西藏4000m以上高海拔地区变电站设计实践

唐 滔，易建山，罗晓康，罗忠军，白小奇，张 勇，李海龙，柏延鹏

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.国网西藏电力有限公司，西藏 拉萨 850010)

0 引言

西藏阿里与藏中电网联网工程(以下简称“阿里联网工程”)起于日喀则地区多林变，止于阿里地区巴尔变，全线新建2座500 kV变电站(海拔约4 100 m)，4座220 kV变电站(海拔约4 700 m)。项目建成后将形成覆盖西藏全区74个县的统一主电网，扩大了西藏主电网覆盖范围。

1 高海拔地区环境特征及其影响

阿里联网工程各变电站海拔高度均超过4 000 m，最高变电站海拔4 688 m，站址所处地区的主要特点为：

1) 空气压力低、密度及含氧量低；

2) 空气干燥，无霜期短，四季风大；

3) 寒冷期长，昼夜温差大，部分站极端温度达到-44℃；

4) 太阳辐射强，光照条件好；

5) 地震烈度高，其中2个站位于8度地震烈度区；

6) 存在季节性冻土，标准冻深较深。

上述特点将降低电气设备性能，减弱设备外绝缘水平，降低导体起始放电电晕，对变电站设计影响较大。我们在进行变电站设计时，应充分考虑到这些环境特征对电气设备选型、配电装置布置的影响。

2 空气间隙及电气设备绝缘水平确定

电气设备最小安全净距对配电装置布置及整个变电站占地面积影响很大，电气设备的绝缘水平及最小安全净距是进行变电站设计的基础数据。

2.1 电气设备绝缘水平的确定

2.1.1 海拔修正因数

IEC 60071-2-2018[1]、GB 311.1—2012[2]、GB/T 50064—2014[3]、DL/T 5352—2018[4]、DL/T 5222、DL/T 620、GB/T 16927.1等标准、规范中海拔修正计算方法各不相同，适用的海拔高度也各不相同，其中文献[1-3]均推荐采用公式(1)进行海拔修正因数计算。

Q/GDW 13001—2014《国家电网公司物资采购标准 高海拔外绝缘配置技术规范》[5]附录B针对不同标准中推荐的海拔修正方法，将所有标准的适用范围延至5 000 m，并与国网青海省电力公司在高海拔外绝缘领域研究成果及大量的试验数据进行比对，试验研究所得的高海拔修正系数与GB311.2推荐的海拔修正因数计算结果差别较小。因此，推荐采用GB311.2中高海拔修正公式，即公式(1)。

通过对已建变电站工程取值进行总结，结合Q/GDW 13001《国家电网公司物资采购标准高海拔外绝缘配置技术规范》[5]试验推荐意见，在考虑海拔修正公式适用性时，GB311.1[2]没有提出海拔高度的限制，仅说明运行在海拔高于1 000 m的设备，因此，海拔4 000 m以上工程推荐采用GB311.1[2]修正方法进行海拔修正，在确定空气间隙50%放电电压时，采用公式(1)进行海拔修正，确定设备外绝缘水平时，采用公式(2)进行海拔修正。

式中：Ka为海拔修正系数；H为设备安装地点的海拔高度，m；m为指数，取值如下：对雷电冲击耐受电压，m=1.0；对空气间隙和清洁绝缘子的短时工频电压，m=1.0；对操作冲击耐受电压，m按图1选取。

图1 操作冲击修正因子选取图

式中：Urw为设备要求耐受过电压，kV；Ucw为设备配合耐受过电压，kV；Ka为海拔修正系数；Ks为安全因数，对于外绝缘取1.05.对于内绝缘取1.15。根据我国电网实际运行情况，一般按避雷器保护水平为基础选取，见表1。

表1 避雷器额定参数选择表(国网通用值)

