蔣 春，先馳宇，丁 唯，楊 韜

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 600021)

0 引言

阿里與藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程是迄今為止世界上海拔最高、最具挑戰(zhàn)性的輸變電工程，氣象環(huán)境惡劣，道路交通艱險(xiǎn)，后勤保障困難，環(huán)保要求嚴(yán)格，是繼青藏電力聯(lián)網(wǎng)、川藏電力聯(lián)網(wǎng)、藏中電力聯(lián)網(wǎng)工程3條“電力天路”之后，國(guó)家電網(wǎng)有限公司建設(shè)的又一項(xiàng)突破生命禁區(qū)、挑戰(zhàn)生存極限的世界超高海拔、超大難度的輸變電工程?；魻?20 kV變電站是該工程海拔最高、溫度最低、氣候條件最惡劣的變電工程之一，在電氣設(shè)計(jì)方面，霍爾站有其自身獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 工程概況

霍爾站位于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)普蘭縣霍爾鄉(xiāng)幫仁村，位于普蘭縣城東北約70 km處，與霍爾鄉(xiāng)相距約3.0 km。站址西南側(cè)有國(guó)道G219，南側(cè)2.0 km處是瑪旁雍錯(cuò)湖景區(qū)入口，站址距離瑪旁雍錯(cuò)湖邊約4 km。站內(nèi)地勢(shì)平坦，平均海拔約4 644 m。

本期規(guī)模：120 MVA主變壓器1臺(tái)；220 kV配電裝置出線2回，其中1回出線裝設(shè)1組15 Mvar高壓電抗器；110 kV配電裝置出線1回；35 kV配電裝置出線1回；本期主變低壓側(cè)裝設(shè)4組4 Mvar低壓電抗器。

遠(yuǎn)期規(guī)模：120 MVA主變壓器2臺(tái)；遠(yuǎn)景220 kV配電裝置出線8回；110 kV配電裝置出線10回；35 kV配電裝置出線6回；每臺(tái)主變低壓側(cè)安裝8組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，并各預(yù)留1組靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(static var compensator，SVC)位置。

220 kV配電裝置遠(yuǎn)期8線2變，按雙母線雙分段接線規(guī)劃；本期2線1變，采用雙母線接線；220 kV配電裝置采用氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)戶內(nèi)布置。110 kV配電裝置遠(yuǎn)期10線2變，按雙母線雙分段接線規(guī)劃；本期1線1變，采用雙母線接線；110 kV配電裝置采用GIS戶內(nèi)布置。35 kV配電裝置按單母線分段接線規(guī)劃，本期采用單母線接線，裝設(shè)總回路斷路器；35 kV配電裝置采用充氣式開(kāi)關(guān)柜。

高海拔變電站電氣一次設(shè)計(jì)主要包括絕緣水平及空氣間隙計(jì)算、設(shè)備選型及布置、站用電系統(tǒng)、防雷接地、電纜選型及敷設(shè)等[1-2]，以下從這幾方面對(duì)本工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

2 絕緣水平及空氣間隙修正

2.1 絕緣水平

目前相關(guān)高海拔絕緣修正及空氣間隙修正的規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)均只計(jì)算到了海拔4 000 m，海拔4 000 m的設(shè)計(jì)海拔高度已滿足全國(guó)大部分地區(qū)工程，但是本工程位于西藏阿里地區(qū)，場(chǎng)地海拔高度達(dá)4 700 m，因此需對(duì)本工程的設(shè)備絕緣水平及帶電空氣間隙進(jìn)行專門計(jì)算，通過(guò)計(jì)算對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行修正。

變電站內(nèi)設(shè)備的要求耐受過(guò)電壓應(yīng)以避雷器的保護(hù)水平為基礎(chǔ)，乘以配合系數(shù)作為配合耐受過(guò)電壓，然后乘以海拔修正系數(shù)得到要求的設(shè)備外絕緣水平。各電壓等級(jí)電氣設(shè)備在1 000 m及以下海拔高度的絕緣水平見(jiàn)表1所列。

