徐則誠(chéng) 歐陽(yáng)友 楊麟 楊杰

收稿日期：2023-09-18

作者簡(jiǎn)介：

徐則誠(chéng)，男，工程師，主要從事水電站機(jī)電設(shè)計(jì)和科研工作。E-mail：xuzecheng@cjwsjy.com.cn

引用格式：

徐則誠(chéng)，歐陽(yáng)友，楊麟，等.

高海拔環(huán)境對(duì)西藏扎拉水電站電氣設(shè)備選型的影響研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（6）：99-102.

摘要：

高海拔環(huán)境下電氣設(shè)備選型工作存在特殊性，通過(guò)梳理扎拉水電站概況和實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)高海拔環(huán)境下電氣設(shè)備，如高壓配電裝置、變壓器、離相封閉母線、發(fā)電機(jī)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備等的選型問(wèn)題進(jìn)行研究。研究總結(jié)了高海拔環(huán)境對(duì)主要電氣設(shè)備的絕緣耐壓、電氣間隙和起暈電壓等方面的不同程度影響，以及在高海拔環(huán)境下運(yùn)行的電氣設(shè)備選型的參數(shù)修正方法。

關(guān)鍵詞：

電氣設(shè)備選型； 高海拔環(huán)境； 電力設(shè)施； 扎拉水電站

中圖法分類號(hào)：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.017

文章編號(hào)：1006-0081（2024）06-0099-04

0? 引? 言

高海拔環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的性能和可靠性產(chǎn)生重要影響。電氣設(shè)備在高海拔地區(qū)常常面臨氣壓、氣溫和空氣稀薄程度等因素的變化，對(duì)其絕緣能力、散熱性能和冷卻效果等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。正確選擇適合高海拔環(huán)境的電氣設(shè)備，可以確保設(shè)備的安全運(yùn)行和可靠性，同時(shí)降低維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。

本文深入探討高海拔環(huán)境下水電站電氣設(shè)備選型工作，以扎拉水電站為例進(jìn)行案例研究，運(yùn)用文獻(xiàn)綜述和數(shù)據(jù)分析方法，分析高海拔環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備選型的影響，并提出相應(yīng)的選型原則和技術(shù)要求，旨在為高海拔環(huán)境下水電站電氣設(shè)備選型提供參考。

1? 工程介紹

西藏扎拉水電站主要開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，采用混合式開(kāi)發(fā)方式，壩址位于左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村附近，廠址位于察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村，距左貢縣城約136 km，距昌都約290 km。扎拉水電站水庫(kù)正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，總庫(kù)容914萬(wàn)m3，總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），

為Ⅱ等大（2）型工程。樞紐主要建筑物由擋泄水建筑物、引水隧洞、電站廠房組成。電站壓力引水隧洞采用一洞四機(jī)布置、圓形斷面，引水線路長(zhǎng)約5.5 km；電站廠房為河岸式，可研階段推薦安裝4臺(tái)250 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。

扎拉水電站具備進(jìn)一步提高單機(jī)容量的工程條件，是國(guó)內(nèi)少有的可開(kāi)展250～500 MW級(jí)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組科研攻關(guān)的工程項(xiàng)目。各參建單位對(duì)500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造可行性進(jìn)行了分析論證，并于2021年11月編制完成了《西藏扎拉水電站機(jī)組容量?jī)?yōu)化論證報(bào)告》。報(bào)告認(rèn)為，單機(jī)500 MW方案雖然技術(shù)上難度大，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但機(jī)組的設(shè)計(jì)制造基本可行，風(fēng)險(xiǎn)可控，推薦扎拉水電站采用2臺(tái)500 MW裝機(jī)方案，對(duì)促進(jìn)西藏地區(qū)水電開(kāi)發(fā)建設(shè)意義重大。

本階段確定的電氣主接線方案為：發(fā)電機(jī)與主變壓器的組合方式采用單元接線，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器，500 kV側(cè)2進(jìn)3出（含一回聯(lián)變）采用3/2斷路器接線。220 kV電壓側(cè)采用不完全單母線接線，通過(guò)聯(lián)絡(luò)變壓器升壓至500 kV后接入雙斷路器串。

2? 環(huán)境條件

根據(jù)左貢縣氣象站1978～2010年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，扎拉水電站的環(huán)境條件見(jiàn)表1。

由于電站設(shè)備使用地點(diǎn)在海拔1 000 m以上，空氣密度較低，大氣壓力較小，溫度變化劇烈，對(duì)電氣設(shè)備的電暈、溫升、外絕緣等方面有一定影響，因此在設(shè)備選型時(shí)需要考慮海拔因素，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3? 高海拔對(duì)電氣設(shè)備性能的影響