2.1.2 电气设备外绝缘水平

GB 311.1[2]及GB/T 50064[3]给出了不同电压等级的各类设备雷电冲击、工频耐压及操作冲击耐压标准值，该值为海拔高度1 000 m及以下地区一般条件下电气设备额定耐受电压值。对不同海拔高度按GB 311.1[2]修正方法进行电气设备外绝缘海拔修正计算结果推荐值见表2。

表2 不同海拔电气设备外绝缘水平推荐值

2.2 最小空气间隙的确定

对于变电站交流空气间隙，依据绝缘配合得到的绝缘水平，计算得到50%放电电压，然后通过由大量棒板间隙试验数据拟合得到的经验公式，并结合间隙形状系数进行计算，或者根据不同形状、长度空气间隙真型试验得到50%放电电压特性曲线，然后通过查找计算曲线得到空气间隙要求值。

按GB 311.2—2013[6]推荐，空气间隙的50%放电电压，采用公式(4)计算：

式中：U50为修正到标准大气条件下的50%操作冲击闪络电压，kV；Uw为额定耐受过电压，kV；σ为指数，取值如下：对雷电冲击，σ=0.03；对操作冲击，σ=0.03；Urw为设备要求耐受过电压，kV；Ka为海拔修正系数；Ks为安全因数；Ulp(Usp)为避雷器操作冲击(雷电冲击)最大残压，kV；

在计算得到50%放电电压后，按照GB311.2[6]给出的空气间隙经验计算公式求得对应空气间隙取值。

对于雷电过电压：

对于操作过电压：

式中：d为空气间隙要求值，m；U50为修正到标准大气条件下的50%操作冲击闪络电压，kV；K为电极形状系数；。

对不同海拔高度按GB 311.2[6]方法进行最小空气间隙海拔修正计算结果推荐值如表3。

表3 不同海拔高度最小空气间隙推荐值

3 高地震烈度对电气设备的影响及解决措施

阿里联网工程查务500 kV变电站和巴尔220 kV变电站地震烈度为8度(0.2g加速度)。GB 50260—2013[7]中明确：“重要电力设施中的电气设施可按抗震设防烈度提高1度设防，但抗震设防烈度为9度及以上时不再提高”,因此上述两站电气设备需提高1度按9度(0.4g加速度)抗震要求进行设防。

3.1 高地震烈度对电气设备的影响

强地震易造成变电站主要电气设备损坏，造成变压器底座从轨道里脱离出来、套管根部断裂等，断路器、隔离开关等电瓷型高压电气设备绝缘瓷瓶断裂、设备倾斜或跌落等事故。

3.2 高地震烈度区电气设备抗震措施

阿里联网工程各变电站地震设防烈度为8度及以上，需要考虑从电气设备选型优化、设备导体连接优化、隔震减震技术的应用、对设备制造厂家的要求等几个方面进行改进优化，开展电气设备的抗震设计工作。

虽然系统功能学派对名物化的语篇功能展开了不少有意义的探索，但与词汇语法层面的研究相比还十分不足，在研究视角的广度和深度上还有待进一步拓展。为了更好地把握语篇层面名物化现象研究的现状、研究热点和未来的研究方向，本文拟通过运用知识图谱分析软件“引文空间”(CiteSpace)，对比分析国内外核心期刊近20年来发表的文献，全面考察国内外学界对英语名物化现象研究的趋势，以期为今后英语语篇名物化现象的研究提供参考。

3.2.1 配电装置选型

电气设备的选型是进行电气设备抗震设计的重要前提，为了减小电气设备在地震时受到破坏，应合理地进行设备选型，在高地震区的设备应采用重心较低、抗震性能好的设备。DL/T 5218—2012[9]中规定66 kV～750 kV电压等级配电装置，在大气污秽严重、场地限制、高抗震设防烈度、高海拔环境条件下，经技术经济论证，可采用气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)。阿里联网工程各变电站500 kV、220 kV、110 kV配电装置选用GIS设备，满足抗震性能要求。

