GIS设备在高海拔环境应用的适应性研究

吕寻浩，秦晓宇，苏戈，李景华，张克选，高延峰，陈东

(1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001；2.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276000)

1 引言

近年来，国家大力改善西藏地区生活环境，提高区域生活条件，部署西部地区清洁能源开发外送，促进西部地区经济发展。电力供应是该地区发展的开路先锋。我国西部甘肃、青海、西藏等地区大都处于1700m以上的海拔高度，随着海拔高度的增加，气候环境也将发生变化，由表1[1]可知，不同海拔对电工产品的气候环境影响较大。

如表1所示，高海拔地区环境参数变化较大，对于GIS产品来说，气压低(空气密度小)，环境温度低、太阳直射强度强等因素会对GIS设备产生不利影响。空气密度小和太阳直射强度强将对GIS设备的绝缘性能、通流能力以及防护层老化产生较大影响。GIS设备具备结构封闭的特点，内部气体压力与外部环境无关，设备主绝缘不受外部环境的影响，但是GIS出线用套管外部绝缘随着空气密度减小而降低，所以对套管外绝缘强度的研究将是解决GIS在高海拔地区绝缘问题的主要方向[2-4]。对二次元件来说，随着海拔的增高，空气密度的降低，二次元件的绝缘及开断性能也将降低，对其绝缘性能及开断性能的随海拔变化研究也是GIS在高海拔地区可靠运行的保证。高海拔引起的空气密度降低，将减小空气的运动粘性系数，影响设备的散热性能，降低设备的通流能力[6-7]。但是随着海拔的提高，环境温度也将降低，从而产生补偿。为准确判断设备的通流能力，需对其两者的影响程度进行评估。太阳直射强度强将会加剧有机涂层的老化，有机涂层长期暴露在大气中将会出现失光、开裂、剥落等现象，失去对设备本体的保护，进而导致设备壳体等暴露在大气中的零部件产生腐蚀，减短设备使用周期。开展有机涂层配方研究，选取合适涂料，满足设备使用周期，是应对高强度紫外线环境中设备腐蚀的必选课题。

表1 电工产品不同海拔的气候环境条件参数

2 空气密度降低对设备的影响

国家能源局发布的DL/T5240-2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》给出的不同海拔大气压计算方法，见式(1)，将其绘制成曲线图见图1。

(1)

图1 海拔与大气压关系

式中，Pa为当地平均气压，kPa；H为当地海拔高度，m。

从图1中可明确看出随着海拔高度的提升，空气气体压力会大幅降低。由理想气体气态方程可知气体压力与密度成正比关系。即随着海拔高度增加空气密度会随之下降。空气密度的下降将对其绝缘性能和灭弧性能产生影响。同时空气密度的降低会影响其动力粘性系数，降低其对流效果，从而影响设备通流性能。

2.1 空气密度降低对绝缘性能的影响

随着空气密度的降低，空气绝缘性能也大幅降低，若不考虑湿度影响，空气密度与其绝缘能力基本成正比关系，图2为空气密度与其绝缘性能的关系。

图2 均匀电场中不同间隙距离下空气的击穿电压和pd的关系

结合图1与图2可知随着海拔的升高，空气密度随之下降，从而降低空气的绝缘强度。在相关标准中根据实际情况给出了不同海拔绝缘强度的修正方法，见式(2)。

Ka1=em(H-1000)/8150

(2)

其中，Ka1是相对于试验地点海拔1000m及以下的海拔修正系数，H是海拔高度(m)，m是系数，对于雷电冲击和工频耐受电压试验时m=1，对于操作冲击耐受电压试验时m=0.75。

2.2 空气密度降低对通流性能的影响

随着海拔的升高，空气密度降低，使以空气介质为散热方式的产品散热困难，所以随着海拔升高设备通流时产生的温升也随之增加；但是，随着海拔的升高环境温度降低，一般海拔每升高100m，环境温度降低0.5℃。

对于一次交流系统电器设备的高海拔温升补偿系数Kτ可按式(3)进行修正[5]：

Kτ=e0.03(H-1000)/1000

(3)

式中，H为海拔高度(m)。

即在高海拔下允许温升是在一般环境下的许用温升值与海拔修正系数的乘积，见式(4)：

τ=Kτ×τ0

(4)

