高海拔地区对高压电气设备外绝缘影响研究

姜 帅

（国网湖北省电力有限公司超高压公司宜昌运维分部，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

我国整体地势较高，海拔高度超过 1 000 m的地区较多，约占全国总面积的三分之二，电气设备用量约占全国总用量的五分之一[1]。环境中的气压、湿度、盐污等因素都会对电气设备的性能产生一定的影响，降低电气设备运行的效果[2]。高海拔地区与低海拔地区在气候、环境等方面均存在较大的差异性[3]。高海拔地区的空气密度与气压相对较低，周围环境气温波动幅度较大，气象灾害较多，且危害性较强[4]。高压电气设备受到这些因素的影响，设备的绝缘性能会发生一定的变化[5]。电气设备在高海拔地区运行中，外绝缘性能发生改变一方面是由于电气设备绝缘裕度较大；另一方面是由于高海拔地区环境、气候条件与低海拔地区的差异性较大，影响了发电机本体的外绝缘，且设备的绝缘水平以及爬电距离的海拔修正方法存在不足造成[6]。随着海拔高度的不断上升，大气密度逐渐呈指数趋势减少，电气设备自身的绝缘能力下降。相关研究表明，海拔高度每提升1 km，电气设备绝缘能力会减弱8%左右[7]。

综上所述，为了提高电气设备在环境因素较为复杂地形中的使用性能，本文以青海地区为研究对象，研究了高海拔地区对高压电气设备外绝缘的影响，为我国电力行业的发展作出贡献。

1 研究区概况

本文以青海地区为研究对象，进行高海拔地区对高压电气设备外绝缘影响研究。青海地区作为我国高雷区之一，空气密度较小。青海地区的海拔较高，平均海拔约为3 km，面积约为 720 000 km2，属于高原大陆性气候。青海地区的降雨量较少，日照时间相对较长，雨热同期，其湿度、气温及空气密度对高压电气设备的外绝缘具有较高影响[8]。青海地区的雷电活动相对来说较频繁，运行的变电站电气设备采用高原型电压设备，其外绝缘配置的概况如表1所示。

表1 电气设备外绝缘配置概况

由表1可知，现阶段，该地区的外绝缘水平得到了一定的提高，经过海拔校正计算，引进了性能优良的氧化锌避雷器。在绝缘方式方面，采用了加强绝缘，满足高海拔地区对电气设备放电电压的需求。

2 研究过程及方法

为了对高海拔地区高压电气设备外绝缘影响作出进一步研究，进行了如下试验分析。确定青海地区大气条件，分析空气密度与湿度的变化，并针对该变化对电气设备外绝缘放电电压的影响情况进行判断。试验所需的自变量设置为空气潮湿状况参数，采用g/m3表示单位体积空气内水汽的质量。青海地区空气压力主要包括水汽压力与干燥空气压力之和，计算公式为：

式中，Pw表示青海地区水汽部分压力；Pa表示青海地区干燥空气部分压力；nw表示体积V内的水汽克分子数；R表示青海地区大气气体的普遍常数，本次研究中取值 8.314 J/g分子；T表示青海地区海拔高度在 1 km以上时水汽的热力学温度。通过计算获取青海地区的空气压力，接下来计算青海地区海拔高度在1 km以上时大气的绝对湿度，公式为：

式中，H表示海拔高度在 1 km以上时大气的绝对湿度，Mw表示体积V内的高海拔水汽质量。当青海地区的温度达到一定标准时，空气中的水汽压力与湿度成正比例变化，综合考虑温度变量，在温度与绝对湿度之间建立对应关系。在青海地区，受到高海拔的影响，绝对湿度与相对湿度不同，对高压电气设备外绝缘的影响也不同，空气相对湿度的计算公式为：

式中，Pwa(t)表示青海地区温度在达到t时的饱和水汽压力。受到高海拔的影响，该地区相对湿度、绝对湿度与温度之间的关系较为强烈，相互之间容易受到影响。在相同海拔高度的条件下，大气的相对密度差异性较小，空气湿度之间差异性较大，对高压电气设备外绝缘影响的差异性也较大，接下来，需要对湿度进行校正处理，校正到相同湿度标准下，再对高压电气设备外绝缘影响作出分析。

在分析前，需要明确青海高海拔地区中放电电压影响参数，并根据放电电压影响参数，选用配电装置GIS 设备，以 SF6 作为绝缘气体，在电气设备运行过程中受到外部环境的影响较小，适用于青海地区环境。接下来，对高压电气设备外绝缘水平海拔进行修正处理。相关研究表明，在青海高海拔气候条件的影响下，温度与湿度对于电气设备外绝缘的影响，存在相互补偿抵消的关系，因此本次试验可以对青海地区的海拔高度作为变量进行修正处理。依据《绝缘配合原则与规则》，通过大量青海地区的试验，获取海拔修正公式为：

式中，在青海地区海拔高度超过 1 km时，U表示高压电气设备外绝缘的耐受电压；Ka表示青海地区海拔高度超过 1 km时的修正系数；U0表示其额定耐受电压，与雷电电压之间存在一定的关联；H表示青海地区海拔高度。经过上述公式计算，获取青海地区高压电气设备外绝缘水平海拔修正值，如表 2所示。

表2 高压电气设备外绝缘水平海拔修正值

在海拔地区的高度不断上升时，空气密度会相对下降，电气设备配电装置的修正值也会不断发生变化。

3 结果分析

基于上述的试验方法与过程，结合青海地区地表与气候的特点，综合考虑高海拔地区盐污对高压电气设备的影响，计算不同盐污等级下电气设备爬电距离与电压峰值的比值，获取不同盐污等级下高压电气设备的爬电距离之间的变化关系，如图1所示。

图1 电气设备爬电距离与盐污等级关系

由图1可知，随着盐污等级不断升高，电气设备的爬电距离会随之升高，对用电系统所具有的外绝缘条件具有一定的影响，会在一定程度上降低电气设备绝缘的击穿电压，电气设备的绝缘强度受到温度与湿度的变化而变化。高海拔地区空气密度与高压电气设备的闪络电压呈正相关关系，即密度下降时闪络电压也会下降；而温度与湿度均出现下降趋势时，电气设备的绝缘强度也与其呈正相关关系，强度也随之下降。大气压力的变化与青海地区的海拔高度呈指数下降性变化，高压电气设备外绝缘也会随之发生下降。电压与保护装置的特性，与高压电气设备的绝缘水平具有较大的影响，影响设备连续运行的效率与技术水平，限制了设备绝缘耐受能力。

在电气设备的绝缘配合中，在满足系统过电压要求的情况下，可以采用加强绝缘补偿的方式提高电气设备的绝缘性能。

4 结 论

综上所述，本文以青海高海拔地区为研究对象，研究了高海拔地区对高压电气设备外绝缘的影响。在高海拔环境与条件下，高压电气设备的正常运行对变电站的影响较大，受到海拔、温度与湿度的影响，电气设备外绝缘寿命会随之发生改变，应当根据设备运行的具体参数，定期检测设备的运行温升，进行修正完善，为GIS 交流耐压方面的工作提供了一定的参考依据。