GIS設備在高海拔環境應用的適應性研究

呂尋浩，秦曉宇，蘇戈，李景華，張克選，高延峰，陳東

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001；2.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000)

1 引言

近年來，國家大力改善西藏地區生活環境，提高區域生活條件，部署西部地區清潔能源開發外送，促進西部地區經濟發展。電力供應是該地區發展的開路先鋒。我國西部甘肅、青海、西藏等地區大都處于1700m以上的海拔高度，隨著海拔高度的增加，氣候環境也將發生變化，由表1[1]可知，不同海拔對電工產品的氣候環境影響較大。

如表1所示，高海拔地區環境參數變化較大，對于GIS產品來說，氣壓低(空氣密度小)，環境溫度低、太陽直射強度強等因素會對GIS設備產生不利影響?？諝饷芏刃『吞栔鄙鋸姸葟妼IS設備的絕緣性能、通流能力以及防護層老化產生較大影響。GIS設備具備結構封閉的特點，內部氣體壓力與外部環境無關，設備主絕緣不受外部環境的影響，但是GIS出線用套管外部絕緣隨著空氣密度減小而降低，所以對套管外絕緣強度的研究將是解決GIS在高海拔地區絕緣問題的主要方向[2-4]。對二次元件來說，隨著海拔的增高，空氣密度的降低，二次元件的絕緣及開斷性能也將降低，對其絕緣性能及開斷性能的隨海拔變化研究也是GIS在高海拔地區可靠運行的保證。高海拔引起的空氣密度降低，將減小空氣的運動粘性系數，影響設備的散熱性能，降低設備的通流能力[6-7]。但是隨著海拔的提高，環境溫度也將降低，從而產生補償。為準確判斷設備的通流能力，需對其兩者的影響程度進行評估。太陽直射強度強將會加劇有機涂層的老化，有機涂層長期暴露在大氣中將會出現失光、開裂、剝落等現象，失去對設備本體的保護，進而導致設備殼體等暴露在大氣中的零部件產生腐蝕，減短設備使用周期。開展有機涂層配方研究，選取合適涂料，滿足設備使用周期，是應對高強度紫外線環境中設備腐蝕的必選課題。

表1 電工產品不同海拔的氣候環境條件參數

2 空氣密度降低對設備的影響

國家能源局發布的DL/T5240-2010《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》給出的不同海拔大氣壓計算方法，見式(1)，將其繪制成曲線圖見圖1。

(1)

圖1 海拔與大氣壓關系

式中，Pa為當地平均氣壓，kPa；H為當地海拔高度，m。

從圖1中可明確看出隨著海拔高度的提升，空氣氣體壓力會大幅降低。由理想氣體氣態方程可知氣體壓力與密度成正比關系。即隨著海拔高度增加空氣密度會隨之下降?？諝饷芏鹊南陆祵ζ浣^緣性能和滅弧性能產生影響。同時空氣密度的降低會影響其動力粘性系數，降低其對流效果，從而影響設備通流性能。

2.1 空氣密度降低對絕緣性能的影響

隨著空氣密度的降低，空氣絕緣性能也大幅降低，若不考慮濕度影響，空氣密度與其絕緣能力基本成正比關系，圖2為空氣密度與其絕緣性能的關系。

圖2 均勻電場中不同間隙距離下空氣的擊穿電壓和pd的關系

結合圖1與圖2可知隨著海拔的升高，空氣密度隨之下降，從而降低空氣的絕緣強度。在相關標準中根據實際情況給出了不同海拔絕緣強度的修正方法，見式(2)。

Ka1=em(H-1000)/8150

(2)

其中，Ka1是相對于試驗地點海拔1000m及以下的海拔修正系數，H是海拔高度(m)，m是系數，對于雷電沖擊和工頻耐受電壓試驗時m=1，對于操作沖擊耐受電壓試驗時m=0.75。

2.2 空氣密度降低對通流性能的影響

隨著海拔的升高，空氣密度降低，使以空氣介質為散熱方式的產品散熱困難，所以隨著海拔升高設備通流時產生的溫升也隨之增加；但是，隨著海拔的升高環境溫度降低，一般海拔每升高100m，環境溫度降低0.5℃。

對于一次交流系統電器設備的高海拔溫升補償系數Kτ可按式(3)進行修正[5]：

Kτ=e0.03(H-1000)/1000

(3)

式中，H為海拔高度(m)。

即在高海拔下允許溫升是在一般環境下的許用溫升值與海拔修正系數的乘積，見式(4)：

τ=Kτ×τ0

(4)

