高原地区电气化铁路接触网外绝缘设计探讨

王 强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

随着西部地区建设的飞速发展和《中长期铁路网规划》的快速实施,青藏线西格段、兰新第二双线、敦煌至格尔木线等多条电气化铁路将陆续建成。这些线路通过地区沿线自然条件复杂、恶劣,属高原高寒地区。

高原地区主要有极端最低气温及平均气温低、日温差大和平均海拔高、区大气厚度小、气压低、太阳辐射强度大等特点,从而使得带电体的绝缘泄露距离和空气间隙的放电电压降低,引起设备电气性能下降,影响设备绝缘形式的选择。另外,到目前为止,现有接触网设备在高原地区应用的检测、检验、试验标准尚不完善。

为进一步提高高原地区电气化铁路接触网安全、可靠运行水平,主要从接触网设备耐受电压、空气绝缘间隙、绝缘泄露距离等方面,结合青藏线西格段的工程设计情况,对高原地区接触网设备的外绝缘设计进行探讨,并提出部分海拔校正方法和参数,供类似工程参考(本文所指高原地区平均海拔3000～4000m,平均气压一般不大于 70.1kPa)。

2 高原环境对接触网设备耐受电压的影响

对于接触网设备而言,在工频电压作用下,主要承受雷电过电压、操作过电压、污耐受电压等 3种类型的电压,应用于高原地区时均需进行海拔校正。因此,接触网设备耐受电压的海拔校正可参照《高压输变电设备的绝缘配合》(GB311.1—1997)、《特殊环境条件高原用高压电器的技术要求》(GB/T20635—2006)、《电气化铁路绝缘子 第1部分:棒形瓷绝缘子》(TB/T3199.1—2008)中规定的修正方法、校正因数,并借鉴青藏线科研成果进行海拔校正计算。

(1)GB311.1规定的海拔校正因数

GB311.1—1997第3.3条 “对用于海拔高于1000m,但不超过4000m处的设备的外绝缘及干式变压器的绝缘,海拔每升高 100m,绝缘强度约降低 1%,在海拔不高于1000m的地点试验时,其试验电压应按本标准规定的额定耐受电压乘以海拔校正因数 Ka”和第3.5条“设备适用的电力系统中性点的接地方式,最高电压 72.5kV及以下为非有效接地系统或有效(直接)接地系统,最高电压 126kV及以上应为有效(直接)接地系统”的要求,牵引供电系统设备在标准气象条件下的各项耐受电压应按额定耐受电压乘以海拔校正因数进行。

校正因数

式中,H为设备安装地点的海拔,m。

(2)GB/T20635—2006规定的海拔校正因数

GB/T20635—2006第5.1条“外绝缘强度的高海拔校正因数”规定,高海拔高压电器设备外绝缘额定绝缘水平高海拔按公式 U=Kh×U0进行修正,其中试验电压海拔校正因数

式中,m为修正指数。对于雷电冲击和工频、操作冲击干试验电压,m取为 1.0;对于工频、操作冲击湿试电压,m取为 0.75。需要指出的是:当 m=1.0时,GB/T20635—2006海拔校正因数与 GB311.1—1997没有本质上的区别,仅工频、操作冲击湿试电压略有减小。

(3)TB/T3199.1—2008规定的海拔校正因数

《电气化铁路绝缘子 第1部分:棒形瓷绝缘子》(TB/T3199.1—2008)附录 C(资料性附录)“绝缘子高海拔额定电压的校验”中的“表A.1海拔修正系数表”直接明确了使用于高原地区的接触网棒式绝缘子的各项耐受电压海拔校正因数,具体数值参见表1。

(4)青藏线科研成果中有关的海拔校正因数

《电力线路杆塔基础及防雷接地试验研究——青藏线电力线路试验研究》关于绝缘子污闪、干闪、冲击放电等特性的研究提出了铁路用绝缘子的耐受电压海拔校正因数,具体数值参见表2。

表1 TB/T3199.1—2008中绝缘子耐受电压海拔修正因数

表2 青藏线科研成果中耐受电压海拔校正因数

(5)接触网设备耐受电压海拔校正因数的选取

根据上述耐受电压海拔校正因数的不同规定,高原地区耐受电压海拔校正因数选用见表3。

表3 设备耐受电压海拔校正因数

综合上述耐受电压海拔校正因数的计算规定,考虑高原地区恶劣的自然环境和现行规范体系的具体应用情况,经计算分析,建议高原地区电气化铁路接触网设备的耐受电压校正因数选用现有标准体系中的较大值,即:一般按 GB311.1—1997规定的海拔校正因数,接触网棒式绝缘子耐受电压海拔校正因数按铁路标准规定选用。

3 高原环境对接触网空气绝缘间隙的影响

接触网空气绝缘间隙的海拔校正可参照《66kV及以下架空电力线路设计规范》(GB50061—97)、《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009—2005)规定的修正方法进行海拔校正计算。

(1)GB50061—97规定的海拔校正因数

GB50061—97第5.0.8条规定,“海拔超过1000m地区,海拔高度每增加 100m,内过电压和运行电压的最小间隙,应按规定的数值增大 1%”,即输电线路外绝缘空气间隙的海拔校正因数等同于

式中,H为输电线路经过地区的海拔。

(2)TB10009—2005规定的海拔校正因数

TB10009—2005第5.3.2条“接触网的空气绝缘间隙不应小于表5.3.2的规定”“在高程大于1000m的地区,表5.3.2中所列空气绝缘间隙值应进行修正”,参考条文说明,修正系数为

