高海拔地區(qū)對高壓電氣設備外絕緣影響研究

姜 帥

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司宜昌運維分部，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

我國整體地勢較高，海拔高度超過 1 000 m的地區(qū)較多，約占全國總面積的三分之二，電氣設備用量約占全國總用量的五分之一[1]。環(huán)境中的氣壓、濕度、鹽污等因素都會對電氣設備的性能產(chǎn)生一定的影響，降低電氣設備運行的效果[2]。高海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)在氣候、環(huán)境等方面均存在較大的差異性[3]。高海拔地區(qū)的空氣密度與氣壓相對較低，周圍環(huán)境氣溫波動幅度較大，氣象災害較多，且危害性較強[4]。高壓電氣設備受到這些因素的影響，設備的絕緣性能會發(fā)生一定的變化[5]。電氣設備在高海拔地區(qū)運行中，外絕緣性能發(fā)生改變一方面是由于電氣設備絕緣裕度較大；另一方面是由于高海拔地區(qū)環(huán)境、氣候條件與低海拔地區(qū)的差異性較大，影響了發(fā)電機本體的外絕緣，且設備的絕緣水平以及爬電距離的海拔修正方法存在不足造成[6]。隨著海拔高度的不斷上升，大氣密度逐漸呈指數(shù)趨勢減少，電氣設備自身的絕緣能力下降。相關研究表明，海拔高度每提升1 km，電氣設備絕緣能力會減弱8%左右[7]。

綜上所述，為了提高電氣設備在環(huán)境因素較為復雜地形中的使用性能，本文以青海地區(qū)為研究對象，研究了高海拔地區(qū)對高壓電氣設備外絕緣的影響，為我國電力行業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

1 研究區(qū)概況

本文以青海地區(qū)為研究對象，進行高海拔地區(qū)對高壓電氣設備外絕緣影響研究。青海地區(qū)作為我國高雷區(qū)之一，空氣密度較小。青海地區(qū)的海拔較高，平均海拔約為3 km，面積約為 720 000 km2，屬于高原大陸性氣候。青海地區(qū)的降雨量較少，日照時間相對較長，雨熱同期，其濕度、氣溫及空氣密度對高壓電氣設備的外絕緣具有較高影響[8]。青海地區(qū)的雷電活動相對來說較頻繁，運行的變電站電氣設備采用高原型電壓設備，其外絕緣配置的概況如表1所示。

表1 電氣設備外絕緣配置概況

由表1可知，現(xiàn)階段，該地區(qū)的外絕緣水平得到了一定的提高，經(jīng)過海拔校正計算，引進了性能優(yōu)良的氧化鋅避雷器。在絕緣方式方面，采用了加強絕緣，滿足高海拔地區(qū)對電氣設備放電電壓的需求。

2 研究過程及方法

為了對高海拔地區(qū)高壓電氣設備外絕緣影響作出進一步研究，進行了如下試驗分析。確定青海地區(qū)大氣條件，分析空氣密度與濕度的變化，并針對該變化對電氣設備外絕緣放電電壓的影響情況進行判斷。試驗所需的自變量設置為空氣潮濕狀況參數(shù)，采用g/m3表示單位體積空氣內(nèi)水汽的質(zhì)量。青海地區(qū)空氣壓力主要包括水汽壓力與干燥空氣壓力之和，計算公式為：

式中，Pw表示青海地區(qū)水汽部分壓力；Pa表示青海地區(qū)干燥空氣部分壓力；nw表示體積V內(nèi)的水汽克分子數(shù)；R表示青海地區(qū)大氣氣體的普遍常數(shù)，本次研究中取值 8.314 J/g分子；T表示青海地區(qū)海拔高度在 1 km以上時水汽的熱力學溫度。通過計算獲取青海地區(qū)的空氣壓力，接下來計算青海地區(qū)海拔高度在1 km以上時大氣的絕對濕度，公式為：

式中，H表示海拔高度在 1 km以上時大氣的絕對濕度，Mw表示體積V內(nèi)的高海拔水汽質(zhì)量。當青海地區(qū)的溫度達到一定標準時，空氣中的水汽壓力與濕度成正比例變化，綜合考慮溫度變量，在溫度與絕對濕度之間建立對應關系。在青海地區(qū)，受到高海拔的影響，絕對濕度與相對濕度不同，對高壓電氣設備外絕緣的影響也不同，空氣相對濕度的計算公式為：

