呂尋浩，秦曉宇，蘇戈，李景華，張克選，高延峰，陳東

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000)

1 引言

近年來(lái)，國(guó)家大力改善西藏地區(qū)生活環(huán)境，提高區(qū)域生活條件，部署西部地區(qū)清潔能源開(kāi)發(fā)外送，促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。電力供應(yīng)是該地區(qū)發(fā)展的開(kāi)路先鋒。我國(guó)西部甘肅、青海、西藏等地區(qū)大都處于1700m以上的海拔高度，隨著海拔高度的增加，氣候環(huán)境也將發(fā)生變化，由表1[1]可知，不同海拔對(duì)電工產(chǎn)品的氣候環(huán)境影響較大。

如表1所示，高海拔地區(qū)環(huán)境參數(shù)變化較大，對(duì)于GIS產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，氣壓低(空氣密度小)，環(huán)境溫度低、太陽(yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)等因素會(huì)對(duì)GIS設(shè)備產(chǎn)生不利影響。空氣密度小和太陽(yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)將對(duì)GIS設(shè)備的絕緣性能、通流能力以及防護(hù)層老化產(chǎn)生較大影響。GIS設(shè)備具備結(jié)構(gòu)封閉的特點(diǎn)，內(nèi)部氣體壓力與外部環(huán)境無(wú)關(guān)，設(shè)備主絕緣不受外部環(huán)境的影響，但是GIS出線(xiàn)用套管外部絕緣隨著空氣密度減小而降低，所以對(duì)套管外絕緣強(qiáng)度的研究將是解決GIS在高海拔地區(qū)絕緣問(wèn)題的主要方向[2-4]。對(duì)二次元件來(lái)說(shuō)，隨著海拔的增高，空氣密度的降低，二次元件的絕緣及開(kāi)斷性能也將降低，對(duì)其絕緣性能及開(kāi)斷性能的隨海拔變化研究也是GIS在高海拔地區(qū)可靠運(yùn)行的保證。高海拔引起的空氣密度降低，將減小空氣的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，影響設(shè)備的散熱性能，降低設(shè)備的通流能力[6-7]。但是隨著海拔的提高，環(huán)境溫度也將降低，從而產(chǎn)生補(bǔ)償。為準(zhǔn)確判斷設(shè)備的通流能力，需對(duì)其兩者的影響程度進(jìn)行評(píng)估。太陽(yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)將會(huì)加劇有機(jī)涂層的老化，有機(jī)涂層長(zhǎng)期暴露在大氣中將會(huì)出現(xiàn)失光、開(kāi)裂、剝落等現(xiàn)象，失去對(duì)設(shè)備本體的保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備殼體等暴露在大氣中的零部件產(chǎn)生腐蝕，減短設(shè)備使用周期。開(kāi)展有機(jī)涂層配方研究，選取合適涂料，滿(mǎn)足設(shè)備使用周期，是應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度紫外線(xiàn)環(huán)境中設(shè)備腐蝕的必選課題。

表1 電工產(chǎn)品不同海拔的氣候環(huán)境條件參數(shù)

2 空氣密度降低對(duì)設(shè)備的影響

國(guó)家能源局發(fā)布的DL/T5240-2010《火力發(fā)電廠(chǎng)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》給出的不同海拔大氣壓計(jì)算方法，見(jiàn)式(1)，將其繪制成曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖1。

(1)

圖1 海拔與大氣壓關(guān)系

式中，Pa為當(dāng)?shù)仄骄鶜鈮?，kPa；H為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，m。

從圖1中可明確看出隨著海拔高度的提升，空氣氣體壓力會(huì)大幅降低。由理想氣體氣態(tài)方程可知?dú)怏w壓力與密度成正比關(guān)系。即隨著海拔高度增加空氣密度會(huì)隨之下降?？諝饷芏鹊南陆祵?duì)其絕緣性能和滅弧性能產(chǎn)生影響。同時(shí)空氣密度的降低會(huì)影響其動(dòng)力粘性系數(shù)，降低其對(duì)流效果，從而影響設(shè)備通流性能。

2.1 空氣密度降低對(duì)絕緣性能的影響

隨著空氣密度的降低，空氣絕緣性能也大幅降低，若不考慮濕度影響，空氣密度與其絕緣能力基本成正比關(guān)系，圖2為空氣密度與其絕緣性能的關(guān)系。

圖2 均勻電場(chǎng)中不同間隙距離下空氣的擊穿電壓和pd的關(guān)系

結(jié)合圖1與圖2可知隨著海拔的升高，空氣密度隨之下降，從而降低空氣的絕緣強(qiáng)度。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)實(shí)際情況給出了不同海拔絕緣強(qiáng)度的修正方法，見(jiàn)式(2)。