表1 各電壓等級(jí)電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平kV

根據(jù)國(guó)網(wǎng)基建部印發(fā)的《高海拔地區(qū)35～750 kV變電站通用設(shè)計(jì)主要技術(shù)原則》規(guī)定“高海拔地區(qū)設(shè)備外絕緣耐受電壓水平按照GB/T 311.1—2012《絕緣配合：第1部分：定義、原則和規(guī)則》確定的原則進(jìn)行修正。確定高海拔變電站設(shè)備外絕緣水平時(shí)，海拔修正系數(shù)可采用公式Ka=eq(H-1000)/8150(H為設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度，m)進(jìn)行計(jì)算[3]，見(jiàn)表2所列。

表2 海拔修正系數(shù)Ka計(jì)算結(jié)果

表3的計(jì)算結(jié)果與表1進(jìn)行對(duì)比可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，各電壓等級(jí)的絕緣水平均做了較大幅度的修正，對(duì)設(shè)計(jì)制造廠提出了較高的要求，相關(guān)設(shè)備的價(jià)格水平勢(shì)必也會(huì)提高，需引起設(shè)計(jì)注意。

表3 修正后電氣設(shè)備外絕緣的額定耐受電壓kV

2.2 空氣間隙修正

對(duì)于變電站交流空氣間隙要求，一般是按照絕緣配合得到的絕緣水平，計(jì)算得到50%放電電壓，然后通過(guò)由大量棒板間隙試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合間隙形狀系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，或者根據(jù)不同形狀、長(zhǎng)度空氣間隙真型試驗(yàn)得到50%放電電壓特性曲線，然后通過(guò)查找計(jì)算曲線得到空氣間隙要求。本工程針對(duì)不同電壓等級(jí)的配電裝置采用以下計(jì)算原則：35～220 kV配電裝置雷電沖擊絕緣配合可采用GB/T 50064—2014中的確定性法，35～220 kV高海拔配電裝置空氣間隙由公式d=U50/530計(jì)算確定[4]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 霍爾變電站最小間隙值表

從表4可以看出，本工程在接近5 000 m的海拔高度下，空氣帶電距離修正后取值相比平原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)取值有了很大的增加，相關(guān)設(shè)備干弧距離、絕緣子串設(shè)計(jì)、構(gòu)架高寬度設(shè)計(jì)、配電裝置帶電校驗(yàn)等需要引起重視。

3 設(shè)備選型及布置

3.1 高壓配電裝置選型及布置

高海拔地區(qū)空氣稀薄，電氣設(shè)備外絕緣性能下降，電氣設(shè)備的干弧距離需要加長(zhǎng)，外絕緣需要修正，若采用戶外敞開(kāi)式設(shè)備，變電站的占地面積將大大增加，在西藏地區(qū)土建工程造價(jià)昂貴的情況下，場(chǎng)平、土建等增加費(fèi)用將超過(guò)空氣絕緣敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備(air insulated switchgear，AIS)的節(jié)省費(fèi)用。因此，高海拔地區(qū)工程高壓配電裝置推薦采用GIS設(shè)備。

通常戶外GIS設(shè)備應(yīng)考慮太陽(yáng)輻射的影響，太陽(yáng)輻射主要是通過(guò)使材料發(fā)生光化學(xué)降解反應(yīng)以及使環(huán)境變熱等對(duì)設(shè)備造成影響。具體主要表現(xiàn)為：設(shè)備的溫升升高，對(duì)設(shè)備的通流能力造成影響；影響設(shè)備某些橡膠、塑料及環(huán)氧樹(shù)脂制品的彈性、塑性及造成老化等。因此，強(qiáng)紫外線地區(qū)工程推薦GIS設(shè)備戶內(nèi)布置。對(duì)于布置于室外的密度繼電器需加裝遮避罩或其它措施避免陽(yáng)光直射，戶外的復(fù)合套管需采用高溫硫化硅橡膠工藝(HTV)，避免采用室溫硫化硅橡膠工藝(RTV)。

在超低溫情況下，SF6氣體液化后無(wú)法熄滅高壓電弧，低溫嚴(yán)重制約SF6斷路器的安全運(yùn)行。GIS設(shè)備雖然戶內(nèi)布置，但仍無(wú)法保證建筑外墻的保溫效果滿足避免SF6氣體液化的要求。鑒于此，本工程考慮對(duì)110 kV及220 kV GIS設(shè)備的斷路器室加裝伴熱帶，戶外分支母線及高壓套管采用降低氣壓的方式解決液化問(wèn)題，氣壓設(shè)定為0.4 MPa。

