高海拔地区电气设计在青海某增压站扩容改造中的应用研究

高海拔地区电气设计在青海某增压站扩容改造中的应用研究

魏彦朋

上海衡诚电力工程技术有限公司 上海 浦东 200125

摘 要: 本文结合已投运的涩北气田增压集输二期工程，针对高海拔条件下电气设备外绝缘性能、配电装置最小安全净距等方面的考虑，探讨了高海拔地区变电站电气设计技术及相关的设备参数修正，为高海拔变电站设计与建造提供了一定参考依据。

关键词：高海拔地区；变电站；配电装置；电气设计；海拔修正

0 引言

通常的电气设计应用范围是海拔1000m以下的普通环境，随着青海地区石油天气然开采能力和用电能力的不断提高，该地区各电压等级变电站的建设力度也逐步加大，对于高海拔地区变电站电气设计需求也与日俱增。但是随着海拔的升高，气压降低，空气密度减小，电气设备的绝缘、散热、最小安全净距等受到不同程度的影响，因此针对高海拔地区的特殊环境条件需进行合理的电气设计。

1 高海拔环境对电气设备及其运行的影响

1.1 高海拔环境下海拔的升高对环境的影响

伴随海拔攀升，高海拔地区的气压、气温和绝对湿度都会随之降低，太阳辐射随之增强。海拔区间在1k～5km，海拔每攀升1km，气压随之降低7.7～10.5kPa，温度下降5～6℃，太阳辐射强度增加约60W/m²。

1.2 高海拔环境下海拔的升高对电器设备的影响

伴随海拔攀升，大气压强和空气浓度降低，固体绝缘材料表面放电能力也随之降低，空气绝缘强度随之下降。经研究表明，海拔5km以内，每升高1km，电气设备外绝缘强度降低8%～13%（电气设备内绝缘影响不大）。空气介质的冷却效应随着海拔的增加而降低，进而大大降低了以空气散热方式降温的电器设备的散热能力，且又由于高海拔地区昼夜温差大，极易导致电气设备的外壳形变、绝缘密封部位破裂。另一方面，随着温度的降低，线圈内部的电阻阻值随之变小，动作电流安匝数和机械冲击都有增加，大大降低了电器设备的电气寿命和机械寿命。

2 涩北气田增压集输二期工程实例分析

2.1 工程概况

本工程的项目所在位置（图 1）：

图1 项目位置

2.1.1 自然条件

（1）地形地貌

涩北气田所在的三湖地区地表以盐碱滩地和沼泽为主，中心地区广布现代盐湖，整体地势较为平坦，平均海拔2750m左右。

图 2、图3 项目周边环境照片

（2）工程地质

该地区抗震设防烈度7度，0.10g为基本地震加速值。

2.1.2 气象资料

表1 气象资料表

2.1.3 区域供电现状

涩北气田附近建有涩北110/35/10kV变电所（以下简称“涩北110kV变电所”），主变容量2×31.5MW，目前运行1MW，涩北110kV变电所电源进线分别引自盐湖330kV变电所及锂业110kV变电所（锂业电源由察尔汗变电所引接），盐湖330kV变电所、察尔汗110kV变电所均为青海海西电力环网中重要的节点变电所，均为双回路进线枢纽变电所，涩北110kV变电所主接线采用单母线分段方式，能够满足涩北气田一、二级负荷提供双电源要求。

2.2 三个增压站负荷参数值

表2 负荷数值

2.3 等级配电装置设计选择原则

2.3.1 GIS设备选择依据及其优势

（1）选择GIS设备的依据

由于工程地处高海拔地区，昼夜温差大、日照时间长、紫外线强度高、全年平均温度低等因素，台南气田35/10kV变电所15号增压站35kV配电装置选用GIS设备。

（2）GIS设备优点

GIS设备封闭在金属壳体内，以SF6作为绝缘气体，设备运行过程中受外部环境影响小，适用于高原环境；GIS设备静电感应和电晕干扰弱，噪音水平低，运行可靠性高。

2.3.2 C—GIS设备选择理由及优势

（1）选择C—GIS设备依据

为降低高海拔影响同时为安装、运行、检修创造良好的工作环境，涩北一号气田5号增压站和涩北二号气田9号增压站35kV配电装置采用C—GIS充气柜(气体绝缘金属封闭开关设备)。