式中,H为安装地点的海拔。

(3)青藏线科研成果中有关的海拔校正因数

《高低压电力设备高原适用性试验研究—高海拔对 27.5kV和 35kV系统空气绝缘间隙影响的试验研究》提出了高原环境电气化铁路空气绝缘间隙的海拔校正因数,具体数值参见表4。

表4 青藏线科研成果中空气绝缘间隙海拔校正因数

(4)接触网空气绝缘间隙海拔校正因数的选取

根据上述空气绝缘间隙海拔校正因数的不同规定,空气绝缘间隙海拔校正因数选用见表5。

表5 空气绝缘间隙海拔校正因数

由表5可见,青藏线科研成果和 TB10009—2005规定高原地区空气绝缘间隙海拔校正因数差别不大。综合考虑铁路现行规范体系的具体应用情况,建议高原地区电气化铁路接触网设备的空气绝缘修正时按TB10009—2005规定选用海拔校正因数。

4 高原环境对绝缘泄漏距离的影响

(1)绝缘子污闪电压与气压的基本关系

绝缘泄露距离同绝缘子污耐受电压一般呈线性关系,即污耐受电压与气压呈线性关系。国内外对高海拔地区绝缘子串的污闪特性进行了广泛研究,提出高海拔下的污秽绝缘子交、直流闪络电压或耐受电压与气压成幂函数关系,其幂指数或气压影响特征指数 n反映了高海拔下污秽闪络电压或耐受电压下降的特征。

式中,Ud◦n◦g为气压为 P时污秽绝缘子串的闪络电压或耐受电压,kV;U0为标准参考大气压 P0下污秽绝缘子串闪络电压或耐受电压,kV;n为气压对污闪电压(耐受电压)影响的特征指数。上式作为电力系统交流输电线路的高海拔修正方法,引入到《高海拔污秽地区悬式绝缘子串片数选用导则 》(DL/T562—95)。

(2)特征指数 n的取值

关于特征指数 n的取值,国内外的研究结论和 DL/T562—95规范中的结论基本一致:试验发现 n值与电压形式、绝缘子外形和污秽程度均有关,但至今还无清楚的变化规律,现有数据一般 n值在 0.4～0.8。表6～表8是目前收集到国内外试验得出的 n值的数据。

表6 国外学者推荐的n值

表7 DL/T562—95标准中各种类型悬式绝缘子特性指数 n值

综上,虽然不同的研究者、不同的研究方法、不同的绝缘子、不同的污秽条件,试验所得到的 n值不同,但可以得出如下共同结论:n值和绝缘子的几何形状以及污秽程度有关系,由简单形状模型上所获得的 n值比由复杂形状绝缘子上获得的 n值小,不同形状绝缘子 n值的差异和绝缘子伞裙的弧络现象有关。经分析,瓷绝缘子的 n值一般在 0.4～0.8,复合绝缘子的特征指数 n数值较小,一般在 0.3～0.6。考虑到高原地区恶劣的自然、气候条件,接触网绝缘子的特征指数n的建议选用表9所示数值,

表9 绝缘子的特征指数n的选用值

(3)绝缘泄露距离校正因数的选取

根据《高海拔污秽地区悬式绝缘子串片数选用导则》(DL/T562—95)确定的计算方法,高原地区接触网绝缘子的绝缘泄露距离校正因数系数等效为

式中,P0为标准大气压;P为一定海拔高度时大气压;n为特征指数。

参照《电工电子产品自然环境条件 海拔与气压、水深与水压》(GB/T4797.2—2005))中图1a)“2000m以上海拔高度与标准气压之间的对应关系图”选定高原地区的平均气压,建议高原地区接触网绝缘泄露距离的校正因数选用见表10所示。

5 青藏线西格段的工程应用

青藏线西格段位于青海省境内,青藏高原东北部,平均海拔3000m左右,海拔最高3600m,海拔3000m以上区段线路约占全线的 80%。西格段电气化工程中,借鉴上述结论,进行了相应的接触网外绝缘设计。

6 结论及建议

(1)高原环境下,接触网设备耐受电压、空气绝缘间隙、绝缘泄露距离等均需进行相应的海拔校正。

(2)结合现行标准、规范和现有研究成果,推荐了高原地区接触网设备耐受电压、空气绝缘间隙、绝缘泄露距离海拔校正的方法和校正因数的建议值。

(3)目前高原地区电气化铁路实际运行经验不多,建议在西格段选择有代表性的区段对关键接触网设备进行监测,为高原地区电气化铁路的安全运行、运营维护管理及电气化设备产品制造积累经验。

[1]GB311.1—1997,高压输变电设备的绝缘配合[S].

[2]GB/T4797.2—2005,电工电子产品自然环境条件海拔与气压、水深与水压[S].

[3]DL/T562—95,高海拔污秽地区悬式绝缘子串片数选用导则[S].

[4]TB10009—2005,铁路电力牵引供电设计规范 [S].

[5]TB/T3199.1—2008,电气化铁路绝缘子 第1部分:棒形瓷绝缘子[S].

[6]关志成,等.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京:清华大学出版社,2006.

[7]蒋兴良,胡建林,等.青藏线电力线路试验研究总结报告[R].重庆:重庆大学,2006.

[8]蒋兴良,舒立春,孙才新.电力系统污秽与覆冰绝缘[M].北京:中国电力出版社,2009.