（1） 對(duì)溫升的影響。當(dāng)電氣設(shè)備使用于高海拔地區(qū)時(shí)，海拔升高導(dǎo)致空氣密度降低，使空氣介質(zhì)對(duì)于一些以自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)或空氣散熱器等形式進(jìn)行散熱的電氣產(chǎn)品的效果降低，并導(dǎo)致電器內(nèi)部溫度升高。據(jù)研究，海拔0～5 000 m范圍內(nèi)，每升高1 000 m，溫升會(huì)相應(yīng)地增加3%～10%［1］。值得注意的是，隨著海拔的升高，環(huán)境溫度也會(huì)隨之降低，從而起到一定的補(bǔ)償作用。在設(shè)計(jì)高海拔地區(qū)電氣設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備種類、海拔高度以及使用條件進(jìn)行相應(yīng)的修正，以保證其正常的工作環(huán)境。同時(shí)，戶外使用的導(dǎo)體和電氣設(shè)備還需考慮日照對(duì)其產(chǎn)生的影響。因此，對(duì)于電氣設(shè)備的額定使用電流等參數(shù)也需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。

（2） 對(duì)外絕緣的影響。高海拔地區(qū)空氣壓力降低，造成空氣絕緣強(qiáng)度下降，引起電器外絕緣體強(qiáng)度降低，外絕緣表面及不同電位的帶電間隙較易擊穿，需考慮其耐壓?jiǎn)栴}。在海拔0～5 000 m 范圍內(nèi)，每千米高度平均氣壓降低 7.7～10.5 kPa，外絕緣體強(qiáng)度會(huì)降低8%～13%。此外，試驗(yàn)證明海拔升高對(duì)電氣設(shè)備內(nèi)絕緣無(wú)明顯影響［2］。

（3） 對(duì)起暈電壓的影響。隨著海拔升高，高壓交流設(shè)備的電暈起始電壓降低，因此電暈現(xiàn)象比平原地區(qū)更嚴(yán)重。電暈的起暈電壓與海拔高度及電場(chǎng)不均勻程度有關(guān)，電場(chǎng)不均勻程度越大，海拔越高，起暈電壓越低。海拔每升高100 m，起暈電壓降低約1%。電暈會(huì)增加電能損耗，加速電氣設(shè)備絕緣老化和金屬腐蝕，同時(shí)對(duì)無(wú)線電通信產(chǎn)生干擾［2-3］。

（4） 對(duì)動(dòng)作性能的影響。由于海拔提高，氣溫低，散熱困難，與環(huán)境有關(guān)產(chǎn)品的動(dòng)作特性可能受到影響而導(dǎo)致動(dòng)作誤差加大。例如采用熱脫扣器作為過(guò)載保護(hù)部件的斷路器與熱繼電器，其雙金屬片在高原環(huán)境下由于散熱條件的變化，脫扣特性會(huì)發(fā)生一定偏移［4-5］。

4? 電氣設(shè)備選型

扎拉水電站的主要電氣設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)斷路器、離相封閉母線、油浸式主變壓器、廠用干式變壓器、550 kV與252 kV高壓配電裝置等設(shè)備，在設(shè)備選型時(shí)需考慮高海拔環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的影響。

4.1? 高壓配電裝置

扎拉水電站220 kV、500 kV配電裝置采用GIS、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、CT、PT等設(shè)備封裝在SF6套管腔體內(nèi)，絕緣介質(zhì)為SF6，GIS設(shè)備內(nèi)絕緣與海拔高度無(wú)關(guān)，SF6/空氣出線套管、電壓互感器和避雷器為敞開(kāi)式設(shè)備，其絕緣水平需進(jìn)行海拔修正。

絕緣耐受電壓由標(biāo)準(zhǔn)參考大氣壓條件下的絕緣耐受電壓乘以修正系數(shù)ka1來(lái)決定，修正系數(shù)ka1及修正絕緣耐受電壓U（PH）按式（1）～（2）計(jì)算［6-8］：

U（PH）=ka1U（P1000）（1）

ka1=emH-10008150（2）

式中：U（P1000）為海拔高度1 000 m時(shí)空氣間隙的放電電壓，kV；m為系數(shù)，工頻、雷電過(guò)電壓取1.0；H為海拔高度，m。扎拉水電站按海拔2 500 m計(jì)算550 kV敞開(kāi)式設(shè)備外絕緣水平，見(jiàn)表2；252 kV敞開(kāi)式設(shè)備外絕緣水平見(jiàn)表3。

