劉春波 劉曉東

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

西藏某銅礦地處青藏高原高山峽谷區(qū)，海拔高度為4 560～5 124 m，空氣稀薄、氣壓低，使得電氣設(shè)備外絕緣和空氣間隙的放電電壓降低[1]。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)做法是加強(qiáng)電氣設(shè)備的外絕緣(如加大設(shè)備尺寸)和放大空氣間隙等，但其在西藏某銅礦項(xiàng)目實(shí)施中有很大難度。因?yàn)楹０蔚牟煌?，加?qiáng)絕緣的程度也不同，所有設(shè)備都不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)采購(gòu)，電氣設(shè)備高度寬度都需要特殊設(shè)計(jì)，平面布置也隨之加大，投資增加，給設(shè)計(jì)制造維護(hù)帶來(lái)很多麻煩。

在西藏某銅礦項(xiàng)目中，根據(jù)電氣負(fù)荷計(jì)算情況考慮配電電壓為交流110 kV、35 kV、10 kV、380/220 V。其中110 kV和35 kV系統(tǒng)電氣設(shè)備采用六氟化硫氣體柜，可不考慮絕緣問(wèn)題，因此，本文主要就10 kV系統(tǒng)電氣設(shè)備外絕緣方面進(jìn)行闡述。

1 高海拔地區(qū)的絕緣配合要求

在系統(tǒng)運(yùn)行中作用于線路和設(shè)備絕緣上的電壓，包括正常工頻持續(xù)運(yùn)行電壓和來(lái)自系統(tǒng)外部的雷電過(guò)電壓以及來(lái)自電力系統(tǒng)內(nèi)部的操作過(guò)電壓。正常工頻持續(xù)運(yùn)行電壓下的絕緣配合應(yīng)滿足電氣裝置電瓷外絕緣的爬電距離，應(yīng)符合相應(yīng)環(huán)境污穢分級(jí)條件下的爬電比距要求，電氣設(shè)備應(yīng)能在設(shè)計(jì)壽命期間承受工頻持續(xù)運(yùn)行電壓。電氣設(shè)備耐受暫時(shí)過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的能力，以電氣設(shè)備的短時(shí)(1 min)工頻耐受電壓來(lái)表征。雷電過(guò)電壓下的絕緣配合，應(yīng)滿足電氣設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平，該水平以電氣設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓來(lái)表征[2]。因此，電氣設(shè)備外絕緣應(yīng)符合短時(shí)工頻耐受(1 min)電壓和雷電沖擊耐受電壓的要求。而絕緣配合就是正確解決系統(tǒng)過(guò)電壓與限壓措施之間的矛盾以及經(jīng)過(guò)限壓措施后的過(guò)電壓與電氣設(shè)備絕緣之間的矛盾[3-4]，然后達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)供電的目的。

1.1 耐受電壓的修正

根據(jù)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T 50064—2014)》有關(guān)規(guī)定，10 kV電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的絕緣水平見(jiàn)表1。

表1 10 kV電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的絕緣水平

注：括號(hào)內(nèi)外數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)中性點(diǎn)低電阻和非低電阻接地系統(tǒng)。

隨著海拔的增加，由于空氣稀薄、氣壓低等因素，會(huì)造成空氣絕緣強(qiáng)度減弱，中高壓電氣設(shè)備外絕緣水平降低。根據(jù)《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求(GB 11022—2011)》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于安裝在1 000 m以上的高壓電氣設(shè)備，在使用場(chǎng)所要求的絕緣耐受電壓是以標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下的絕緣耐受電壓乘以修正系數(shù)來(lái)決定[5-6]。

Ka=em(H-1 000)/8 150

(1)

式中：Ka——修正系數(shù)；

H——海拔，m；

m——用于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓時(shí)，m=1；用于縱絕緣操作沖擊電壓時(shí)，m=0.9；用于相對(duì)地操作沖擊電壓時(shí)，m=0.75。

因此，在西藏某銅礦項(xiàng)目的設(shè)備絕緣配合設(shè)計(jì)中，絕緣水平需按照電氣設(shè)備使用海拔高度根據(jù)式(1)計(jì)算修正系數(shù)，然后將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后使用。

2 提高高海拔地區(qū)絕緣水平的措施

在高海拔地區(qū)(超過(guò)1 000 m)，為保證電氣設(shè)備能夠安全可靠地運(yùn)行，可通過(guò)采取加強(qiáng)保護(hù)或加強(qiáng)絕緣等措施，保證高壓電器安全運(yùn)行。對(duì)于加強(qiáng)保護(hù)，一方面可以采用特殊制造、性能優(yōu)良的避雷器或高原型過(guò)電壓保護(hù)器，即采取限壓措施限制過(guò)電壓；另一方面可以改變中性點(diǎn)接地方式，使單相接地時(shí)不跳閘變?yōu)榱⒓刺l，降低過(guò)電壓危害。加強(qiáng)絕緣是指在加強(qiáng)保護(hù)措施不能滿足絕緣配合要求時(shí)，按照使用地區(qū)的海拔加強(qiáng)高壓電器外絕緣，即提高絕緣結(jié)構(gòu)。

