高海拔地區(qū)變電站設(shè)計技術(shù)探討

何永德

(四川省電力設(shè)計院,成都,610072)

1 工程概況

玉龍銅礦 110kV總降變電站地處西藏昌都地區(qū)江達縣境內(nèi),距昌都 145km,海拔 4500m,是我國目前單臺主變?nèi)萘孔畲?31.5MVA)、海拔最高、運行條件最惡劣的 110kV變電站之一,已超過國家規(guī)程規(guī)范的應(yīng)用范圍(規(guī)程規(guī)范只對海拔≤4000m的有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定)。正因如此,在國內(nèi)乃至世界上可以借鑒和參照的類似工程經(jīng)驗極少,這就對本工程的設(shè)計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)和考驗。我院設(shè)計人員以高度的責任感進行了多方的收資和大量的研究、計算、校驗及試驗工作,最終提出了設(shè)計成果,并付諸施工、帶電投產(chǎn)。本工程設(shè)計的成功,為我國今后高海拔地區(qū)變電站的建設(shè)提供了經(jīng)驗。

本變電站主變壓器終期兩臺 31.5MVA,本期一臺,預(yù)留一臺;110kV終期出線 2回,本期 1回至昌都 110kV中心變,預(yù)留 1回;本期采用線路——變壓器組接線方式,終期采用單母線分段接線,屋外中型軟母線雙列布置;10kV配電裝置終期出線 28回,本期 11回,預(yù)留 17回,單母線分段接線,采用屋內(nèi)配電裝置,雙列三通道布置;10kV中性點采用接地變壓器和電阻接地方式,布置在 10kV配電裝置內(nèi);10kV無功補償采用TBB10-1500+1500-3W(GY)型戶外式成套電容補償裝置。

2 110kV屋外配電裝置最小安全凈距的計算

110kV安全凈距主要由操作過電壓和雷電過電壓決定,首先按《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997中的附錄 D(外絕緣放電電壓的氣象條件校正),計算對應(yīng)的相——地和相——相空氣間隙海拔修正系數(shù) K,再計算對應(yīng)的相——地和相——相 50%放電電壓,最后查《電力工程電氣設(shè)計手冊》圖 15-43、44確定 A1值(帶電部分至接地部分)和 A2值(不同相帶電部分之間)。

2.2 計算最小安全凈距 A1和 A2值

2.1 計算海拔修正系數(shù) K

式中:δ——相對空氣密度,本工程為 0.635;

H——空氣濕度校正系數(shù),本工程空氣絕對濕度 h為 2.2g/m3;

n——指數(shù),與絕緣長度有關(guān);

雷電及操作沖擊電壓波空氣濕度校正系數(shù) H計算:

正極性操作沖擊電壓波時的指數(shù) n計算:

式中:li——絕緣的長度(對絕緣子即串的凈長,對空氣間隙即間距),m。

正極性雷電沖擊電壓波時,指數(shù) n=1。

按上面公式計算,結(jié)果見表 1和表 2。

表 1 操作過電壓下的K值

表 2 雷電過電壓下的K值

2.2 計算最小安全凈距 A1和 A2值

式中:σs.s——變電所相對地空氣間隙在操作過電壓下放電電壓的變異系數(shù),5%;

K6——變電所相對地空氣間隙操作過電壓配合系數(shù),取 1.1。

式中:σs.p——相間空氣間隙在操作過電壓下放電電壓的變異系數(shù),3.5%;

K8——相間與相對地過電壓的比值,對范圍Ⅰ取 1.4;

K9——變電所相間空氣間隙操作過電壓配合系數(shù),對范圍Ⅰ取 1.6;

Up.l——對范圍Ⅰ為計算用最大操作過電壓,kV。

UR——避雷器殘壓 ,取 260kV(標稱放電電流10kA)。

變電所的雷電過電壓相間空氣間隙可取相應(yīng)對地間隙的 1.1倍。

將以上相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(4)中,并查《電力工程電氣設(shè)計手冊》第 890頁圖 15-43、44曲線,由查圖 15-44曲線,得 A1=1250mm、A2=1350mm;由查圖 15-43曲線,得 A1=1050mm、A2=1.1、A1=1155mm。計算結(jié)果見表3。

表 3 50%放電電壓及最小安全凈距A1和 A 2值

在實際工程應(yīng)用中,考慮理論計算與實際情況的誤差,A1、A2值可適當放大。

3 110kV電氣設(shè)備絕緣水平的確定

本工程地處 4500m的高海拔地區(qū),設(shè)備內(nèi)絕緣無需提高。海拔超過 1000m的電氣設(shè)備,其外絕緣應(yīng)進行海拔修正:一是按基本帶電距離 A值推算;二是按 GB311.1-1997規(guī)程中的 Ka值修正;三是考慮氣象參數(shù)按 DL/T620-1997中附錄D(外絕緣放電電壓的氣象條件校正)計算。通過以上方法進行綜合比較校驗,確定 110kV設(shè)備的外絕緣水平。結(jié)合國內(nèi)設(shè)備情況,110kV設(shè)備采用 145kV級產(chǎn)品,適當加大空氣間隙,適當提高設(shè)備外絕緣水平,即可滿足高海拔外絕緣水平的要求。修正后的 110kV設(shè)備外絕緣水平見表 4。