4.2? 變壓器

主變壓器采用現(xiàn)場(chǎng)組裝式雙卷油浸強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器，額定容量280 MVA，高壓側(cè)采用油/SF6套管接至550 kV GIS，低壓側(cè)與15.75 kV離相封閉母線相連；聯(lián)絡(luò)變壓器為現(xiàn)場(chǎng)組裝式、三卷、油浸強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷自耦變壓器，額定容量分別為400，400，130 MVA。550 kV側(cè)和220 kV側(cè)出線采用油/SF6套管與GIS相連，35 kV側(cè)采用電纜出線。

油浸式變壓器內(nèi)絕緣與海拔高度無(wú)關(guān)，需進(jìn)行高海拔溫升修正。廠用變壓器均為干式變壓器，需進(jìn)行外絕緣參數(shù)修正、電氣間隙參數(shù)修正和高海拔溫升修正。溫升限值部分，對(duì)于風(fēng)冷式油浸式變壓器，應(yīng)按安裝場(chǎng)所的海拔高于1 000 m的部分，每增加250 m時(shí)降低1 K。油浸強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器溫升限值見(jiàn)表4。

對(duì)于干式變壓器，在海拔超過(guò)1 000 m的部分，以每500 m為一級(jí)，風(fēng)冷降低5％，自冷降低2．5％。F級(jí)絕緣環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器允許溫升為100 K，按海拔2 500 m進(jìn)行修正，風(fēng)冷變壓器允許溫升降低15％，設(shè)計(jì)值為85 K；自冷變壓器允許溫升降低7.5%，設(shè)計(jì)值為92.5 K。外絕緣修正系數(shù)按式（2）計(jì)算，按2 500 m計(jì)算修正系數(shù)為1.202。以空氣絕緣的產(chǎn)品，其電氣間隙的海拔修正系數(shù)值推薦選用表5參數(shù)。

采用插值法，按2 500 m進(jìn)行修正，電氣間隙修正系數(shù)可取1.205。繞組線端和中性點(diǎn)套管帶電部分的最小空氣間隙見(jiàn)表6～7。

4.3? 離相封閉母線

發(fā)電機(jī)額定電流17 820 A，最大工作電流18 711 A，發(fā)電機(jī)主母線與分支回路采用全連式離相封閉母線。全連式離相封閉母線具有安全可靠、外殼屏蔽效果好、母線載流量大、占據(jù)空間小、便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)用于海拔高于1 000 m，但不超過(guò)4 000 m處的金屬封閉母線的絕緣，參照GB 311.1-2012《高壓輸變電設(shè)備絕緣配合》的要求，海拔每升高100 m，絕緣強(qiáng)度約降低1%，即校正因數(shù)ka2按式（3）計(jì)算：

ka2=11.1-H×10-4（3）

式中：H為海拔高度，取2 500 m。計(jì)算得到校正因數(shù)ka2=1.176。

主回路離相封閉母線額定電壓18 kV，額定電流20 000 A，根據(jù)GB/T 8349-2000《金屬封閉母線》規(guī)定，18 kV金屬封閉母線額定1 min工頻耐受電壓濕式有效值為45 kV，干式有效值為61 kV，額定雷電沖擊耐受電壓峰值為115 kV。經(jīng)過(guò)高海拔修正，絕緣水平為：額定1 min工頻耐受電壓濕式有效值為53 kV，干式有效值為72 kV，額定雷電沖擊耐受電壓峰值為136 kV。

4.4? 發(fā)電機(jī)

對(duì)于在高海拔地區(qū)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)組，定子線棒與定子繞組的防電暈和絕緣性能至關(guān)重要。當(dāng)設(shè)備安裝在海拔高度高于1 000 m 時(shí)，要對(duì)設(shè)備外絕緣的耐壓值進(jìn)行修正，修正系數(shù)按式（2）計(jì)算，按2 500 m計(jì)算修正系數(shù)為1.202。同時(shí)，要對(duì)起暈電壓的試驗(yàn)值進(jìn)行修正。起暈電壓修正系數(shù)按式（4）計(jì)算，定子線棒和繞組的起暈電壓值按式（5）和式（6）計(jì)算。

KQ=（1-KHS）1-KHA（4）

式中：KQ為起暈電壓修正系數(shù)；

K為電暈起始電壓

隨海拔升高的遞減率，取0.1 km-1；HS為試驗(yàn)地點(diǎn)

