金属腐蚀，同时对无线电通信产生干扰［2-3］。

（4） 对动作性能的影响。由于海拔提高，气温低，散热困难，与环境有关产品的动作特性可能受到影响而导致动作误差加大。例如采用热脱扣器作为过载保护部件的断路器与热继电器，其双金属片在高原环境下由于散热条件的变化，脱扣特性会发生一定偏移［4-5］。

4  电气设备选型

扎拉水电站的主要电气设备包括发电机、发电机断路器、离相封闭母线、油浸式主变压器、厂用干式变压器、550 kV与252 kV高压配电装置等设备，在设备选型时需考虑高海拔环境对电气设备的影响。

4.1  高压配电装置

扎拉水电站220 kV、500 kV配电装置采用GIS、断路器、隔离开关、CT、PT等设备封装在SF6套管腔体内，绝缘介质为SF6，GIS设备内绝缘与海拔高度无关，SF6/空气出线套管、电压互感器和避雷器为敞开式设备，其绝缘水平需进行海拔修正。

绝缘耐受电压由标准参考大气压条件下的绝缘耐受电压乘以修正系数ka1来决定，修正系数ka1及修正绝缘耐受电压U（PH）按式（1）～（2）计算［6-8］：

U（PH）=ka1U（P1000）（1）

ka1=emH-10008150（2）

式中：U（P1000）为海拔高度1 000 m时空气间隙的放电电压，kV；m为系数，工频、雷电过电压取1.0；H为海拔高度，m。扎拉水电站按海拔2 500 m计算550 kV敞开式设备外绝缘水平，见表2；252 kV敞开式设备外绝缘水平见表3。

4.2  变压器

主变压器采用现场组装式双卷油浸强迫油循环风冷变压器，额定容量280 MVA，高压侧采用油/SF6套管接至550 kV GIS，低压侧与15.75 kV离相封闭母线相连；联络变压器为现场组装式、三卷、油浸强迫油循环风冷自耦变压器，额定容量分别为400，400，130 MVA。550 kV侧和220 kV侧出线采用油/SF6套管与GIS相连，35 kV侧采用电缆出线。

油浸式变压器内绝缘与海拔高度无关，需进行高海拔温升修正。厂用变压器均为干式变压器，需进行外绝缘参数修正、电气间隙参数修正和高海拔温升修正。温升限值部分，对于风冷式油浸式变压器，应按安装场所的海拔高于1 000 m的部分，每增加250 m时降低1 K。油浸强迫油循环风冷变压器温升限值见表4。

对于干式变压器，在海拔超过1 000 m的部分，以每500 m为一级，风冷降低5％，自冷降低2．5％。F级绝缘环氧树脂干式变压器允许温升为100 K，按海拔2 500 m进行修正，风冷变压器允许温升降低15％，设计值为85 K；自冷变压器允许温升降低7.5%，设计值为92.5 K。外绝缘修正系数按式（2）计算，按2 500 m计算修正系数为1.202。以空气绝缘的产品，其电气间隙的海拔修正系数值推荐选用表5参数。

采用插值法，按2 500 m进行修正，电气间隙修正系数可取1.205。绕组线端和中性点套管带电部分的最小空气间隙见表6～7。

4.3  离相封闭母线

发电机额定电流17 820 A，最大工作电流18 711 A，发电机主母线与分支回路采用全连式离相封闭母线。全连式离相封闭母线具有安全可靠、外壳屏蔽效果好、母线载流量大、占据空间小、便于安装维护等优点。

对用于海拔高于1 000 m，但不超过4 000 m处的金属封闭母线的绝缘，参照GB 311.1-2012《高压输变电设备绝缘配合》的要求，海拔每升高100 m，绝缘强度约降低1%，即校正因数ka2按式（3）计算：

ka2=11.1-H×10-4（3）

式中：H为海拔高度，取2 500 m。计算得到校正因数ka2=1.176。

主回路离相封闭母线额定电压18 kV，额定电流20 000 A，根据GB/T 8349-2000《金属封闭母线》规定，18 kV金属封闭母线额定1 min工频耐受电压湿式有效值为45 kV，干式有效值为61 kV，额定雷电冲击耐受电压峰值为115 kV。经过高海拔修正，绝缘水平为：额定1 min工频耐受电压湿式有效值为53 kV，干式有效值为72 kV，额定雷电冲击耐受电压峰值为136 kV。

