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摘要:分析高海拔環(huán)境氣壓和空氣密度、濕度、溫度及污穢程度等對(duì)風(fēng)電機(jī)組斷路器的影響，推薦選用“五合一”組合式。并提出必須提高其外絕緣水平，增大高壓帶電體的空氣絕緣凈距，加大表面爬電距離，改進(jìn)帶電體形狀、增大電極的曲率半徑以防尖端放電。同時(shí)要求風(fēng)電機(jī)組斷路器必須具有不低于使用地海拔高度的型式試驗(yàn)報(bào)告，必須通過低溫型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:斷路器;高海拔;外絕緣;海拔修正

風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)大力發(fā)展的清潔能源之一，風(fēng)電輸變電系統(tǒng)中每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都需要一套35kV箱式變電站。目前國(guó)內(nèi)基本以華變?yōu)橹鳎鋬?nèi)高壓部份的關(guān)鍵元件就是風(fēng)電機(jī)組斷路器。而據(jù)測(cè)算，我國(guó)1000m以上高海拔地區(qū)面積占全國(guó)總面積65%。因此，風(fēng)電機(jī)組斷路器如何滿足高原環(huán)境使用要求成為我們必須解決的問題。本文以大唐四川普格采乃風(fēng)電場(chǎng)為背景，就高海拔地區(qū)高壓電器設(shè)備的設(shè)計(jì)要求、元器件制造等方面，淺談高海拔地區(qū)使用的風(fēng)電機(jī)組斷路器的技術(shù)建議與選用思路。大唐四川采乃風(fēng)電場(chǎng)位于四川省涼山州普格縣境內(nèi)的高原山區(qū)，海拔在3000～3550m之間，風(fēng)場(chǎng)總裝機(jī)容量99.2MW，2021年12月全部機(jī)組建成投運(yùn)，并通過240h試運(yùn)行。

1風(fēng)電機(jī)組斷路器的基本結(jié)構(gòu)選擇

采乃風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒外部的地面都安裝1套風(fēng)電箱式變電站(YB－37/0.69－3600kVA)，是將風(fēng)機(jī)發(fā)電的低壓電升至高壓電再并網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)備，其接線原理圖如圖1［1］。從圖1可以看出，風(fēng)電箱式變電站(華變)高壓室(雙點(diǎn)劃線框內(nèi))主要功能元件包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、避雷器等。其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案是斷路器選用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的固定式真空斷路器，各功能元件組裝為一個(gè)固定式開關(guān)柜(結(jié)構(gòu)示意見圖2)裝于風(fēng)電箱式變電站高壓室來滿足要求。目前，國(guó)內(nèi)以四川寶光電器等少數(shù)斷路器生產(chǎn)廠家根據(jù)風(fēng)電箱式變電站(華變)接線原理圖對(duì)高壓室部份進(jìn)行了科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，把斷路器本體、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、避雷器等各種功能元件合并為一個(gè)高度集成化的整體，設(shè)計(jì)為“五合一”組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器(結(jié)構(gòu)示意見圖3)，該型產(chǎn)品直接裝于箱變內(nèi)(不需要開關(guān)柜柜體)，其在風(fēng)電箱式變電站(華變)內(nèi)的安裝示意見圖4。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案需要風(fēng)電35kV箱式變電站高壓室的底面積必須大于6m2(固定式開關(guān)柜寬2m，深3m)，連接母線用量達(dá)14.2m;“五合一”組合式風(fēng)電圖4“五合一”組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器安裝示意機(jī)組斷路器結(jié)構(gòu)方案只需要風(fēng)電35kV箱式變電站高壓室的底面積4.1m2(安裝后箱變高壓室寬2.4m，深1.7m)即可(節(jié)約超30%)，連接母線用量也只需要3.6m(節(jié)約超70%)。“五合一”組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器結(jié)構(gòu)方案比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案在占地面積及母線使用量都有大幅下降，大大節(jié)約土建成本、運(yùn)輸成本及材料成本，更節(jié)約、環(huán)保，因此風(fēng)電箱式變電站(華變)斷路器推薦選用“五合一”組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器。

2高原環(huán)境氣象條件及影響

2.1高海拔地區(qū)氣象條件的主要特征

1)氣壓和空氣密度。隨著海拔高度的增加，氣壓將逐漸減小，空氣密度隨之減小。2)空氣濕度。隨著海拔高度的增加，空氣濕度將下降。3)空氣溫度。隨著海拔高度的增加，太陽日照輻射強(qiáng)度大，晝夜溫差也較大。4)大氣污穢程度。一般說來，海拔較高的地區(qū)重工業(yè)較少，由此產(chǎn)生的大氣污穢程度較輕(但在省市中心城市除外)。

2.2高海拔地區(qū)氣象條件對(duì)風(fēng)電機(jī)組斷路器的性能影響

從高海拔地區(qū)氣象條件的主要特征可以看出，高海拔地區(qū)與普通海拔地區(qū)的主要區(qū)別是空氣密度、溫度和絕對(duì)濕度。由于高壓電器設(shè)備空氣間隙的閃絡(luò)電壓取決于空氣中的絕對(duì)濕度和空氣密度;絕緣強(qiáng)度隨溫度和絕對(duì)濕度增加而增加，隨空氣密度減小而降低;濕度和周圍空氣溫度的變化對(duì)外絕緣的影響通常會(huì)相互抵消［2］。因此，組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器作為一種新型高壓電器設(shè)備，高海拔氣象條件對(duì)其的影響主要為空氣密度的變化影響其外絕緣水平，海拔高度越高，空氣密度越低(氣壓低)，組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器外絕緣電氣強(qiáng)度也越低，為確保組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器在高海拔地區(qū)可靠運(yùn)行，必須提高其外絕緣水平。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T311.1－2012海拔修正公式得出不同海拔高度的外絕緣修正因數(shù)如表1。由于產(chǎn)品的內(nèi)絕緣不與空氣接觸，在任一海拔處，組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器的內(nèi)絕緣不需要采取特別措施［3］。

