西藏霍尔220 kV变电站电气一次设计总结

2022-06-06先驰宇

电力勘测设计 2022年5期

蒋春，先驰宇，丁唯，杨韬

(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 600021)

0 引言

阿里与藏中电网联网工程是迄今为止世界上海拔最高、最具挑战性的输变电工程，气象环境恶劣，道路交通艰险，后勤保障困难，环保要求严格，是继青藏电力联网、川藏电力联网、藏中电力联网工程3条“电力天路”之后，国家电网有限公司建设的又一项突破生命禁区、挑战生存极限的世界超高海拔、超大难度的输变电工程。霍尔220 kV变电站是该工程海拔最高、温度最低、气候条件最恶劣的变电工程之一，在电气设计方面，霍尔站有其自身独特的设计特点。

1 工程概况

霍尔站位于西藏自治区阿里地区普兰县霍尔乡帮仁村，位于普兰县城东北约70 km处，与霍尔乡相距约3.0 km。站址西南侧有国道G219，南侧2.0 km处是玛旁雍错湖景区入口，站址距离玛旁雍错湖边约4 km。站内地势平坦，平均海拔约4 644 m。

本期规模：120 MVA主变压器1台；220 kV配电装置出线2回，其中1回出线装设1组15 Mvar高压电抗器；110 kV配电装置出线1回；35 kV配电装置出线1回；本期主变低压侧装设4组4 Mvar低压电抗器。

远期规模：120 MVA主变压器2台；远景220 kV配电装置出线8回；110 kV配电装置出线10回；35 kV配电装置出线6回；每台主变低压侧安装8组无功补偿设备，并各预留1组静止无功补偿装置(static var compensator，SVC)位置。

220 kV配电装置远期8线2变，按双母线双分段接线规划；本期2线1变，采用双母线接线；220 kV配电装置采用气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated switchgear，GIS)户内布置。110 kV配电装置远期10线2变，按双母线双分段接线规划；本期1线1变，采用双母线接线；110 kV配电装置采用GIS户内布置。35 kV配电装置按单母线分段接线规划，本期采用单母线接线，装设总回路断路器；35 kV配电装置采用充气式开关柜。

高海拔变电站电气一次设计主要包括绝缘水平及空气间隙计算、设备选型及布置、站用电系统、防雷接地、电缆选型及敷设等[1-2]，以下从这几方面对本工程的设计特点进行总结。

2 绝缘水平及空气间隙修正

2.1 绝缘水平

目前相关高海拔绝缘修正及空气间隙修正的规范及设计手册均只计算到了海拔4 000 m，海拔4 000 m的设计海拔高度已满足全国大部分地区工程，但是本工程位于西藏阿里地区，场地海拔高度达4 700 m，因此需对本工程的设备绝缘水平及带电空气间隙进行专门计算，通过计算对标准值进行修正。

变电站内设备的要求耐受过电压应以避雷器的保护水平为基础，乘以配合系数作为配合耐受过电压，然后乘以海拔修正系数得到要求的设备外绝缘水平。各电压等级电气设备在1 000 m及以下海拔高度的绝缘水平见表1所列。

表1 各电压等级电气设备标准绝缘水平kV

根据国网基建部印发的《高海拔地区35～750 kV变电站通用设计主要技术原则》规定“高海拔地区设备外绝缘耐受电压水平按照GB/T 311.1—2012《绝缘配合：第1部分：定义、原则和规则》确定的原则进行修正。确定高海拔变电站设备外绝缘水平时，海拔修正系数可采用公式Ka=eq(H-1000)/8150(H为设备安装地点的海拔高度，m)进行计算[3]，见表2所列。

表2 海拔修正系数Ka计算结果

表3的计算结果与表1进行对比可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，各电压等级的绝缘水平均做了较大幅度的修正，对设计制造厂提出了较高的要求，相关设备的价格水平势必也会提高，需引起设计注意。

表3 修正后电气设备外绝缘的额定耐受电压kV

2.2 空气间隙修正

对于变电站交流空气间隙要求，一般是按照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。本工程针对不同电压等级的配电装置采用以下计算原则：35～220 kV配电装置雷电冲击绝缘配合可采用GB/T 50064—2014中的确定性法，35～220 kV高海拔配电装置空气间隙由公式d=U50/530计算确定[4]，计算结果见表4所列。

