唐 偉，李良威

（1、2 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司電氣化設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師， 四川 成都 610031）

我國最大的四個(gè)高原即青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、云貴高原分布在西南、西北部，隨著地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，部分地區(qū)已經(jīng)開始建設(shè)電氣化鐵路網(wǎng)。該地區(qū)修建鐵路平均海拔較高，隨著海拔增高，氣壓和溫度都將下降，相對(duì)空氣密度減小，空氣間隙和絕緣子的外絕緣放電電壓隨之下降。而對(duì)于電氣化鐵路接觸網(wǎng)，如果外絕緣設(shè)計(jì)不當(dāng)，過小必將發(fā)生閃絡(luò)或者擊穿事故，過大則會(huì)使隧道斷面增加，造成投資浪費(fèi)。因此，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)電氣絕緣間隙的選擇，既是確保電氣供電可靠運(yùn)行至關(guān)重要的因素，也是影響隧道凈空高度及工程投資的重要參數(shù)。

目前，在進(jìn)行接觸網(wǎng)電氣絕緣間隙高海拔外絕緣校正方面，雖然國內(nèi)外相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)眾多，但迄今仍沒有科學(xué)、統(tǒng)一的海拔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致高海拔地區(qū)電氣設(shè)備參數(shù)雜亂、同類型設(shè)備序列眾多、規(guī)格型號(hào)不統(tǒng)一，通用互換性較差，本文將系統(tǒng)分析國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高海拔外絕緣校正計(jì)算方法和范圍，提出合理的分類設(shè)計(jì)思路，對(duì)接觸網(wǎng)空氣間隙修正系數(shù)提出可行、有效建議，旨在方便工程設(shè)計(jì)，有利于縮短工程建設(shè)周期，降低工程建設(shè)和運(yùn)營成本，有利于增強(qiáng)設(shè)備的統(tǒng)一性和通用性，提高工程建設(shè)水平。

1 海拔分級(jí)設(shè)計(jì)

高原地區(qū)鐵路的拓展延伸及覆蓋范圍與人口密度息息相關(guān)，而海拔高度對(duì)人口分布有著很大的影響，海拔2 000 m～3 000 m地區(qū)自然條件相對(duì)較好，人口密度較高，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，是電氣化覆蓋較密集的地區(qū)；在海拔3 000 m～4 000 m 地區(qū)，牧草生長茂盛，可以發(fā)展畜牧業(yè)，雖然具備人類生存條件，但人口稀少；在現(xiàn)代雪線（海拔4 400 m）以上地區(qū)，終年積雪，既不能發(fā)展農(nóng)業(yè)，又不能發(fā)展畜牧業(yè)，很少有人居住，更無大型工業(yè)。根據(jù)高海拔地區(qū)地理位置、氣象條件實(shí)際情況，結(jié)合高海拔地區(qū)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮國內(nèi)生產(chǎn)廠家電氣設(shè)備產(chǎn)品序列，為增強(qiáng)設(shè)備的統(tǒng)一性和通用性，本次高海拔的分類按以下原則進(jìn)行海拔分級(jí)。

對(duì)于海拔高度大于1 000 m但又不超過2 000 m地區(qū)，電氣設(shè)備外絕緣參數(shù)統(tǒng)一按照海拔2 000 m選??；在海拔2000 m以上地區(qū)，電氣設(shè)備外絕緣參數(shù)，按照500 m 一檔進(jìn)行海拔分級(jí)。

2 海拔校正修正方法

國內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)證明，在高壓與絕緣領(lǐng)域，氣隙放電遵循帕邢定律，或稱之為巴申定律，空氣間隙放電電壓和放電間隙距離與大氣壓力的乘積存在著巴申曲線定律關(guān)系。隨著海拔增加，大氣壓力下降，空氣密度將減小，外絕緣的放電電壓也會(huì)隨之下降，相同放電電壓對(duì)應(yīng)的放電間隙則會(huì)變大。