3.2.2 导线选择

站内电气设备的连接，尽量采用软连接，35 kV户外配电装置主母线采用软导线，提高抗震性能。

3.2.3 采用复合绝缘材料设备

瓷质绝缘子(套管)存在的易脆断、抗震性能差等缺陷。尤其是变压器、电抗器用瓷质出线套管价格偏高、运输要求高、生产周期长(特别是超高压、特高压交直流产品)、安装不便、易脆断、抗震性能差、运行中需多次涂刷PRTV涂料等不足在超高压工程应用中逐渐暴露出来。而复合绝缘材料由于具有重量轻、安装方便、憎水性好、介电性能优良等特点，自上世纪六十年代初在德国首次研制并开发以来，将其作为设备的外绝缘材料，得到越来越广泛的使用。

复合绝缘材料与瓷绝缘材料相比，主要具有重量轻、防爆性能好、憎水性好、耐污性能优、抗震性能好、抗风沙能力强、运输安装方便、交货周期短、价格便宜等诸多方面的优势，符合国网公司环境友好及资源节约的要求。

阿里联网工程110 kV及以上电压等级全面应用复合绝缘设备，主要包括：500 kV和220 kV高抗套管、主变压器220 kV和110 kV套管、220 kV和110 kV GIS进出线套管、220 kV和110 kV避雷器复合绝缘外套、110 kV电压互感器复合绝缘外套。

隔震技术是通过“以柔克刚，隔震耗能”的途径，采用隔震、消能等方法，达到隔离地震反应的目的。通过对电气设备采用隔震措施，可以大大提高其抗震能力。

隔震的本质作用是使结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开，隔断地震能量的传播途径，尽量减少传递到隔震结构上部的地震能量，从而减少上部结构的地震反应。具体就是在工程结构的特定部位，装设隔振器、隔震垫等，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震(或风)作用下的动力反应(加速度、速度、位移)得到合理控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全。

变压器、电抗器因其结构尺寸大、重心低、质量大，地震作用下以剪切变形为主，故属于变电站内的重矮型设备，可通过加设隔震装置降低其在地震作用下的结构动力响应。

4 极端低温对电气设备的影响及解决措施

4.1 极端低温对电气设备的影响

阿里联网工程吉隆500 kV变电站站址极端最低温度达到-43.4℃，属于高海拔高寒地区，DL/T 5352[4]中对于屋外SF6绝缘设备，明确应按极端最低温度进行设备选择。如此恶劣的自然条件，将对电气设备性能产生不良影响，具体表现为：极端低温可能会造成气体绝缘设备中的SF6气体由于极端低温液化导致绝缘性能大幅度降低。常规油绝缘设备若采用#25号变压器油，在低于-25℃的气象条件下会发生凝固，从而散失绝缘及散热性能。常规电缆在如此低温环境下可能发生护套及绝缘层开裂情况，导致运行故障。

4.2 电气设备应对极端低温的措施

1) 变压器及电抗器：采用高防紫外线、高防腐油漆，加强油箱的密封措施，采用运动粘度和倾点较高的#45号变压器油，尽量避免在低温下启动。

2) 500 kV GIS、220 kV GIS及110 kV GIS：采用户内布置，断路器单元加装电伴热，其余单元采用降低气室额定压力方式降低SF6气体液化温度。为确保电伴热供电可靠性，GIS汇控柜采用双电源供电，在汇控柜内实现双电源自动切换。

3) 35 kV断路器：采用罐式断路器加装伴热带或瓷柱式断路器加SF6+CF4混合气体方案解决SF6气体液化。鉴于混合气体比例较难控制，推荐采用罐式断路器加装伴热带。