以1000m海拔温升极限值为基准，通过海拔修正，可以计算出GIS设备在不同海拔条件下能够达到的温升值，如表2所示。

表2 温升限值在不同海拔高度下的修正值

高压电器在运行时，其温升控制主要是要求其不超过设备能够承受的最高温度[6]。表2所示随着海拔升高所带来的温升升高与随着海拔升高带来的环境温度降低基本相当，即高海拔环境中由于海拔上升带来的空气密度减小、设备温升增高可有由于海拔增高带来的环境温度降低值抵消，设备最高温度不超设备能够承受的最高温度。总之，海拔升高对设备的通流能力影响不大。

2.3 高海拔套管设计实例

从2.1节及2.2节可知，GIS在应对高海拔的过程中主要考虑外绝缘问题即可。藏中联网芒康、林芝等变电站所处海拔高度已经超过3000m，为解决工程应用需求，需要完成能够在超过海拔3000m运行的套管开发。根据实际工程需求及标准化设计考虑，确认按照3500m海拔高度参数进行套管开发。原则上在现有套管(1000m海拔以下)基础上进行了高海拔套管设计。主要研究内容包括干弧距离确定和内屏蔽电场改进[8-11]。

随着海拔高度增高空气密度降低，绝缘能力下降可参考式(2)进行海拔修正，相对于各海拔修正系数如表3所示。

表3 套管外绝缘修系数

以550kV套管为例，海拔1000m以下的GIS套管采用地电位单屏蔽结构，主要参数如表4所示。

表4 1000m海拔以下套管参数

为确认此套管的绝缘能力，组织了2000m海拔的绝缘试验。试验参数如表5所示。

表5 试验参数

通过试验结果可以看出，现有套管可以满足2000m海拔绝缘需求。

根据相关试验标准在海拔小于1000m地区进行海拔3500m套管试验时对外绝缘进行海拔系数修正即可，修正后的试验电压见表6。

表6 550kV 3500m套管试验修正电压(≤1000m试验)

综合考虑海拔修正系数及套管试验情况。分析认为3500m时套管干弧距离≥5.53m即可满足使用需求。设计时考虑550kV 3500m海拔修正后的试验电压与750kV绝缘试验电压基本相当，为保证新开发套管的安全性，最后确定其长度与其保持一致，即海拔3500m的550kV套管干弧距离为5900mm。

套管屏蔽主要是利用其电容作用，均匀电场，拉高电力线，从而减少电场集中。1000m以下海拔的套管采用单屏蔽结构，其底部电力线分布如图3所示。

图3 单屏蔽套管地电位电力线分布

从图中能够看出套管上部及下部屏蔽处电力线相对集中，考虑其下部距离地电位较近，以及空气绝缘强度降低的因素，对下部屏蔽进行了优化。开发出双屏蔽结构，加大内层屏蔽长度，拉高套管底部电位。优化后电力线分布如图4所示。

图4 双屏蔽套管地电位电力线分布

从图中能够看出，地电位双屏蔽的采用将地电位屏蔽上侧电力线分层，有效的改善了套管下部电力线向上分布情况。改进前后的电场情况详如图5所示。

图5 套管各部位电场强度

从图5能够看出，相对于单屏蔽结构，套管下侧，尤其是屏蔽外侧部位电场得到了改善，综合上述对策完成了550kV 3500m海拔套管的设计，完成后套管整体结构如图6所示。

图6 套管整体结构

验证套管设计的可靠性，后期采用海拔修正的方法组织了套管绝缘试验，顺利通过了海拔3500m的外绝缘试验。试区大气条件为：大气压力：101.3kPa(海拔1000m以下),大气修正因素为0.989。海拔修正按照表3的系数法对试验电压进行了修正，修正后的试验电压见表7。

表7 试验参数及结果

试验时将套管直接放置于落地的工字型钢上，如图7所示。

图7 套管试验姿态图

2.4 二次元件的性能验证

在高海拔工程中，考虑空气气体绝缘性能的变化，对低压二次元件的绝缘性能也需修正，以满足高海拔使用的需求[12]。

开关设备控制回路一般要求能够承受工频2kV/1min的耐电压试验，高海拔元件选择是也要能够满足此要求。在实际工程应用时，一方面二次元件要选择适当型号，以确保现场运行安全。同时在设备出厂试验时要根据试验地与运行地海拔高度差修正出厂试验电压，保证设备整体的运行安全。电压修正系数可以参考海拔修正系数制定。详细见表8。