以1000m海拔溫升極限值為基準，通過海拔修正，可以計算出GIS設備在不同海拔條件下能夠達到的溫升值，如表2所示。

表2 溫升限值在不同海拔高度下的修正值

高壓電器在運行時，其溫升控制主要是要求其不超過設備能夠承受的最高溫度[6]。表2所示隨著海拔升高所帶來的溫升升高與隨著海拔升高帶來的環境溫度降低基本相當，即高海拔環境中由于海拔上升帶來的空氣密度減小、設備溫升增高可有由于海拔增高帶來的環境溫度降低值抵消，設備最高溫度不超設備能夠承受的最高溫度?？傊?，海拔升高對設備的通流能力影響不大。

2.3 高海拔套管設計實例

從2.1節及2.2節可知，GIS在應對高海拔的過程中主要考慮外絕緣問題即可。藏中聯網芒康、林芝等變電站所處海拔高度已經超過3000m，為解決工程應用需求，需要完成能夠在超過海拔3000m運行的套管開發。根據實際工程需求及標準化設計考慮，確認按照3500m海拔高度參數進行套管開發。原則上在現有套管(1000m海拔以下)基礎上進行了高海拔套管設計。主要研究內容包括干弧距離確定和內屏蔽電場改進[8-11]。

隨著海拔高度增高空氣密度降低，絕緣能力下降可參考式(2)進行海拔修正，相對于各海拔修正系數如表3所示。

表3 套管外絕緣修系數

以550kV套管為例，海拔1000m以下的GIS套管采用地電位單屏蔽結構，主要參數如表4所示。

表4 1000m海拔以下套管參數

為確認此套管的絕緣能力，組織了2000m海拔的絕緣試驗。試驗參數如表5所示。

表5 試驗參數

通過試驗結果可以看出，現有套管可以滿足2000m海拔絕緣需求。

根據相關試驗標準在海拔小于1000m地區進行海拔3500m套管試驗時對外絕緣進行海拔系數修正即可，修正后的試驗電壓見表6。

表6 550kV 3500m套管試驗修正電壓(≤1000m試驗)

綜合考慮海拔修正系數及套管試驗情況。分析認為3500m時套管干弧距離≥5.53m即可滿足使用需求。設計時考慮550kV 3500m海拔修正后的試驗電壓與750kV絕緣試驗電壓基本相當，為保證新開發套管的安全性，最后確定其長度與其保持一致，即海拔3500m的550kV套管干弧距離為5900mm。

套管屏蔽主要是利用其電容作用，均勻電場，拉高電力線，從而減少電場集中。1000m以下海拔的套管采用單屏蔽結構，其底部電力線分布如圖3所示。

圖3 單屏蔽套管地電位電力線分布

從圖中能夠看出套管上部及下部屏蔽處電力線相對集中，考慮其下部距離地電位較近，以及空氣絕緣強度降低的因素，對下部屏蔽進行了優化。開發出雙屏蔽結構，加大內層屏蔽長度，拉高套管底部電位。優化后電力線分布如圖4所示。

圖4 雙屏蔽套管地電位電力線分布

從圖中能夠看出，地電位雙屏蔽的采用將地電位屏蔽上側電力線分層，有效的改善了套管下部電力線向上分布情況。改進前后的電場情況詳如圖5所示。

圖5 套管各部位電場強度

從圖5能夠看出，相對于單屏蔽結構，套管下側，尤其是屏蔽外側部位電場得到了改善，綜合上述對策完成了550kV 3500m海拔套管的設計，完成后套管整體結構如圖6所示。

圖6 套管整體結構

驗證套管設計的可靠性，后期采用海拔修正的方法組織了套管絕緣試驗，順利通過了海拔3500m的外絕緣試驗。試區大氣條件為：大氣壓力：101.3kPa(海拔1000m以下),大氣修正因素為0.989。海拔修正按照表3的系數法對試驗電壓進行了修正，修正后的試驗電壓見表7。

表7 試驗參數及結果

試驗時將套管直接放置于落地的工字型鋼上，如圖7所示。

圖7 套管試驗姿態圖

2.4 二次元件的性能驗證

在高海拔工程中，考慮空氣氣體絕緣性能的變化，對低壓二次元件的絕緣性能也需修正，以滿足高海拔使用的需求[12]。

開關設備控制回路一般要求能夠承受工頻2kV/1min的耐電壓試驗，高海拔元件選擇是也要能夠滿足此要求。在實際工程應用時，一方面二次元件要選擇適當型號，以確?，F場運行安全。同時在設備出廠試驗時要根據試驗地與運行地海拔高度差修正出廠試驗電壓，保證設備整體的運行安全。電壓修正系數可以參考海拔修正系數制定。詳細見表8。