2.1 校正方法 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出的外絕緣海拔修正方法，主要有以下幾種：

1）GB 311.1-2012《絕緣配合 第1 部分定義、原則和規(guī)則》和GBT 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 11022-2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》。

該修正法規(guī)定：對(duì)擬用于海拔高于1 000 m，但不超過4 000 m 處的設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度進(jìn)行海拔修正，其設(shè)備外絕緣電氣強(qiáng)度隨海拔高度呈指數(shù)下降，海拔校正系數(shù)Ka：

式中：H—安裝地點(diǎn)的海拔高度；q—指數(shù)，取值（對(duì)雷電沖擊耐受電壓，q=1；對(duì)空間間隙短時(shí)工頻耐受電壓，q=1；對(duì)操作沖擊耐受電壓，q 按曲線選擇）。

2）DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》。

該修正法規(guī)定：氣象條件修正方法外絕緣所在地區(qū)氣象條件異與標(biāo)準(zhǔn)氣象條件時(shí)，放電電壓可按下式修正：

式中：H—安裝地點(diǎn)的海拔高度；δ—相對(duì)空氣密度；n—指數(shù)，由絕緣長度確定。

3）GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù)：一般試驗(yàn)技術(shù)要求》。

該修正法規(guī)定：氣象條件按照校正到標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)庀髼l件下空氣密度修正和濕度修正，電壓值修正系數(shù)由下式確定：

式中：δ—相對(duì)空氣密度；m、w—分別為空氣密度、濕度修正指數(shù)；k—取決于試驗(yàn)電壓類型并為絕對(duì)濕度與相對(duì)空氣密度比率的函數(shù)。

4）GB 20635-2006《特殊環(huán)境條件高原用高壓電器的技術(shù)要求》。

綜合GB 311.1-2012《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》和GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù)：一般試驗(yàn)技術(shù)要求》的要求。

5）IEC標(biāo)準(zhǔn)

1）GB/T 11022-2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》引用IEC62271-1-2007；

2）GB 311.1-2012《絕緣配合 第1 部分定義、原則和規(guī)則》引用IEC60071-1-2006；IEC60071-1-2006與IEC60694-2002相同；

3）GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù)：一般試驗(yàn)技術(shù)要求》引用IEC60060-1-2010；

2.2 實(shí)驗(yàn)中推薦的海拔校正方法

1）青海電力科學(xué)試驗(yàn)研究院

參照IEC60071-2-1996 中海拔校正因數(shù)的指數(shù)公式，對(duì)線路間隙的工頻放電電壓、操作50%放電電壓和雷電50%放電電壓在0.5m～1.5m 的間隙距離內(nèi)按下式（指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式）進(jìn)行最小二乘法擬合，海拔校正系數(shù)Ka：

式中：H—安裝地點(diǎn)的海拔高度；q—指數(shù)，取值（對(duì)工頻、雷電沖擊耐受電壓，q=1；對(duì)操作沖擊耐受電壓，q=0.9）。

2）重慶大學(xué)實(shí)驗(yàn)高壓實(shí)驗(yàn)研究

在多功能人工氣候室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行工頻、雷電沖擊及操作沖擊的放電實(shí)驗(yàn)，研究其放電特性，并研究海拔4 000 m-5 500 m 地區(qū)大氣條件對(duì)短空氣間隙放電電壓影響的校正公式：

（3）云南電力中心試驗(yàn)所

氣象條件修正方法結(jié)合DL/T620-1997 ，采用“比濕”綜合修正系數(shù)法，進(jìn)一步細(xì)化了公式（3）中的濕度修正系數(shù)k：

3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)所得修正因數(shù)比較

以工頻放電電壓為例，同時(shí)將所有標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍外延至5 000 m，以0 m 為基準(zhǔn)，利用各種標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)研究獲得的修正因數(shù)，分別計(jì)算其工頻電壓海拔校正因數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 各種標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)海拔校正因素計(jì)算對(duì)比