式中，Pwa(t)表示青海地區(qū)溫度在達到t時的飽和水汽壓力。受到高海拔的影響，該地區(qū)相對濕度、絕對濕度與溫度之間的關系較為強烈，相互之間容易受到影響。在相同海拔高度的條件下，大氣的相對密度差異性較小，空氣濕度之間差異性較大，對高壓電氣設備外絕緣影響的差異性也較大，接下來，需要對濕度進行校正處理，校正到相同濕度標準下，再對高壓電氣設備外絕緣影響作出分析。

在分析前，需要明確青海高海拔地區(qū)中放電電壓影響參數(shù)，并根據(jù)放電電壓影響參數(shù)，選用配電裝置GIS 設備，以 SF6 作為絕緣氣體，在電氣設備運行過程中受到外部環(huán)境的影響較小，適用于青海地區(qū)環(huán)境。接下來，對高壓電氣設備外絕緣水平海拔進行修正處理。相關研究表明，在青海高海拔氣候條件的影響下，溫度與濕度對于電氣設備外絕緣的影響，存在相互補償?shù)窒年P系，因此本次試驗可以對青海地區(qū)的海拔高度作為變量進行修正處理。依據(jù)《絕緣配合原則與規(guī)則》，通過大量青海地區(qū)的試驗，獲取海拔修正公式為：

式中，在青海地區(qū)海拔高度超過 1 km時，U表示高壓電氣設備外絕緣的耐受電壓；Ka表示青海地區(qū)海拔高度超過 1 km時的修正系數(shù)；U0表示其額定耐受電壓，與雷電電壓之間存在一定的關聯(lián)；H表示青海地區(qū)海拔高度。經(jīng)過上述公式計算，獲取青海地區(qū)高壓電氣設備外絕緣水平海拔修正值，如表 2所示。

表2 高壓電氣設備外絕緣水平海拔修正值

在海拔地區(qū)的高度不斷上升時，空氣密度會相對下降，電氣設備配電裝置的修正值也會不斷發(fā)生變化。

3 結(jié)果分析

基于上述的試驗方法與過程，結(jié)合青海地區(qū)地表與氣候的特點，綜合考慮高海拔地區(qū)鹽污對高壓電氣設備的影響，計算不同鹽污等級下電氣設備爬電距離與電壓峰值的比值，獲取不同鹽污等級下高壓電氣設備的爬電距離之間的變化關系，如圖1所示。

圖1 電氣設備爬電距離與鹽污等級關系

由圖1可知，隨著鹽污等級不斷升高，電氣設備的爬電距離會隨之升高，對用電系統(tǒng)所具有的外絕緣條件具有一定的影響，會在一定程度上降低電氣設備絕緣的擊穿電壓，電氣設備的絕緣強度受到溫度與濕度的變化而變化。高海拔地區(qū)空氣密度與高壓電氣設備的閃絡電壓呈正相關關系，即密度下降時閃絡電壓也會下降；而溫度與濕度均出現(xiàn)下降趨勢時，電氣設備的絕緣強度也與其呈正相關關系，強度也隨之下降。大氣壓力的變化與青海地區(qū)的海拔高度呈指數(shù)下降性變化，高壓電氣設備外絕緣也會隨之發(fā)生下降。電壓與保護裝置的特性，與高壓電氣設備的絕緣水平具有較大的影響，影響設備連續(xù)運行的效率與技術水平，限制了設備絕緣耐受能力。

在電氣設備的絕緣配合中，在滿足系統(tǒng)過電壓要求的情況下，可以采用加強絕緣補償?shù)姆绞教岣唠姎庠O備的絕緣性能。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文以青海高海拔地區(qū)為研究對象，研究了高海拔地區(qū)對高壓電氣設備外絕緣的影響。在高海拔環(huán)境與條件下，高壓電氣設備的正常運行對變電站的影響較大，受到海拔、溫度與濕度的影響，電氣設備外絕緣壽命會隨之發(fā)生改變，應當根據(jù)設備運行的具體參數(shù)，定期檢測設備的運行溫升，進行修正完善，為GIS 交流耐壓方面的工作提供了一定的參考依據(jù)。