高海拔地区铁路牵引供电系统设备外绝缘参数修正研究

靳 松

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043）

近年来，我国陆续建成或在建多条海拔4000m以下的高原电气化铁路，如青藏铁路西格段、兰新第二双线青海段、拉萨至林芝铁路、敦煌至格尔木铁路等。通过立项研究和建设实施，对于海拔4000m以下高原电气化铁路牵引供电系统供电方案、外绝缘修正及绝缘配合、设备材料选型、运营维护等关键问题取得了一些科研成果并得以成功应用，积累了一定的设计、施工、运营经验。随着“西部大开发”、“一带一路”等国家战略的实施及推进，我国将建设海拔在4000m以上地区的高原电气化铁路，例如：川藏铁路、中尼铁路。

高海拔地区的大气参数不同于低海拔地区，因此，高海拔地区与低海拔地区的电气外绝缘特性也有较大差异[1]。为保证高海拔地区铁路工程项目顺利实施、安全可靠运行，须针对高原特殊环境引起的牵引供电系统设备外绝缘适应性问题进行研究。本文主要对高海拔地区的三个电气参数：耐受电压、爬电距离和空气间隙修正方法进行分析并给出推荐值。

1 耐受电压

有关耐受电压高海拔修正的现行主要标准见表1。

表1 现行耐受电压高海拔修正相关标准

1）《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）[2]“附录 D 外绝缘放电电压的气象条件校正”中规定了放电电压校正公式：

u0——标准气象条件下绝缘放电电压；kV

u——实际放电电压，kV；

δ——相对空气密度，标准气象条件下为1，不同海拔时可按表D1(或实测数据)决定；

H——空气湿度校正系数，有式（D2）、（D3）决定；

n——指数，与绝缘长度有关，由式（D4）决定。规范标示的适用范围：海拔3500m。

2）《电气化铁道牵引变电所供电设备绝缘水平》（TB/T 2085-1997）[3]中规定：对于拟用于海拔高于1000m，但不超过4000m处的设备的外绝缘及干式变压器的绝缘，其试验电压应按本标准规定的额定耐受电压乘以海拔校正系数Ka。

H——安装地点的海拔高度m；

规范标示的适用范围：海拔4000m。

TB/T 2085-1997中采用的修正公式与GB/T 311.1-1997是一致的，GB/T311.1-2012版对此公式进行了修改，因此建议不再采用TB/T2085-1997的修正公式。

3）《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022-2011）[4]中规定：

对于安装在海拔高于1000m处的设备，外绝缘在使用地点的绝缘耐受水平应为额定绝缘水平乘以按照图1确定的系数Ka。

图1 海拔修正系数曲线

H——海拔高度m；

m=1对于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压；

m=0.9对于纵绝缘操作冲击电压；

m=0.75对于相对的操作冲击电压。

操作冲击的m取值可参考IEC 60071-2的4.2.2。

规范标示的适用范围：海拔4000m。

4）《绝缘配合第1部分：定义、原则和规则》（GB 311.1-2012）[5]、国家电网公司《高海拔外绝缘配置技术规范》（Q/GDW 13001-2014）[6]、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064-2014）[7]及《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》（GB/T 20626.1-2017）[8]中的耐受电压修正方法同GB 11022-2011。

综上，自GB/T 11022-2011起，关于外绝缘耐受电压的海拔修正公式已达成了一致，但各规范所标示的该公式的适用海拔高度仍不相同。Q/GDW13001-2014通过将试验研究得出的修正值与上述公式的计算值进行了对比，两者相近，并推荐按该公式进行修正，并将该公式在110kV及以下电压等级的适用范围延伸至了海拔5000m。

笔者单位将GB311.1-2012的公式试用范围外延至5000m，将计算得到的修正系数与我院的高海拔科研成果进行对照，结果见表2。

表2 耐受电压修正系数对照表

从表2可以看出，笔者单位研究成果与小于GB311.1-2012的公式计算值，故推荐采用GB311.1-2012的修正公式对外绝缘耐受电压进行修正。

2 爬电距离

有关爬电距离高海拔修正的现行主要标准见表3。

表3 爬电距离高海拔修正的现行主要标准

1）《高海拔污秽地区悬式绝缘子串片数选用导则》（DL/T 562-95）[9]中规定：1000m 以上地区单片绝缘子污秽耐压值应该直接在线路需经过的高海拨地区，按GB4585.2的规定进行绳缘子污秽耐压试验，得出高海拨地区单片绝缘子的污秽耐压值：