綜上，考慮本工程高海拔、極低溫、強(qiáng)紫外線的環(huán)境，本工程110 kV及220 kV高壓配電裝置選用GIS，戶內(nèi)布置。GIS斷路器室罐體附設(shè)伴熱帶以防止低溫環(huán)境下SF6氣體液化。

3.2 主變、高抗等含油設(shè)備

運(yùn)行在高寒地區(qū)變電站的變壓器和并聯(lián)電抗器，需選擇更低凝點(diǎn)的變壓器油，否則無(wú)法保證正常運(yùn)行，或難以實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)。本工程極端最低氣溫-41.4℃，因此本工程變壓器類設(shè)備用油選擇KI45X克拉瑪依油。

對(duì)變壓器設(shè)備類的密封橡膠的要求是首先必須具有良好的耐熱性、耐油性，較好的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹椥?，其次要具有良好的耐臭氧、耐紫外線等耐老化性能。本工程變壓器設(shè)備類的密封橡膠統(tǒng)一選用具有優(yōu)異耐紫外線、耐熱、耐油、耐老化性的氟硅橡膠。

3.3 端子箱、匯控柜、控制柜等戶外箱體

低溫環(huán)境會(huì)影響戶外控制柜內(nèi)電子組件的正常工作，因此柜內(nèi)需附帶加熱功能及溫控裝置，當(dāng)溫度低于零度時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，保證柜內(nèi)溫度不低于零度。加熱器功率應(yīng)能滿足極低溫度下的運(yùn)行要求，另外柜體也需考慮通風(fēng)散熱性能。

沙塵進(jìn)入設(shè)備操作機(jī)構(gòu)箱或者端子箱、儀表等處，會(huì)影響控制設(shè)備的正常功能；飛揚(yáng)的砂、石沖擊或者打磨設(shè)備外表面，損壞設(shè)備表面漆層，影響電氣設(shè)備的外觀。因此，本工程要求所有的戶外箱體外殼采用不銹鋼或耐蝕鋁合金，公稱厚度不應(yīng)小于2 mm；柜體表面進(jìn)行酸洗去脂、烘干、納米陶瓷涂層(帶靜電吸附原理)，對(duì)封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面也要噴涂或進(jìn)行防銹處理；柜體密封采用PU發(fā)泡密封材料，機(jī)柜的防護(hù)等級(jí)至少可達(dá)IP65。戶外柜采用專用戶外密封膠，耐高溫180℃，耐低溫-45℃，抗老化，阻燃；箱體設(shè)置可使箱內(nèi)空氣流通的迷宮式通風(fēng)口，并具有防腐、防雨、防風(fēng)、防潮、防塵和防小動(dòng)物進(jìn)入的性能。

3.4 其他

1)高壓電抗器隔聲罩殼采用保溫隔熱罩殼，且為多層結(jié)構(gòu)配置，保溫隔熱功能優(yōu)于傳統(tǒng)保溫墻板。隔聲罩頂部設(shè)置有3%的坡度，具備排水能力，隔聲板外側(cè)設(shè)置有壓型鋼板，吸隔聲板與壓型鋼板間設(shè)置高分子橡膠防水卷材，套管開(kāi)孔處橡膠卷材翻邊包裹套管一圈，具備較強(qiáng)防水密封功能[1]。

2)復(fù)合絕緣設(shè)備采用高溫硫化硅橡膠工藝，選用高分子量的甲基乙烯基硅橡膠為原料，主鏈Si-O鍵的鍵能為445 kJ/mol，而紫外線經(jīng)過(guò)大氣臭氧層過(guò)濾，能量為300～412 kJ/mol，可以避開(kāi)強(qiáng)紫外線損傷。

4 站用電系統(tǒng)

本站新建1臺(tái)220 kV主變，根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)，可采用1臺(tái)站用變+1臺(tái)備用變的電源方案，但是該地區(qū)地處偏遠(yuǎn)，方圓100 km范圍內(nèi)無(wú)可靠電源，常規(guī)220 kV站的站用電源設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足本工程的特殊要求。本工程考慮采用1臺(tái)站用變+應(yīng)急電源的方案。

應(yīng)急電源可采用可快速啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)效率高，可在很短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)控制裝置啟動(dòng)供電，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，是常用的應(yīng)急備用發(fā)電設(shè)備。但是考慮本工程所在地理環(huán)境，面臨著高海拔、極低溫、邊境油品管控等特殊因素。若采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，面臨著諸多問(wèn)題。因此，本工程考慮采用電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為應(yīng)急備用電源，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高，一般其僅考慮為I類重要負(fù)荷供電。