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中海拔修正方法，結(jié)合相關(guān)單位和院校在高海拔外絕緣領(lǐng)域研究成果，高海拔地區(qū)空氣間隙和外絕緣修正系數(shù)主要受大氣參數(shù)的影響，引起電氣設(shè)備外絕緣電氣強(qiáng)度下降的主要原因是大氣參數(shù)的變化，我國國土遼闊，不同高海拔地區(qū)的大氣參數(shù)各具特色，差異較大，在同樣的海拔高度，由于大氣參數(shù)的差異，電氣設(shè)備外絕緣的下降程度也是不一樣的，對(duì)一個(gè)具體的工程一律采用國家標(biāo)準(zhǔn)或者電力標(biāo)準(zhǔn)的方法校正不一定合適，受其適用范圍限制，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。

4 高海拔接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙建議

就電氣化鐵路而言，如果接觸網(wǎng)的絕緣間隙過大，則必然會(huì)提高電氣設(shè)備的耐壓等級(jí)及水平，造成投資過大；如果絕緣間隙過小，則必然招致?lián)舸┙^緣間隙的情況頻頻發(fā)生，造成不穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于高海拔地區(qū)電氣化鐵路，在可研設(shè)計(jì)階段，建議采取表1各種標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)海拔校正因素計(jì)算均值，對(duì)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2016）關(guān)于接觸網(wǎng)的空氣絕緣間隙進(jìn)行修正，見表2。

表2 接觸網(wǎng)的空氣絕緣間隙海拔修正值

接觸網(wǎng)最小空氣間隙距離選擇是由工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓來確定的，而25 kV電壓等級(jí)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的雷電過電壓成為最小空氣間隙的控制因素。因此接觸網(wǎng)的絕緣配合，尤其的防雷配合也成為選擇最小空氣間隙距離的一個(gè)重要依據(jù)。

根據(jù)我國高原特點(diǎn)，西南、西北部鐵路橋隧比例高，而隧道內(nèi)牽引網(wǎng)的絕緣水位因隧道空間的限制，比隧道外要低。同時(shí)，隧道內(nèi)存在著潮濕、重污穢等不利運(yùn)行因素。因此，在鐵路長大隧道，在易受雷擊的車站和橋梁，或是高雷擊地區(qū)的線路等，為了確保設(shè)施和線路安全，則采用了在區(qū)域兩端，按現(xiàn)場(chǎng)雷擊局部地域設(shè)置氧化鋅避雷器等予以防護(hù)。合理配置接觸網(wǎng)隧道兩端避雷器也成為優(yōu)化隧道內(nèi)接觸網(wǎng)最小空氣間隙的重要研究課題。

5 結(jié)束語

高海拔環(huán)境對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)外絕緣影響較大，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行和控制隧道工程投資起著至關(guān)重要的作用，通過調(diào)研IEC、國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，吸收消化既有研究成果，本文對(duì)高海拔條件下接觸網(wǎng)空氣絕緣間隙的選擇提出初步的指導(dǎo)意見，但是實(shí)際地點(diǎn)的氣候參數(shù)情況并非如理論所想，即便是運(yùn)行于相同海拔高度不同地理位置的高壓線路也因日照強(qiáng)度、污區(qū)等級(jí)的差異其修正值也有所不同。所以建議在初步設(shè)計(jì)階段選擇典型的地點(diǎn)作為試驗(yàn)研究場(chǎng)所，全面掌握全線沿線的大氣參數(shù)，綜合考慮各方面因素，以大量的試驗(yàn)為支撐，進(jìn)一步優(yōu)化高海拔地區(qū)設(shè)備外絕緣耐受電壓水平及大氣參數(shù)校正系數(shù)，解決高海拔地區(qū)電氣設(shè)備安全運(yùn)行和減少投資問題。