的海拔，km；

HA為安裝地點(diǎn)的海拔，km。

UBS=1.5KQUN（5）

式中：UBS為定子線棒的電暈起始電壓，kV；UN為電機(jī)額定電壓，kV。

UIS=1.5KQUΦ （6）

式中：UIS為繞組的電暈起始電壓，kV；UΦ為電機(jī)額定相電壓，kV。

4.5? 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備

常規(guī)型低壓電器在海拔2 500 m時(shí)仍有60％的耐壓裕度。通過(guò)對(duì)常規(guī)國(guó)產(chǎn)繼電器與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等試驗(yàn)，在海拔4 000 m及以下地區(qū)，均可在其額定電壓下正常運(yùn)行。

低壓開(kāi)關(guān)具有較高的工作電壓，用于高海拔環(huán)境中，為保證可靠性，其額定工作電壓需相應(yīng)降低。此外，低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備一般安裝于戶內(nèi)及電氣箱體內(nèi)，散熱條件差，工作環(huán)境溫度降低無(wú)法全部抵消散熱不利的影響，需考慮降低容量使用。

高海拔環(huán)境對(duì)低壓斷路器脫扣及動(dòng)作特性有一定影響。采用熱脫扣器作為過(guò)載保護(hù)部件的斷路器、熱繼電器，其雙金屬片在高原環(huán)境下由于散熱條件的變化，脫扣特性會(huì)發(fā)生一定偏移。不同產(chǎn)品偏移程度有一定的分散性，但均在其技術(shù)條件規(guī)定的特性曲線范圍內(nèi)，因此可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試情況進(jìn)行微調(diào)。斷路器磁脫扣采用電流啟動(dòng)的電磁線圈，不受海拔影響。采用電子脫扣器的低壓電器產(chǎn)品的脫扣動(dòng)作特性不受高海拔環(huán)境影響，無(wú)需進(jìn)行調(diào)整和修正，但應(yīng)適當(dāng)考慮電子元件的散熱問(wèn)題。高海拔環(huán)境下，常用熔斷器的熔斷特性最大偏差均在允許偏差的50％以內(nèi)，受環(huán)境影響小，較適用于高原環(huán)境，所以在設(shè)計(jì)時(shí)宜優(yōu)選熔斷器作為設(shè)備的保護(hù)元件。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文結(jié)合扎拉水電站對(duì)高海拔地區(qū)電氣設(shè)計(jì)中可能遇到的一系列問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。高海拔環(huán)境對(duì)主要電氣設(shè)備的絕緣耐壓、電氣間隙和起暈電壓等方面都具有不同程度的影響。研究成果可為高海拔水電站工程的設(shè)備選型提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 羅雙華.高海拔電氣設(shè)備特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求［J］.城市建筑，2014（33）：318-319.

［2］? 余曉光.高海拔地區(qū)電氣設(shè)計(jì)探討［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2017，8（10）：33-36.

［3］? 劉鵬，張軍，謝梁，等.4000 m高海拔地區(qū)特高壓變電站導(dǎo)線電暈特性與選型研究［J］.高電壓技術(shù)，2023，49（7）：2919-2928.

［4］? 涂宗麗.淺談高低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備在高海拔環(huán)境的應(yīng)用［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2017（13）：264.

［5］? 龍劍，趙磊，王明濤，等.高原環(huán)境對(duì)低壓電器性能的影響［J］.電工技術(shù)，2021（21）：138-142.

［6］? 田冰冰.高原地區(qū)的電氣設(shè)備影響及選擇［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2017（13）：203-205.

［7］? 吳衛(wèi)良.高海拔水電站電氣設(shè)備外絕緣水平修正方法研究與應(yīng)用［J］.湖南水利水電，2022（4）：34-37.

［8］? 彭志遠(yuǎn)，桂紹波，陳笙，等.高寒高海拔地區(qū)水電站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算與分析——以德羅水電站為例［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（11）：73-77.

（編輯：張? 爽

）

Influence of high altitude environment on selection of electrical equipment for Xizang Zhala Hydropower Station

XU Zecheng1，OUYANG You1，YANG Lin2，YANG Jie1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China）

Abstract：

In order to explore the specificity of electrical equipment selection in high altitude environment，we involved an examination of Zhala Hydropower Station′s overview and on-site research data. Utilizing data analysis methods，the selection of electrical equipment in high-altitude environments，such as high-voltage distribution units，transformers，phase-isolated busbars，generators，and circuit breaker equipment were researched. The effects of high altitude environment on insulation voltage，electrical clearance and corona voltage of main electrical equipment were summarized. The parameter correction method for the selection of electrical equipment operating in high altitude environment was introduced.

Key words：

electrical equipment selection； high altitude environment； electric power facilities； Zhala Hydropower Station