5 防雷接地

本工程配電裝置區(qū)域采用獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針對(duì)設(shè)備做聯(lián)合保護(hù)，站前區(qū)通過(guò)在建筑物屋頂設(shè)避雷帶做防直擊雷保護(hù)[2]。

本工程對(duì)保護(hù)接地、工作接地和過(guò)電壓保護(hù)接地采用一個(gè)總的接地網(wǎng)，接地網(wǎng)為以水平接地體為主，并采用部分垂直接地極組成復(fù)合環(huán)形封閉式接地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)按不等間距分布，在變電站圍墻內(nèi)1.5 m處作閉合水平地網(wǎng)。本站季節(jié)性凍土深度在1.4～1.6 m，考慮施工難度及開(kāi)挖工程量，將地網(wǎng)正常埋設(shè)(埋深0.8 m)，在接地網(wǎng)周圍及內(nèi)部交叉節(jié)點(diǎn)布置短垂直接地極。水平接地體材料用-60×8 mm鍍鋅扁鋼，垂直接地極用φ70 mm鍍鋅鋼管。

經(jīng)計(jì)算，不采取任何降阻措施時(shí)，全站接觸跨步電勢(shì)不滿足要求，需采取如下降阻措施：

1)在站區(qū)內(nèi)打7口約100 m的深井，做深井接地；

2)設(shè)備和構(gòu)架周圍鋪設(shè)碎石，以提高接觸電位差；

3)防止變電站內(nèi)外電位轉(zhuǎn)移，采取必要的電位隔離措施。

6 電纜選型及敷設(shè)

本工程氣溫極低，因此高低壓電纜選用阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套鎧裝電纜(ZR-YJY23)。

電纜敷設(shè)總體遵循“分層分溝”布置的原則，高壓電力電纜(35 kV電纜)與低壓電纜(低壓動(dòng)力與控制、通訊電纜)分溝敷設(shè)，各電壓等級(jí)均分層敷設(shè)。電纜敷設(shè)按電壓等級(jí)由高到低、由上到下敷設(shè)。通訊光纜敷設(shè)在電纜溝最底層，放入專門的防火槽盒內(nèi)。

動(dòng)力電纜運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生高溫、渦流損耗等現(xiàn)象，火災(zāi)危險(xiǎn)相對(duì)較高。與控制電纜混雜在一起敷設(shè)，容易導(dǎo)致控制保護(hù)系統(tǒng)故障和誤動(dòng)，甚至全站停電。根據(jù)規(guī)范要求“當(dāng)動(dòng)力電纜與控制電纜或通信電纜敷設(shè)在同一電纜溝或電纜隧道內(nèi)時(shí)，宜采用防火槽盒或防火隔板進(jìn)行分隔”。本工程地處西藏阿里地區(qū)，運(yùn)維檢修工作均極為困難，為進(jìn)一步減小動(dòng)力電纜火災(zāi)情況下對(duì)同溝敷設(shè)控制電纜的影響，本工程采用了“抽屜式防火隔板及電纜支架系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包括帶導(dǎo)軌凹槽的電纜支架、L形抽屜式防火隔板、滾動(dòng)或滑動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中電纜支架選用熱固性、阻燃型復(fù)合材料制作，外表光潔，機(jī)械比強(qiáng)度和比模量大，耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)良、全壽命周期綜合效益高。其中抽屜式防火隔板系模塊化產(chǎn)品，安裝拆卸僅需推入或抽出，可根據(jù)需要調(diào)整數(shù)量并可沿電纜溝依次拼接，避免了現(xiàn)場(chǎng)切割與焊接安裝，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高了施工效率，安裝后整潔美觀，并且有利于電纜安全運(yùn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程地處西藏阿里地區(qū)，設(shè)備選型及布置均需考慮低氣壓、極低溫、強(qiáng)紫外線、大風(fēng)沙等地理環(huán)境因素。本文本主要從絕緣配合、空氣間隙計(jì)算、設(shè)備選型及布置、站用電系統(tǒng)、防雷接地、電纜選型及敷設(shè)這幾方面設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，可供類似環(huán)境條件地區(qū)工程參考設(shè)計(jì)。