表 4 110kV設(shè)備的外絕緣水平

4 長線路工頻過電壓問題

本工程 110kV線路由昌都 110kV中心變引接,長度 120km,線路對地電容不能忽略;在無負載電流的情況下,回路中將流過容性電流,線路末端電壓將升高。

式中:U2——受端電壓(玉龍銅礦變電站側(cè)),開路;

U1——送端電壓(昌都中心變電站側(cè));

β— —相角常數(shù) (β =6°/100km,50Hz)。

即在空載時,玉龍銅礦變電站側(cè)電壓高出昌都中心變電壓 1%,在《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)程要求的允許值內(nèi)(規(guī)程要求:對范圍Ⅰ中的 110kV及 220kV系統(tǒng),工頻過電壓一般不超過 1.3p.u.),加之本工程 110kV設(shè)備選用的是 145kV產(chǎn)品,故不需采取限制工頻過電壓的措施。

5 10kV系統(tǒng)設(shè)計

在海拔超過 4000m的變電站設(shè)計中,過去10kV系統(tǒng)一般采用 24kV開關(guān)柜或用 20kV～35kV元件來代替 10kV元件,投資增加較大。為此,我們對 10kV系統(tǒng)的設(shè)計進行了創(chuàng)新:采用“先加強保護,后加強絕緣”的創(chuàng)新技術(shù)方案,在10kV電網(wǎng)中,中性點采用低電阻接地方式,發(fā)生單相接地時直接跳閘。

當海拔≤1000m低電阻接地方式下,10kV雷電沖擊耐受電壓可由 75kV降低為 60kV,短時(1min)工頻耐受電壓可由 42kV降低為 28kV。在本變電站設(shè)計中,我們選用常規(guī)的 10kV高原設(shè)備(雷電沖擊耐受電壓 75kV,短時(1min)工頻耐受電壓 42kV),并與廠家協(xié)商,將 10kV避雷器的殘壓由 45kV降低為 32.4kV,考慮海拔修正系數(shù)后,經(jīng)計算能滿足絕緣配合要求,經(jīng)過兩年實踐證明是成功的。通過本項目的創(chuàng)新和實踐,希望能順利逾越技術(shù)障礙,更希望為國內(nèi)外提供高海拔設(shè)計的有益經(jīng)驗。

6 其他技術(shù)問題解決方案

6.1 接地問題。本工程區(qū)域內(nèi)土壤電阻率非常高,屬硬質(zhì)巖型,未按常規(guī)將接地體埋在凍土層以下,采用降阻劑和換土方式(沒有打深井),經(jīng)昌都電力公司和昌都氣象站防雷中心測試后,接地電阻達到 0.45Ω,效果良好。

6.2 主變壓器運輸。在昌都地區(qū),110kV主變壓器因運輸條件差一般均采用現(xiàn)場組裝,其缺點是外形大、運行時噪音高、損耗大。我院和廠家在考察了運輸線路并制定相關(guān)措施后,由原來的現(xiàn)場組裝方案改為整體運輸,保證了主變壓器的質(zhì)量,運行時噪音小、損耗低。

6.3 建筑結(jié)構(gòu)。為確?；炷恋目箖鲂?在施工過程中設(shè)計對混凝土的密實度、水灰比、砂石級配、減水劑的添加等指標都作出了明確的規(guī)定,以確保工程質(zhì)量。

6.4 建筑防腐。變電站位于銅礦廠區(qū)內(nèi),距離制酸、電解萃取車間不遠。我院采取了先進的熱鍍鋅防腐,控制防腐層厚度,建筑物外墻面、門窗及細部均采取了較為嚴格的防腐措施,確保了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在使用有效期內(nèi)的可靠性。

7 結(jié)語

在西藏玉龍銅礦 110kV總降變電站工程設(shè)計中,我院做了大量的工作,精心設(shè)計,正確貫徹執(zhí)行了國家的方針政策、規(guī)程規(guī)范,特別是嚴格執(zhí)行了工程建設(shè)強制性條文的規(guī)定。在超過國家規(guī)程規(guī)范的應(yīng)用范圍(規(guī)程規(guī)范只對海拔≤4000m的有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定)的情況下,提出“先保護,后絕緣”的科技理念,完成了高海拔、高土壤電阻率、強雷暴和深凍土環(huán)境條件下的本工程設(shè)計工作,為工程的順利建成并達標投產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。該變電站自 2007年12月投運以來,至今運行安全,沒有發(fā)生人員、設(shè)備等的不安全事故,得到了建設(shè)各方的高度評價,取得了很好的經(jīng)濟效應(yīng)、社會效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)。本工程設(shè)計的成功,為我國今后高海拔地區(qū)變電站建設(shè)提供了經(jīng)驗,同時也為玉龍銅礦的供配電工程建設(shè)提供了有益的借鑒。本變電站的設(shè)計得到了專家的一致肯定,榮獲 2009年度四川省優(yōu)秀工程設(shè)計二等獎。