Ka1=em(H-1000)/8150

(2)

其中，Ka1是相對(duì)于試驗(yàn)地點(diǎn)海拔1000m及以下的海拔修正系數(shù)，H是海拔高度(m)，m是系數(shù)，對(duì)于雷電沖擊和工頻耐受電壓試驗(yàn)時(shí)m=1，對(duì)于操作沖擊耐受電壓試驗(yàn)時(shí)m=0.75。

2.2 空氣密度降低對(duì)通流性能的影響

隨著海拔的升高，空氣密度降低，使以空氣介質(zhì)為散熱方式的產(chǎn)品散熱困難，所以隨著海拔升高設(shè)備通流時(shí)產(chǎn)生的溫升也隨之增加；但是，隨著海拔的升高環(huán)境溫度降低，一般海拔每升高100m，環(huán)境溫度降低0.5℃。

對(duì)于一次交流系統(tǒng)電器設(shè)備的高海拔溫升補(bǔ)償系數(shù)Kτ可按式(3)進(jìn)行修正[5]：

Kτ=e0.03(H-1000)/1000

(3)

式中，H為海拔高度(m)。

即在高海拔下允許溫升是在一般環(huán)境下的許用溫升值與海拔修正系數(shù)的乘積，見(jiàn)式(4)：

τ=Kτ×τ0

(4)

以1000m海拔溫升極限值為基準(zhǔn)，通過(guò)海拔修正，可以計(jì)算出GIS設(shè)備在不同海拔條件下能夠達(dá)到的溫升值，如表2所示。

表2 溫升限值在不同海拔高度下的修正值

高壓電器在運(yùn)行時(shí)，其溫升控制主要是要求其不超過(guò)設(shè)備能夠承受的最高溫度[6]。表2所示隨著海拔升高所帶來(lái)的溫升升高與隨著海拔升高帶來(lái)的環(huán)境溫度降低基本相當(dāng)，即高海拔環(huán)境中由于海拔上升帶來(lái)的空氣密度減小、設(shè)備溫升增高可有由于海拔增高帶來(lái)的環(huán)境溫度降低值抵消，設(shè)備最高溫度不超設(shè)備能夠承受的最高溫度?？傊?，海拔升高對(duì)設(shè)備的通流能力影響不大。

2.3 高海拔套管設(shè)計(jì)實(shí)例

從2.1節(jié)及2.2節(jié)可知，GIS在應(yīng)對(duì)高海拔的過(guò)程中主要考慮外絕緣問(wèn)題即可。藏中聯(lián)網(wǎng)芒康、林芝等變電站所處海拔高度已經(jīng)超過(guò)3000m，為解決工程應(yīng)用需求，需要完成能夠在超過(guò)海拔3000m運(yùn)行的套管開(kāi)發(fā)。根據(jù)實(shí)際工程需求及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)考慮，確認(rèn)按照3500m海拔高度參數(shù)進(jìn)行套管開(kāi)發(fā)。原則上在現(xiàn)有套管(1000m海拔以下)基礎(chǔ)上進(jìn)行了高海拔套管設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容包括干弧距離確定和內(nèi)屏蔽電場(chǎng)改進(jìn)[8-11]。

隨著海拔高度增高空氣密度降低，絕緣能力下降可參考式(2)進(jìn)行海拔修正，相對(duì)于各海拔修正系數(shù)如表3所示。

表3 套管外絕緣修系數(shù)

以550kV套管為例，海拔1000m以下的GIS套管采用地電位單屏蔽結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)如表4所示。

表4 1000m海拔以下套管參數(shù)

為確認(rèn)此套管的絕緣能力，組織了2000m海拔的絕緣試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，現(xiàn)有套管可以滿(mǎn)足2000m海拔絕緣需求。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在海拔小于1000m地區(qū)進(jìn)行海拔3500m套管試驗(yàn)時(shí)對(duì)外絕緣進(jìn)行海拔系數(shù)修正即可，修正后的試驗(yàn)電壓見(jiàn)表6。

表6 550kV 3500m套管試驗(yàn)修正電壓(≤1000m試驗(yàn))

綜合考慮海拔修正系數(shù)及套管試驗(yàn)情況。分析認(rèn)為3500m時(shí)套管干弧距離≥5.53m即可滿(mǎn)足使用需求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮550kV 3500m海拔修正后的試驗(yàn)電壓與750kV絕緣試驗(yàn)電壓基本相當(dāng)，為保證新開(kāi)發(fā)套管的安全性，最后確定其長(zhǎng)度與其保持一致，即海拔3500m的550kV套管干弧距離為5900mm。