通過對套管外絕緣改進，二次元件重新選型等措施的實施，確保了高海拔變電站運行的安全。并成功應用于藏中聯網芒康、林芝等項目中，取得了良好的應用業績。

3 高海拔環境對有機涂層的影響

隨著海拔升高，太陽輻射強度將會明顯上升，根據相關資料，各海拔太陽輻射強度見表9。

表9 太陽輻射強度

GIS外部防護一般采用在其外部涂抹有機涂層進行防護，通常防護層采用聚氨酯磁漆，使用壽命設置為30年。但是隨著太陽輻射強度的提高，有機涂層受到的紫外線照射增強，其使用壽命將大幅減短，無法滿足GIS的防護。若在GIS的使用壽命內發生有機涂層發生老化、剝落現象，將降低GIS外殼環境耐受能力。

低海拔環境下GIS設備殼體外表面涂覆的聚氨酯瓷漆是一種含羥基的醇酸樹脂的耐候顏料，其主要組成部分為含羥基的醇酸樹脂、耐候顏料、溶劑、助劑、固化劑等。其特點是在高聚物分子之間能形成非環或環狀氫鍵，在外力作用下，氫鍵可分離吸收外來能量，當外力除去后可重新形成氫鍵，如此高的氫鍵斷裂再形成的往復情況使其具有高的保光性、耐磨性及韌性，能夠有效保護GIS殼體。但高海拔時紫外線強烈，即輻射光波波長大于340nm的光線大幅增加，聚氨酯大量吸收大于340nm的波長的光波后,其有機成分中所含的甲撐發生氧化，形成不穩定的氫的過氧化物，進而生成色團(酰亞胺結構)，導致漆色變黃、開裂。從而影響了產品外觀、降低設備耐侯性能。

通過對各種表面防腐材料對比，在高海拔地區選用了氟碳有機涂層。氟碳涂料是在氟樹脂的基礎上經改性、加工而成的一種新型涂層材料，主要成分是氟烯烴-乙烯基醚共聚物(FEVE)，其所含的F-C化學鍵鍵能大，鍵距短，決定了其異常的穩定性能，能夠非常好的抵抗高能級的紫外線，使其具有超強的穩定性，表現出極其優異的耐久性、耐紫外線等特點，能夠抵有效防護GIS設備。

為驗證氟碳填料漆的可靠性，分別對鋁合金基材和鐵基材涂抹氟碳漆，進行紫外線加速老化試驗，確認漆面狀態。

加速老化試驗樣板見圖8：其規格為70mm×150mm，厚度2～3mm。底漆為通用環氧樹脂漆，面漆為氟碳面漆，漆膜厚度≥130μm。

圖8 加速老化試樣

試驗采用紫外線加速老化試驗按照GB/T23987《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于紫外線和水》進行檢測，其中紫外線功率0.68W/m2，熒光紫外的溫度為60±3℃，測試時間3000h。

漆面老化結果按照GB/T1766《色漆和清漆涂層老化的評及方法》進行評定，評定結果顯示，各項指標優良，綜合評定為0級(詳見表10)。

表10 老化試驗測試結果

從表10中可以看出，在強光照射下氟碳漆除顏色發生失光外，其它性能比較穩定，能夠很好的起到防護作用。

4 結論

高原地區相較于低海拔地區，環境條件更為苛刻。在GIS設備應用過程中勢必受到其環境的影響。本文通過對高原環境條件的分析，得出其影響GIS設備應用的關鍵因素為氣壓低、太陽輻射強度大。在此基礎上，對其影響情況及應對措施進行了研討，主要內容如下：

(1)通過對高原地區低氣壓情況的分析，確認其對設備性能的主要影響為外絕緣性能及設備通流性能。通過分析認為對于設備通流能力方面高原環境氣溫降低能夠抵消空氣密度降低引起的設備溫度上升。對于GIS設備絕緣方面主要是影響設備外絕緣性能涉及出線套管及二次元件。通過對套管電場分析，采用加大干弧距離，調整屏蔽結構的措施，完成高海拔套管的設計、試驗，并成功應用于高海拔地區。針對二次元件絕緣問題，采用適當選型，提高試驗電壓的措施保證現場設備運行的安全可靠。

(2)針對高海拔地區太陽輻射強度高的情況，確認其主要影響設備表面涂層防護性能。本文分析了表面涂料防護可能帶來的危害，通過分析提出采用含有的F-C高能鍵的表面涂料，提高了設備漆面耐受太陽輻射的能力。

本文通過對低氣壓、高輻射情況的分析，提出了相對應的解決方法，并成功解決GIS設備在高海拔環境下的應用問題，并取得了一定的使用經驗，為后期四川、西藏等高原地區電網建設打下基礎。