4.4  发电机

对于在高海拔地区运行的水轮发电机组，定子线棒与定子绕组的防电晕和绝缘性能至关重要。当设备安装在海拔高度高于1 000 m 时，要对设备外绝缘的耐压值进行修正，修正系数按式（2）计算，按2 500 m计算修正系数为1.202。同时，要对起晕电压的试验值进行修正。起晕电压修正系数按式（4）计算，定子线棒和绕组的起晕电压值按式（5）和式（6）计算。

KQ=（1-KHS）1-KHA（4）

式中：KQ为起晕电压修正系数；

K为电晕起始电压

随海拔升高的递减率，取0.1 km-1；HS为试验地点

的海拔，km；

HA为安装地点的海拔，km。

UBS=1.5KQUN（5）

式中：UBS为定子线棒的电晕起始电压，kV；UN为电机额定电压，kV。

UIS=1.5KQUΦ （6）

式中：UIS为绕组的电晕起始电压，kV；UΦ为电机额定相电压，kV。

4.5  低压开关设备

常规型低压电器在海拔2 500 m时仍有60％的耐压裕度。通过对常规国产继电器与转换开关等试验，在海拔4 000 m及以下地区，均可在其额定电压下正常运行。

低压开关具有较高的工作电压，用于高海拔环境中，为保证可靠性，其额定工作电压需相应降低。此外，低压开关设备一般安装于户内及电气箱体内，散热条件差，工作环境温度降低无法全部抵消散热不利的影响，需考虑降低容量使用。

高海拔环境对低压断路器脱扣及动作特性有一定影响。采用热脱扣器作为过载保护部件的断路器、热继电器，其双金属片在高原环境下由于散热条件的变化，脱扣特性会发生一定偏移。不同产品偏移程度有一定的分散性，但均在其技术条件规定的特性曲线范围内，因此可根据现场实际调试情况进行微调。断路器磁脱扣采用电流启动的电磁线圈，不受海拔影响。采用电子脱扣器的低压电器产品的脱扣动作特性不受高海拔环境影响，无需进行调整和修正，但应适当考虑电子元件的散热问题。高海拔环境下，常用熔断器的熔断特性最大偏差均在允许偏差的50％以内，受环境影响小，较适用于高原环境，所以在设计时宜优选熔断器作为设备的保护元件。

5  结  语

本文结合扎拉水电站对高海拔地区电气设计中可能遇到的一系列问题进行分析和探讨。高海拔环境对主要电气设备的绝缘耐压、电气间隙和起晕电压等方面都具有不同程度的影响。研究成果可为高海拔水电站工程的设备选型提供参考。

参考文献：

［1］  罗双华.高海拔电气设备特点及设计要求［J］.城市建筑，2014（33）：318-319.

［2］  余晓光.高海拔地区电气设计探讨［J］.现代建筑电气，2017，8（10）：33-36.

［3］  刘鹏，张军，谢梁，等.4000 m高海拔地区特高压变电站导线电晕特性与选型研究［J］.高电压技术，2023，49（7）：2919-2928.

［4］  涂宗丽.浅谈高低压成套开关设备在高海拔环境的应用［J］.山东工业技术，2017（13）：264.

［5］  龙剑，赵磊，王明涛，等.高原环境对低压电器性能的影响［J］.电工技术，2021（21）：138-142.

［6］  田冰冰.高原地区的电气设备影响及选择［J］.中国设备工程，2017（13）：203-205.

［7］  吴卫良.高海拔水电站电气设备外绝缘水平修正方法研究与应用［J］.湖南水利水电，2022（4）：34-37.

［8］  彭志远，桂绍波，陈笙，等.高寒高海拔地区水电站水力过渡过程计算与分析——以德罗水电站为例［J］.水利水电快报，2022，43（11）：73-77.

（编辑：张  爽

）

Influence of high altitude environment on selection of electrical equipment for Xizang Zhala Hydropower Station

XU Zecheng1，OUYANG You1，YANG Lin2，YANG Jie1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China）

Abstract：

In order to explore the specificity of electrical equipment selection in high altitude environment，we involved an examination of Zhala Hydropower Station′s overview and on-site research data. Utilizing data analysis methods，the selection of electrical equipment in high-altitude environments，such as high-voltage distribution units，transformers，phase-isolated busbars，generators，and circuit breaker equipment were researched. The effects of high altitude environment on insulation voltage，electrical clearance and corona voltage of main electrical equipment were summarized. The parameter correction method for the selection of electrical equipment operating in high altitude environment was introduced.

Key words：

electrical equipment selection； high altitude environment； electric power facilities； Zhala Hydropower Station