4) 隔离开关：采用特殊的润滑油脂，保证在低温环境下不凝固，电动机构需要经过特殊处理。

5) 并联电容器：需要选用凝固点温度低、粘度低的液体介质(如：MBT/DBT) 浸渍电容器。

6) 静止无功补偿器(static var compensator，SVC)成套装置：阀组水冷系统添加防冻液。

7) 低压动力箱及就地控制柜：提高箱体的密闭性；箱内元件采用耐寒产品；在箱内加装温湿度自动控制器及空调，保证箱内温度并防止箱内凝露和结冰。

8) 电缆：选用高耐寒电力(控制)电缆(如ZR-YJY23、ZR-KYJYP2/23)。

9) 钢材：选用Q235C或Q345C钢材(日最低平均温度介于-20℃～-40℃之间)。

5 户内中压开关柜型式选择及注意事项

户内设备的空气间隙须进行海拔修正，方法与户外设备一致。

目前国内采用空气绝缘的户内开关柜主要为中置式开关柜。随着海拔增加，电气设备空气间隙要求值随之增加，标准的空气绝缘柜无法满足空气间隙增大后的要求，需增大开关柜尺寸或采用充气式高压开关柜来满足空气间隙修正的要求。综合考虑国网公司相关文件要求，建议35 kV开关柜在海拔1 000 m以上采用充气式高压开关柜，10 kV开关柜在海拔2 000 m以上采用充气式高压开关柜，以有效避免因增加电气间隙而导致的尺寸问题。

在充气柜设计时需要特别注意柜内开关额定电流有无满足要求的产品，充气柜与高压电缆、全绝缘母线的连接接口。

当充气柜为馈线回路时，无法安装线路侧隔离开关和接地开关，接地开关位于断路器上方，对馈线回路进行检修时，需特别注意操作流程。

6 季节性冻土的影响及解决措施

阿里联网工程各变电站站址所处地区均存在季节性冻土，标准冻深在0.8～2.0 m之间。冻土层土壤电阻率高，其中霍尔220 kV变电站冻土层厚度约1.6 m，第一电性层土壤电阻率为9 903 Ω·m，厚度0.9 m；第二电性层土壤电阻率为2 468 Ω·m，厚度4.9 m；第三电性层土壤电阻率为1 328 Ω·m，厚度31.1 m；第四电性层土壤电阻率为641 Ω·m，厚度13.1 m。冻土层土壤电阻率和深度随着土壤温度变化，不仅影响接触电压与跨步电压值，同时还影响到跨步电压与接触电压允许值。须采取有效降阻措施降低站区接地电阻，确保全站接触电势和跨步电势满足要求。

GB/T 50065—2011[8]中明确：“在季节冻土或……可采用下列措施：季节性的高电阻率层厚度较深时，可将水平接地网正常埋设，在接地网周围及内部接地极交叉节点布置短垂直接地极，其长度宜深入季节高电阻率层下面2 m”。因此，霍尔变全站主接地网按不等间距分布，埋深0.8 m；在接地网周围及内部交叉节点布置垂直接地极，长度L=3.0 m，同时在站区内设置6口约100 m的深井接地；为提高接触电势，在设备支架和构架周围铺设碎石。经CDEGS软件模拟计算，采取上述措施后，全站接地电阻可降至1 Ω以下，接触电势和跨步电势均满足要求。

7 线路降压运行工况下变电站内避雷器配置

阿里联网工程查务—吉隆段输电线路按500 kV电压等级设计，线路两端均装设500 kV高抗，本期降压至220 kV电压等级运行。线路绝缘子按500 kV经海拔修正后选取，长度较220 kV绝缘子长出许多，当线路遭受雷击时，绝缘子可能无法击穿闪络，造成雷电波沿线路侵入变电站，在站内设备上产生雷电过电压，危害变电站设备安全。经与武汉大学研究配合，最终推荐在查务站、吉隆站220 kV GIS出线套管处、500 kV线路入口处各装设一组204 kV的避雷器，在各种运行工况下，避雷器放电电流均未超过10 kA标称放电电流。我院设计的同类工程依据科研机构研究计算结果，避雷器按204 kV、13 kA标称放电电流进行配置。

8 结语

西藏4 000 m以上高海拔地区变电站设计，确定设备外绝缘水平和最小空气间隙要求值是最为重要的环节，也是变电站设计的主要依据之一。结合国网公司试验数据及已建变电站工程取值总结，推荐采用GB 311.1[2]中修正方法进行海拔修正。