Ud·n·g=Uc·n·g/N

Ud·n·g——高海拔下单片绝缘子污秽耐压值；

Uc·n·g——高海拔下绝缘子串污秽耐压值；

2）《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定第2部分：交流系统用瓷和玻璃绝缘子》（GB/T 26218.2-2010）[10]中规定：海拔对冲击耐受电压的影响通常比对污秽耐受性能的影响大。通常，在较高海拔地区因为冲击电压所需要的绝缘长度的增大会导致足够大的爬电距离。这意昧着，若购方没有清楚声明有其他要求，通常规定Ka=1。

3）《输电线路用绝缘子污秽外绝缘的高海拔修正》（DL/T 368-2010）[11]中引入了统一爬电比距(USCD)的海拨修正系数，规定如下：在合海拔地区所使用的交、直流瓷、玻璃绝缘子(串)和复合绝缘子的USCD按下式进行修正：

4）《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）[12]中规定：高海拔地区悬垂绝缘子串的片数，宜按下式计算：

nH——高海拔地区每串绝缘子所需片数；

H——海拔高度(m)；

m1——特征指数，它反映气压对于污秽电压的影响程度；由试验确定。

从上述各规范可以看出，相关规范均认为海拔对污秽条件下的线路绝缘子的爬电距离具有影响，但各规范给出的修正方法不同，根据各规范的适用范围和实际情况，选用DL/T 368-2010给出的方法对绝缘子爬电距离进行修正。DL/T 368-2010附录B中给出爬电距离修正系数见表4：

表4 绝缘子污秽外绝缘高海拔修正系数

3 空气间隙

有关空气绝缘间隙高海拔修正的现行主要标准见表5。

表5 现行空气间隙高海拔修正相关标准

1）《66kV及以下架空电力线路设计规范》（GB 50061-2010）[13]中规定：

海拔高度为1000m及以上的地区，海拔高度每增高100m，内部过电压和运行电压的最小间隙应按本规范6.0.9所列数值增加1%。规范6.0.9给出的35kV内部过电压最小间隙为250mm，运行电压最小间隙为100mm，雷电过电压最小间隙为450mm。

2）《高压配电装置设计技术规程》（DL/T 5352-2006）[14]中规定：

DL/T 5352—2006给出了海拔4000m以下的各电压等级的空气间隙修正曲线，如图2所示，不同海拔高度的A1值通过该图查询获得。海拔大于1000m时A值的修正：

图2 空气间隙修正曲线

3）《绝缘配合第1部分定义、原则和规则》（GB/T 311.1-2012）[5]的附录A中给出了与不同冲击耐受电压值对应的保证规定的冲击耐受电压的空气间隙值，我院通过修正后的耐受电压查询得到最小空气间隙值，见表6。

表6 GB311.1-2012中35kV空气间隙值

4）《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）[15]是参考的 DL/T 5352-2006。

5）国家电网公司《高海拔外绝缘配置技术规范》（Q/GDW 13001-2014）[6]是参考的 DL/T 5352-2006。同时将其110kV及以下电压等级适应范围延伸至5000m，直接给出了修正后的值，见表7。

表3-4 户外变电站电气一次设备要求的最小电弧距离

DL/T 5352和Q/GDW13001给出的空气间隙值是一致的，根据GB311.1推算的空气间隙值大于DL/T 5352和Q/GDW13001的值，且电压等级越高、海拔越高，差距越大。

但需要说明的是：GB 311.1-2012[5]附录A中对于其给出的“保证规定的冲击耐受电压的空气间隙”做了如下说明：“这些距离不适用于技术规范中包括强制性冲击型式试验要求的设备，因为强制的最小距离可能妨碍设备的设计、提高其成本并妨碍技术进步”。且通过与其他相关规范海拔4000m以下的数据进行对比可以看出，GB311.1-2012给出的间距值是偏于安全的和保守的，这在高海拔地区尤其明显。由此，根据GB 311.1-2012推算的空气间隙值仅用于确定导线或设备带电部分与接地体的间距和不同相带电部分的间距。而对于设备的电弧距离推荐根据修正后的耐压值再通过试验进行验证确定。

4 总结

文章在牵引供电系统外绝缘方面，仅对耐受电压、绝缘间隙、爬电距离现有的规范进行梳理与总结，并根据初步对比分析给出了目前可推荐使用的修正值，但尚存在诸多问题，例如：牵引变电所设备最小空气间隙值和电弧距离等，这些问题需要通过试验的方法进一步深入研究。