通过对套管外绝缘改进，二次元件重新选型等措施的实施，确保了高海拔变电站运行的安全。并成功应用于藏中联网芒康、林芝等项目中，取得了良好的应用业绩。

3 高海拔环境对有机涂层的影响

随着海拔升高，太阳辐射强度将会明显上升，根据相关资料，各海拔太阳辐射强度见表9。

表9 太阳辐射强度

GIS外部防护一般采用在其外部涂抹有机涂层进行防护，通常防护层采用聚氨酯磁漆，使用寿命设置为30年。但是随着太阳辐射强度的提高，有机涂层受到的紫外线照射增强，其使用寿命将大幅减短，无法满足GIS的防护。若在GIS的使用寿命内发生有机涂层发生老化、剥落现象，将降低GIS外壳环境耐受能力。

低海拔环境下GIS设备壳体外表面涂覆的聚氨酯瓷漆是一种含羟基的醇酸树脂的耐候颜料，其主要组成部分为含羟基的醇酸树脂、耐候颜料、溶剂、助剂、固化剂等。其特点是在高聚物分子之间能形成非环或环状氢键，在外力作用下，氢键可分离吸收外来能量，当外力除去后可重新形成氢键，如此高的氢键断裂再形成的往复情况使其具有高的保光性、耐磨性及韧性，能够有效保护GIS壳体。但高海拔时紫外线强烈，即辐射光波波长大于340nm的光线大幅增加，聚氨酯大量吸收大于340nm的波长的光波后,其有机成分中所含的甲撑发生氧化，形成不稳定的氢的过氧化物，进而生成色团(酰亚胺结构)，导致漆色变黄、开裂。从而影响了产品外观、降低设备耐侯性能。

通过对各种表面防腐材料对比，在高海拔地区选用了氟碳有机涂层。氟碳涂料是在氟树脂的基础上经改性、加工而成的一种新型涂层材料，主要成分是氟烯烃-乙烯基醚共聚物(FEVE)，其所含的F-C化学键键能大，键距短，决定了其异常的稳定性能，能够非常好的抵抗高能级的紫外线，使其具有超强的稳定性，表现出极其优异的耐久性、耐紫外线等特点，能够抵有效防护GIS设备。

为验证氟碳填料漆的可靠性，分别对铝合金基材和铁基材涂抹氟碳漆，进行紫外线加速老化试验，确认漆面状态。

加速老化试验样板见图8：其规格为70mm×150mm，厚度2～3mm。底漆为通用环氧树脂漆，面漆为氟碳面漆，漆膜厚度≥130μm。

图8 加速老化试样

试验采用紫外线加速老化试验按照GB/T23987《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于紫外线和水》进行检测，其中紫外线功率0.68W/m2，荧光紫外的温度为60±3℃，测试时间3000h。

漆面老化结果按照GB/T1766《色漆和清漆涂层老化的评及方法》进行评定，评定结果显示，各项指标优良，综合评定为0级(详见表10)。

表10 老化试验测试结果

从表10中可以看出，在强光照射下氟碳漆除颜色发生失光外，其它性能比较稳定，能够很好的起到防护作用。

4 结论

高原地区相较于低海拔地区，环境条件更为苛刻。在GIS设备应用过程中势必受到其环境的影响。本文通过对高原环境条件的分析，得出其影响GIS设备应用的关键因素为气压低、太阳辐射强度大。在此基础上，对其影响情况及应对措施进行了研讨，主要内容如下：

(1)通过对高原地区低气压情况的分析，确认其对设备性能的主要影响为外绝缘性能及设备通流性能。通过分析认为对于设备通流能力方面高原环境气温降低能够抵消空气密度降低引起的设备温度上升。对于GIS设备绝缘方面主要是影响设备外绝缘性能涉及出线套管及二次元件。通过对套管电场分析，采用加大干弧距离，调整屏蔽结构的措施，完成高海拔套管的设计、试验，并成功应用于高海拔地区。针对二次元件绝缘问题，采用适当选型，提高试验电压的措施保证现场设备运行的安全可靠。

(2)针对高海拔地区太阳辐射强度高的情况，确认其主要影响设备表面涂层防护性能。本文分析了表面涂料防护可能带来的危害，通过分析提出采用含有的F-C高能键的表面涂料，提高了设备漆面耐受太阳辐射的能力。

本文通过对低气压、高辐射情况的分析，提出了相对应的解决方法，并成功解决GIS设备在高海拔环境下的应用问题，并取得了一定的使用经验，为后期四川、西藏等高原地区电网建设打下基础。