2.1 改變電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式

電力系統(tǒng)中實(shí)際采用的中性點(diǎn)接地方式，按主要運(yùn)行特性劃分，可分為有效接地系統(tǒng)和非有效接地系統(tǒng)兩大類(lèi)。有效接地包括中性點(diǎn)直接接地和中性點(diǎn)低電阻接地；非有效接地包括中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)高電阻接地和中性點(diǎn)諧振接地[7-8]。當(dāng)電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式由不接地或諧振接地改為低電阻接地時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)由不跳閘改為立即跳閘，以降低過(guò)電壓危害，對(duì)設(shè)備的外絕緣要求隨之降低。

以西藏某銅礦項(xiàng)目10 kV電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備為例，在海拔4 700 m地區(qū)，其絕緣修正系數(shù)為Ka=e1×(4 700-1 000)/8 150=1.57，兩種接地方式下的絕緣水平修正值見(jiàn)表2。

表2 10 kV電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣水平修正值

在項(xiàng)目中使用某系列12 kV斷路器，其參數(shù)為額定雷電沖擊耐受電壓75 kV、短時(shí)工頻耐受電壓42 kV。由表2可知：

1)當(dāng)海拔高度小于1 000 m時(shí)，某系列12 kV斷路器滿足兩種接地方式下的耐受電壓，即滿足絕緣配合要求。

2)在海拔4 700 m地區(qū)，當(dāng)電力系統(tǒng)采用有中性點(diǎn)不接地方式時(shí)，電氣設(shè)備的額定雷電沖擊耐受電壓/額定短時(shí)工頻耐受電壓為118 kV/66 kV，某系列12 kV斷路器明顯不能滿足該耐壓值,即不滿足外絕緣要求；當(dāng)電力系統(tǒng)采用中性點(diǎn)低電阻接地方式時(shí)，額定雷電沖擊耐受電壓/額定短時(shí)工頻耐受電壓為94 kV/44 kV，相比于中性點(diǎn)有效接地方式，耐受電壓值降低，但某系列12 kV斷路器耐壓值依然不能滿足外絕緣要求。

綜上所述，在西藏某銅礦項(xiàng)目10 kV電力系統(tǒng)中，僅依靠改變中性點(diǎn)接地方式并不能實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣配合要求。

2.2 使用過(guò)電壓保護(hù)器

過(guò)電壓保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)保護(hù)電氣設(shè)備免受來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外高瞬態(tài)過(guò)電壓危害。當(dāng)系統(tǒng)遭受雷電或內(nèi)部過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)器會(huì)先于與其并聯(lián)的被保護(hù)設(shè)備放電，從而限制過(guò)電壓，保護(hù)電氣設(shè)備的外絕緣。根據(jù)電氣設(shè)備使用地的海拔高度，項(xiàng)目采用高原型過(guò)電壓保護(hù)器，通過(guò)合理選擇過(guò)電壓保護(hù)器的殘壓值來(lái)降低系統(tǒng)耐受電壓，最終實(shí)現(xiàn)降低電氣設(shè)備造價(jià)的目的。下文以某系列12 kV中壓斷路器設(shè)備為例，對(duì)其過(guò)電壓保護(hù)器的參數(shù)進(jìn)行選擇。

2.2.1 過(guò)電壓保護(hù)器殘壓值的選擇

高原型過(guò)電壓保護(hù)器的殘壓值選擇，采用慣用法進(jìn)行絕緣配合計(jì)算：首先要確定電氣設(shè)備上可能出現(xiàn)的最高過(guò)電壓；然后根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，乘以一個(gè)考慮各種影響因素及一定裕度的系數(shù)，即配合系數(shù)，來(lái)補(bǔ)償在估算最大過(guò)電壓和最低放電電壓時(shí)的誤差，據(jù)此來(lái)確定絕緣耐受的電壓水平[9-10]。

2.2.2 過(guò)電壓保護(hù)器型號(hào)的選擇

1)在10 kV電力系統(tǒng)中，其最高電壓為Um=12 kV，根據(jù)避雷器參數(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式時(shí)，相地持續(xù)運(yùn)行電壓為1.1Um=13.2 kV，相地額定電壓為1.38Um=16.56 kV，在設(shè)備手冊(cè)[11]中不能找到對(duì)應(yīng)的設(shè)備，所以需特殊定制，因此不采用中性點(diǎn)不接地方式。

2)當(dāng)系統(tǒng)采用中性點(diǎn)低電阻接地時(shí)，相地持續(xù)運(yùn)行電壓為0.8Um=9.6 kV，相地額定電壓為Um=12 kV,根據(jù)設(shè)備手冊(cè)[11]選擇電站型復(fù)合絕緣金屬氧化物避雷器HY5WZ2- 12/32.4。

通過(guò)以上計(jì)算分析，在10 kV電力系統(tǒng)選擇中性點(diǎn)低電阻接地時(shí)，通過(guò)采用HY5WZ2- 12/32.4過(guò)電壓保護(hù)器，可以限制過(guò)電壓水平，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣配合要求。

2.3 增加導(dǎo)體間隙

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的中性點(diǎn)低電阻接地結(jié)合過(guò)電壓保護(hù)器的方式已在西藏某銅礦項(xiàng)目10 kV電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施并運(yùn)行，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)回訪及反饋，該系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，沒(méi)有出現(xiàn)電氣設(shè)備因絕緣配合而導(dǎo)致問(wèn)題的情況。此種保護(hù)方式，可將高海拔地區(qū)配電設(shè)備的外絕緣標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一降低到標(biāo)準(zhǔn)值，保證了所有電氣設(shè)備訂貨的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)為中高壓電氣設(shè)備在高海拔地區(qū)的絕緣配合設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。