3高原型組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器的設(shè)計(jì)要求及選用思路

經(jīng)過前面高海撥地區(qū)對(duì)組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器性能影響的分析，結(jié)合高壓電器設(shè)備在大唐普格采乃風(fēng)電項(xiàng)目等高海拔地區(qū)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及制造單位的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器在設(shè)計(jì)、制造與選用的技術(shù)要求總結(jié)如下。

3.1增大高壓帶電體的空氣絕緣凈距

國(guó)家電網(wǎng)公司根據(jù)高壓電器設(shè)備在高海拔地區(qū)多年的運(yùn)行總結(jié)及各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)制定了《高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》(Q/GDW13001－2014)［4］，風(fēng)電機(jī)組斷路器用于高海拔地區(qū)其空氣絕緣凈距要求可以參考國(guó)家電網(wǎng)公司該技術(shù)要求，具體要求見表2。基于此，組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器的相間距在普通海拔基礎(chǔ)上必須加大，這樣才能滿足高海拔對(duì)空氣絕緣凈距的要求。目前行業(yè)制造廠家為減少產(chǎn)品規(guī)格，相間距主要有三種:460mm(H≤2000m)、500mm(2000m＜H≤3000m)、520mm(3000m＜H≤4000m)。

3.2加大表面爬電距離

一般說來，風(fēng)電安裝的高海拔地區(qū)重工業(yè)較少，由此產(chǎn)生的大氣污穢程度較輕，根據(jù)中壓電器設(shè)備在高原多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)海拔高度滿足1000m＜H≤2000m時(shí)，風(fēng)電機(jī)組斷路器的一次元件表面爬電比距可以按照有機(jī)絕緣為20mm/kV進(jìn)行要求;當(dāng)海拔高度滿足2000m＜H≤3000m時(shí)，風(fēng)電斷路器的一次元件表面爬電比距可以按照有機(jī)絕緣為22mm/kV進(jìn)行要求;當(dāng)海拔高度滿足3000m＜H≤4000m時(shí)，風(fēng)電斷路器的一次元件表面爬電比距可以按照有機(jī)絕緣為23mm/kV進(jìn)行要求。爬電距離=最高電壓×爬電比距，風(fēng)電機(jī)組斷路器最高電壓為40.5kV。基于此，對(duì)于斷路器滅弧室，由于裸露滅弧室因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素表面爬電距離不會(huì)太大，基本只能滿足海拔2000m要求。因此，在海拔2000m及以下地區(qū)可以選用滅弧室裸露結(jié)構(gòu);在海拔2000m以上地區(qū)，為滿足高原環(huán)境對(duì)滅弧室斷口間表面爬距的要求，通常把滅弧室通過環(huán)氧樹脂澆注成固封極柱結(jié)構(gòu)以增大其斷口間的表面爬距，因此，在海拔2000m以上地區(qū)，建議選用固封極柱結(jié)構(gòu)型式組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器。對(duì)于組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器的其它功能元件(如絕緣子、傳感器、電流互感器等等)也需要結(jié)合高海拔對(duì)空氣絕緣凈距及表面爬電距離的要求進(jìn)行加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)。

3.3改進(jìn)帶電體形狀，增大電極的曲率半徑，防止尖端放電

一般說來，電極的曲率半徑越大，周邊的電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的擊穿電壓也就越高。因此，在設(shè)計(jì)和制造中，各導(dǎo)電銅排應(yīng)盡量選用為邊緣帶圓角的Ｒ型排。同時(shí)還須盡可能地消除電極上的銳緣、棱角、焊縫、毛刺等，提高電極表面的光潔度，消除局部場(chǎng)強(qiáng)。

3.4外絕緣耐受電壓要求

根據(jù)GB/T311.1－2012規(guī)定:“當(dāng)高壓電器用于1000m以上，但不超過4000m時(shí)，其外絕緣試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定耐受電壓乘外絕緣修正因數(shù)”。同時(shí)結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW13001－2014高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范的要求。可以得到在普通海拔地區(qū)對(duì)高原型風(fēng)電機(jī)組斷路器進(jìn)行外絕緣試驗(yàn)的工頻耐壓及雷電沖擊要求分別見表3和表4。

3.5產(chǎn)品試驗(yàn)報(bào)告要求

高海拔地區(qū)使用的組合式風(fēng)電機(jī)組斷路器必須具有不低于使用地海拔高度的型式試驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)由于風(fēng)電斷路器使用地冬天溫度低，又安裝于戶外箱變內(nèi)，因此風(fēng)電機(jī)組斷路器必須通過低溫型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

4結(jié)語

我們?cè)诖筇扑拇ú赡孙L(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)初期按照上述思路選用風(fēng)電機(jī)組斷路器，項(xiàng)目成功投運(yùn)并運(yùn)行效果良好，驗(yàn)證了我們對(duì)風(fēng)電機(jī)組斷路器的要求是可行的，為高海拔地區(qū)風(fēng)電機(jī)組斷路器的設(shè)計(jì)和選用提供了較重要的參考借鑒依據(jù)。

作者：周加慶 單位：大唐四川發(fā)電有限公司新能源分公司