（2）C—GIS充气柜优点

充气柜主回路的导体部分密封于SF6等绝缘气体中，不受大气状态的影响，适用于高海拔地区;外壳体积很小，节省占地面积，工程建设的经济效益明显。

2.3.3 高原型开关柜选择理由及优势

（1）综合考虑经济和使用环境的影响，10kV配电装置选用户内高原型中置式开关柜，柜内所有断路器均采用固封式真空断路器，配一体化弹簧操作机构。柜内外绝缘水平裕度足够大，满足了高海拔地区电气设备外绝缘配置及修正的要求，进而达到使用安全、运行可靠的目的。

（2）15号站内低压变压器采用干式变压器，不独立设置变压器室。与油浸式变压器相比较而言，其具有免维护的特点，同时不污染环境，耐热和抗短路能力强，施工安装便捷等特性。

3 外绝缘水平海拔修正

3.1 外绝缘修正（图 4）：

图4 外绝缘修正的各项参数关系

本工程位于海拔2750m地区，设计中需对电气设备外绝缘按照3km海拔进行修正。试验和研究表明，高海拔气候条件下，环境湿度和温度对外绝缘的影响可以相互补偿抵消，因此高压设备的外绝缘水平可直接按海拔高度为变量进行修正。高压设备外绝缘水平海拔修正的规范依据有《绝缘配合第1部分:定义、原则和规则》(GB311.1—2012)、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB/T50064—2014)等，通过大量青藏地区的试验研究得到海拔修正系数Kα与《绝缘配合第1部分:定义、原则和规划》附录B中修正公式计算值较为接近，即:

式中，U为设备安装高于1km海拔时，实际设备外绝缘表面受到的耐受电压(kV)；U₀为设备额定耐受电压(kV)；Kα为海拔修正系数；H为设备使用地点高度(m)；m为海拔修正因子，按照海拔3km修正， 针对本工程，海拔修正系数K_α计算值为1. 34。

表3 修正对比（KV）

3.2 安全净距的高海拔修正

根据《高压配电装置设计规范》(DL/T5352—2018)附录A，当海拔大于1km时，35～500kV配电装置安全净距值的修正可按图5获得(见图5);同时规范中给出修正值表可直接读出数据。

图5 高海拔与阿暖净距的修正参数

针对本工程，查得《高压配电装置设计规范》附录A表中数据如下所示。

表6 本工程最小安全净距A1值修正对比情况 单位：（m）

3.3 变电站内绝缘子片数修正计算

当海拔在1k～4km高度时，为了加强绝缘而增加绝缘子的个数时，以《导体和电器选择技术规定》(DL/T5222—2005)中的规定进行修正:

N_H=N［1+0.1(H－1)］

式中，N_H为修正后的绝缘子片数；N为海拔1km及以下地区绝缘子片数；H为海拔高度(km)。

本工程中，绝缘子型号为 XWP-7C(高度146mm)。污秽等级为Ⅳ级。根据DL/T5222第234页式13按工频计算正常海拔绝缘子片数，按照DL/T5222第85页式21.0.12修正，根据第21.0.9条加零值绝缘子，根据工频片数计算串长，查表21.0.11确定操作及雷电要求的串长（35kV片数4x单片高146mm）。该表污秽等级为Ⅰ级，根据工频计算的绝缘子片数和雷电要求的片数取其最大值。修正后，结合项目所在地污秽等级Ⅰ级，本工程站内耐张绝缘子片数选择为11片。

4 设计中其他几点注意事项

4.1 构架宽度

变电站进出线构架、母线构架宽度同时受到相间距离及相对构筑物安全净距的影响，构架宽度随着安全距离的增大而增加。

4.2 高原地区接地处理

高原地区土壤电阻率较高，同时受冻土层等影响较大，为了满足接触电势、跨步电压的要求，可采用接地装置埋设在冻土层以下的接地方案。

4.3 设备运输方式的选择

高原地区由于交通条件较平原地区差，为了节约成本，本工程所采购的主变压器运输采用成套运输方式运输。

4.4 供货周期

高原地区的变电站设计在设备招标、供货阶段，应积极与供货厂商沟通，明确设备使用环境条件；选用高原型电气设备还应多方面考虑，确保工程进度和质量。

5 结论与建议

综上所述，通过涩北气田增压集输二期工程实践，较为详实地介绍了高海拔地区电气设计在变电站改扩展中外绝缘水平、最小安全净距、站内绝缘子片数的海拔修正方法，一定程度上减少了设计误差，为类似工程提供了一定的参考和借鉴依据。

参考文献:

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