表4 霍尔变电站最小间隙值表

从表4可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，空气带电距离修正后取值相比平原地区标准取值有了很大的增加，相关设备干弧距离、绝缘子串设计、构架高宽度设计、配电装置带电校验等需要引起重视。

3 设备选型及布置

3.1 高压配电装置选型及布置

高海拔地区空气稀薄，电气设备外绝缘性能下降，电气设备的干弧距离需要加长，外绝缘需要修正，若采用户外敞开式设备，变电站的占地面积将大大增加，在西藏地区土建工程造价昂贵的情况下，场平、土建等增加费用将超过空气绝缘敞开式开关设备(air insulated switchgear，AIS)的节省费用。因此，高海拔地区工程高压配电装置推荐采用GIS设备。

通常户外GIS设备应考虑太阳辐射的影响，太阳辐射主要是通过使材料发生光化学降解反应以及使环境变热等对设备造成影响。具体主要表现为：设备的温升升高，对设备的通流能力造成影响；影响设备某些橡胶、塑料及环氧树脂制品的弹性、塑性及造成老化等。因此，强紫外线地区工程推荐GIS设备户内布置。对于布置于室外的密度继电器需加装遮避罩或其它措施避免阳光直射，户外的复合套管需采用高温硫化硅橡胶工艺(HTV)，避免采用室温硫化硅橡胶工艺(RTV)。

在超低温情况下，SF6气体液化后无法熄灭高压电弧，低温严重制约SF6断路器的安全运行。GIS设备虽然户内布置，但仍无法保证建筑外墙的保温效果满足避免SF6气体液化的要求。鉴于此，本工程考虑对110 kV及220 kV GIS设备的断路器室加装伴热带，户外分支母线及高压套管采用降低气压的方式解决液化问题，气压设定为0.4 MPa。

综上，考虑本工程高海拔、极低温、强紫外线的环境，本工程110 kV及220 kV高压配电装置选用GIS，户内布置。GIS断路器室罐体附设伴热带以防止低温环境下SF6气体液化。

3.2 主变、高抗等含油设备

运行在高寒地区变电站的变压器和并联电抗器，需选择更低凝点的变压器油，否则无法保证正常运行，或难以实现低温启动。本工程极端最低气温-41.4℃，因此本工程变压器类设备用油选择KI45X克拉玛依油。

对变压器设备类的密封橡胶的要求是首先必须具有良好的耐热性、耐油性，较好的机械强度和适当的弹性，其次要具有良好的耐臭氧、耐紫外线等耐老化性能。本工程变压器设备类的密封橡胶统一选用具有优异耐紫外线、耐热、耐油、耐老化性的氟硅橡胶。

3.3 端子箱、汇控柜、控制柜等户外箱体

低温环境会影响户外控制柜内电子组件的正常工作，因此柜内需附带加热功能及温控装置，当温度低于零度时自动启动，保证柜内温度不低于零度。加热器功率应能满足极低温度下的运行要求，另外柜体也需考虑通风散热性能。

沙尘进入设备操作机构箱或者端子箱、仪表等处，会影响控制设备的正常功能；飞扬的砂、石冲击或者打磨设备外表面，损坏设备表面漆层，影响电气设备的外观。因此，本工程要求所有的户外箱体外壳采用不锈钢或耐蚀铝合金，公称厚度不应小于2 mm；柜体表面进行酸洗去脂、烘干、纳米陶瓷涂层(带静电吸附原理)，对封闭结构的内表面也要喷涂或进行防锈处理；柜体密封采用PU发泡密封材料，机柜的防护等级至少可达IP65。户外柜采用专用户外密封胶，耐高温180℃，耐低温-45℃，抗老化，阻燃；箱体设置可使箱内空气流通的迷宫式通风口，并具有防腐、防雨、防风、防潮、防尘和防小动物进入的性能。