套管屏蔽主要是利用其電容作用，均勻電場(chǎng)，拉高電力線(xiàn)，從而減少電場(chǎng)集中。1000m以下海拔的套管采用單屏蔽結(jié)構(gòu)，其底部電力線(xiàn)分布如圖3所示。

圖3 單屏蔽套管地電位電力線(xiàn)分布

從圖中能夠看出套管上部及下部屏蔽處電力線(xiàn)相對(duì)集中，考慮其下部距離地電位較近，以及空氣絕緣強(qiáng)度降低的因素，對(duì)下部屏蔽進(jìn)行了優(yōu)化。開(kāi)發(fā)出雙屏蔽結(jié)構(gòu)，加大內(nèi)層屏蔽長(zhǎng)度，拉高套管底部電位。優(yōu)化后電力線(xiàn)分布如圖4所示。

圖4 雙屏蔽套管地電位電力線(xiàn)分布

從圖中能夠看出，地電位雙屏蔽的采用將地電位屏蔽上側(cè)電力線(xiàn)分層，有效的改善了套管下部電力線(xiàn)向上分布情況。改進(jìn)前后的電場(chǎng)情況詳如圖5所示。

圖5 套管各部位電場(chǎng)強(qiáng)度

從圖5能夠看出，相對(duì)于單屏蔽結(jié)構(gòu)，套管下側(cè)，尤其是屏蔽外側(cè)部位電場(chǎng)得到了改善，綜合上述對(duì)策完成了550kV 3500m海拔套管的設(shè)計(jì)，完成后套管整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 套管整體結(jié)構(gòu)

驗(yàn)證套管設(shè)計(jì)的可靠性，后期采用海拔修正的方法組織了套管絕緣試驗(yàn)，順利通過(guò)了海拔3500m的外絕緣試驗(yàn)。試區(qū)大氣條件為：大氣壓力：101.3kPa(海拔1000m以下),大氣修正因素為0.989。海拔修正按照表3的系數(shù)法對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行了修正，修正后的試驗(yàn)電壓見(jiàn)表7。

表7 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)將套管直接放置于落地的工字型鋼上，如圖7所示。

圖7 套管試驗(yàn)姿態(tài)圖

2.4 二次元件的性能驗(yàn)證

在高海拔工程中，考慮空氣氣體絕緣性能的變化，對(duì)低壓二次元件的絕緣性能也需修正，以滿(mǎn)足高海拔使用的需求[12]。

開(kāi)關(guān)設(shè)備控制回路一般要求能夠承受工頻2kV/1min的耐電壓試驗(yàn)，高海拔元件選擇是也要能夠滿(mǎn)足此要求。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，一方面二次元件要選擇適當(dāng)型號(hào)，以確保現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行安全。同時(shí)在設(shè)備出廠(chǎng)試驗(yàn)時(shí)要根據(jù)試驗(yàn)地與運(yùn)行地海拔高度差修正出廠(chǎng)試驗(yàn)電壓，保證設(shè)備整體的運(yùn)行安全。電壓修正系數(shù)可以參考海拔修正系數(shù)制定。詳細(xì)見(jiàn)表8。

通過(guò)對(duì)套管外絕緣改進(jìn)，二次元件重新選型等措施的實(shí)施，確保了高海拔變電站運(yùn)行的安全。并成功應(yīng)用于藏中聯(lián)網(wǎng)芒康、林芝等項(xiàng)目中，取得了良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

3 高海拔環(huán)境對(duì)有機(jī)涂層的影響

隨著海拔升高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度將會(huì)明顯上升，根據(jù)相關(guān)資料，各海拔太陽(yáng)輻射強(qiáng)度見(jiàn)表9。

表9 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

GIS外部防護(hù)一般采用在其外部涂抹有機(jī)涂層進(jìn)行防護(hù)，通常防護(hù)層采用聚氨酯磁漆，使用壽命設(shè)置為30年。但是隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的提高，有機(jī)涂層受到的紫外線(xiàn)照射增強(qiáng)，其使用壽命將大幅減短，無(wú)法滿(mǎn)足GIS的防護(hù)。若在GIS的使用壽命內(nèi)發(fā)生有機(jī)涂層發(fā)生老化、剝落現(xiàn)象，將降低GIS外殼環(huán)境耐受能力。

低海拔環(huán)境下GIS設(shè)備殼體外表面涂覆的聚氨酯瓷漆是一種含羥基的醇酸樹(shù)脂的耐候顏料，其主要組成部分為含羥基的醇酸樹(shù)脂、耐候顏料、溶劑、助劑、固化劑等。其特點(diǎn)是在高聚物分子之間能形成非環(huán)或環(huán)狀氫鍵，在外力作用下，氫鍵可分離吸收外來(lái)能量，當(dāng)外力除去后可重新形成氫鍵，如此高的氫鍵斷裂再形成的往復(fù)情況使其具有高的保光性、耐磨性及韌性，能夠有效保護(hù)GIS殼體。但高海拔時(shí)紫外線(xiàn)強(qiáng)烈，即輻射光波波長(zhǎng)大于340nm的光線(xiàn)大幅增加，聚氨酯大量吸收大于340nm的波長(zhǎng)的光波后,其有機(jī)成分中所含的甲撐發(fā)生氧化，形成不穩(wěn)定的氫的過(guò)氧化物，進(jìn)而生成色團(tuán)(酰亞胺結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致漆色變黃、開(kāi)裂。從而影響了產(chǎn)品外觀(guān)、降低設(shè)備耐侯性能。

通過(guò)對(duì)各種表面防腐材料對(duì)比，在高海拔地區(qū)選用了氟碳有機(jī)涂層。氟碳涂料是在氟樹(shù)脂的基礎(chǔ)上經(jīng)改性、加工而成的一種新型涂層材料，主要成分是氟烯烴-乙烯基醚共聚物(FEVE)，其所含的F-C化學(xué)鍵鍵能大，鍵距短，決定了其異常的穩(wěn)定性能，能夠非常好的抵抗高能級(jí)的紫外線(xiàn)，使其具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出極其優(yōu)異的耐久性、耐紫外線(xiàn)等特點(diǎn)，能夠抵有效防護(hù)GIS設(shè)備。

為驗(yàn)證氟碳填料漆的可靠性，分別對(duì)鋁合金基材和鐵基材涂抹氟碳漆，進(jìn)行紫外線(xiàn)加速老化試驗(yàn)，確認(rèn)漆面狀態(tài)。

加速老化試驗(yàn)樣板見(jiàn)圖8：其規(guī)格為70mm×150mm，厚度2～3mm。底漆為通用環(huán)氧樹(shù)脂漆，面漆為氟碳面漆，漆膜厚度≥130μm。

圖8 加速老化試樣

試驗(yàn)采用紫外線(xiàn)加速老化試驗(yàn)按照GB/T23987《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于紫外線(xiàn)和水》進(jìn)行檢測(cè)，其中紫外線(xiàn)功率0.68W/m2，熒光紫外的溫度為60±3℃，測(cè)試時(shí)間3000h。

漆面老化結(jié)果按照GB/T1766《色漆和清漆涂層老化的評(píng)及方法》進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，綜合評(píng)定為0級(jí)(詳見(jiàn)表10)。

表10 老化試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表10中可以看出，在強(qiáng)光照射下氟碳漆除顏色發(fā)生失光外，其它性能比較穩(wěn)定，能夠很好的起到防護(hù)作用。

4 結(jié)論

高原地區(qū)相較于低海拔地區(qū)，環(huán)境條件更為苛刻。在GIS設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中勢(shì)必受到其環(huán)境的影響。本文通過(guò)對(duì)高原環(huán)境條件的分析，得出其影響GIS設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵因素為氣壓低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其影響情況及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了研討，主要內(nèi)容如下：

(1)通過(guò)對(duì)高原地區(qū)低氣壓情況的分析，確認(rèn)其對(duì)設(shè)備性能的主要影響為外絕緣性能及設(shè)備通流性能。通過(guò)分析認(rèn)為對(duì)于設(shè)備通流能力方面高原環(huán)境氣溫降低能夠抵消空氣密度降低引起的設(shè)備溫度上升。對(duì)于GIS設(shè)備絕緣方面主要是影響設(shè)備外絕緣性能涉及出線(xiàn)套管及二次元件。通過(guò)對(duì)套管電場(chǎng)分析，采用加大干弧距離，調(diào)整屏蔽結(jié)構(gòu)的措施，完成高海拔套管的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，并成功應(yīng)用于高海拔地區(qū)。針對(duì)二次元件絕緣問(wèn)題，采用適當(dāng)選型，提高試驗(yàn)電壓的措施保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。

(2)針對(duì)高海拔地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高的情況，確認(rèn)其主要影響設(shè)備表面涂層防護(hù)性能。本文分析了表面涂料防護(hù)可能帶來(lái)的危害，通過(guò)分析提出采用含有的F-C高能鍵的表面涂料，提高了設(shè)備漆面耐受太陽(yáng)輻射的能力。

本文通過(guò)對(duì)低氣壓、高輻射情況的分析，提出了相對(duì)應(yīng)的解決方法，并成功解決GIS設(shè)備在高海拔環(huán)境下的應(yīng)用問(wèn)題，并取得了一定的使用經(jīng)驗(yàn)，為后期四川、西藏等高原地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)打下基礎(chǔ)。