3.4 其他

1)高压电抗器隔声罩壳采用保温隔热罩壳，且为多层结构配置，保温隔热功能优于传统保温墙板。隔声罩顶部设置有3%的坡度，具备排水能力，隔声板外侧设置有压型钢板，吸隔声板与压型钢板间设置高分子橡胶防水卷材，套管开孔处橡胶卷材翻边包裹套管一圈，具备较强防水密封功能[1]。

2)复合绝缘设备采用高温硫化硅橡胶工艺，选用高分子量的甲基乙烯基硅橡胶为原料，主链Si-O键的键能为445 kJ/mol，而紫外线经过大气臭氧层过滤，能量为300～412 kJ/mol，可以避开强紫外线损伤。

4 站用电系统

本站新建1台220 kV主变，根据常规设计，可采用1台站用变+1台备用变的电源方案，但是该地区地处偏远，方圆100 km范围内无可靠电源，常规220 kV站的站用电源设计方案无法满足本工程的特殊要求。本工程考虑采用1台站用变+应急电源的方案。

应急电源可采用可快速启动的柴油发电机组。柴油发电机效率高，可在很短的时间内，通过自动控制装置启动供电，操作简单，经济性好，是常用的应急备用发电设备。但是考虑本工程所在地理环境，面临着高海拔、极低温、边境油品管控等特殊因素。若采用柴油发电机组作为应急电源，面临着诸多问题。因此，本工程考虑采用电化学储能系统作为应急备用电源，由于储能系统成本较高，一般其仅考虑为I类重要负荷供电。

5 防雷接地

本工程配电装置区域采用独立避雷针和构架避雷针对设备做联合保护，站前区通过在建筑物屋顶设避雷带做防直击雷保护[2]。

本工程对保护接地、工作接地和过电压保护接地采用一个总的接地网，接地网为以水平接地体为主，并采用部分垂直接地极组成复合环形封闭式接地网。水平接地网按不等间距分布，在变电站围墙内1.5 m处作闭合水平地网。本站季节性冻土深度在1.4～1.6 m，考虑施工难度及开挖工程量，将地网正常埋设(埋深0.8 m)，在接地网周围及内部交叉节点布置短垂直接地极。水平接地体材料用-60×8 mm镀锌扁钢，垂直接地极用φ70 mm镀锌钢管。

经计算，不采取任何降阻措施时，全站接触跨步电势不满足要求，需采取如下降阻措施：

1)在站区内打7口约100 m的深井，做深井接地；

2)设备和构架周围铺设碎石，以提高接触电位差；

3)防止变电站内外电位转移，采取必要的电位隔离措施。

6 电缆选型及敷设

本工程气温极低，因此高低压电缆选用阻燃交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套铠装电缆(ZR-YJY23)。

电缆敷设总体遵循“分层分沟”布置的原则，高压电力电缆(35 kV电缆)与低压电缆(低压动力与控制、通讯电缆)分沟敷设，各电压等级均分层敷设。电缆敷设按电压等级由高到低、由上到下敷设。通讯光缆敷设在电缆沟最底层，放入专门的防火槽盒内。

动力电缆运行过程中容易产生高温、涡流损耗等现象，火灾危险相对较高。与控制电缆混杂在一起敷设，容易导致控制保护系统故障和误动，甚至全站停电。根据规范要求“当动力电缆与控制电缆或通信电缆敷设在同一电缆沟或电缆隧道内时，宜采用防火槽盒或防火隔板进行分隔”。本工程地处西藏阿里地区，运维检修工作均极为困难，为进一步减小动力电缆火灾情况下对同沟敷设控制电缆的影响，本工程采用了“抽屉式防火隔板及电缆支架系统”。该系统包括带导轨凹槽的电缆支架、L形抽屉式防火隔板、滚动或滑动机构等。其中电缆支架选用热固性、阻燃型复合材料制作，外表光洁，机械比强度和比模量大，耐腐蚀、绝缘性能优良、全寿命周期综合效益高。其中抽屉式防火隔板系模块化产品，安装拆卸仅需推入或抽出，可根据需要调整数量并可沿电缆沟依次拼接，避免了现场切割与焊接安装，简化了现场工作量，提高了施工效率，安装后整洁美观，并且有利于电缆安全运行。