（电气工程专业论文）青藏铁路电气化工程电气外绝缘实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 国内外已有的研究结果和运行经验均表明：高海拔地区空气相对密度较 低，无论是绝缘子还是空气间隙，其放电电压都将降低。如果外绝缘设计不 当，将会发生闪络事故。对于海拔2 0 0 0 m 以下地区，规程中已经规定了大气 参数对外绝缘放电电压影响的校正方法：目前国内外标准中尚未建立海拔 2 0 0 0m 4 0 0 0m 地区大气参数对放电电压影响的校正方法，但许多研究者根 据各自的实验条件提出了不同的校正方法；而到目前为止，对海拔4 0 0 0 m 以 上地区大气参数对外绝缘放电影响的研究，国内外尚未见报道。 在建的长1 1 3 6k m 青藏铁路中有9 6 0k m 地段的海拔超过4 0 0 0m 。因此， 如何选择隧道净空绝缘间隙是青藏铁路建设中急需解决的技术难题。论文针 对青藏铁路电气化工程2 5 k v 系统，在人工气候室内模拟海拔4 0 0 0m 以上地 区的大气条件，对小于5 0 0m i t t 的“棒一板”短空气间隙和绝缘子短串的工 频、雷电和操作冲击放电特性进行了实验研究。根据实验研究结果分析了海 拔4 0 0 0m 以上大气条件下“棒- 扳”短空气间隙和绝缘子短串分别在三种电 压作用下放电特性，并提出了放电电压的校正方法。论文的主要工作和研究 成果有： “棒一板”短间隙和绝缘子短串的放电电压均随海拔的升高而降低，且 其降低的趋势与海拔的范围有关。气压可作为表征海拔高度对外绝缘放电电 压影响的特征参数。提出无论是空气间隙还是绝缘子串，其放电电压均可用 u = ( p p o ) “u o 这种基本关系来表征，若以海拔4 0 0 0m 为基准，则表示为 l 辟( 尸p 4 0 0 。) “u 4 0 0 0 ，其中气压对放电电压影响的特征指数，l 、m 与电压类型和 放电间隙的结构类型以及绝缘子类型等有关。论文提出了空气间隙和绝缘子 在海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区放电电压的校正系数，并初步分析了高海拔大气 条件下“棒一板”短空气间隙和绝缘子短串放电电压随气压降低而降低的基 本机理。 关键词：高海拔；棒一板短间隙；绝缘子短串；放电特性；电压校正 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i th a sb e e n p r o v e dt h a tt h ed i s c h a r g ev o l t a g eo f a i r - g a pa n di n s u l a t o rd e c r e a s e d u et ot h el o w e ra i rd e n s i t ya th i g ha l t i t u d eb o t ha td o m e s t i ca n da b r o a d f l a s h o v e r w i l lt a k e p l a c e i ft h ee x t e r n a li n s u l a t i o ni sn o t p r o p e r l yd e s i g n e d r e c o m m e n d a t i o n sh a v eb e e np u tf o r w a r df o rt h ec o r r e c t i o no fe x t e r n a li n s u l a t i o n d i s c h a r g ev o l t a g ea t2 0 0 0mr e g i o n so rb e l o w i ns p i t et h a tt h e r ei sn og e n e r a l v o l t a g e c o r r e c t i o nm e t h o da tt h er e g i o nb e t w e e n2 0 0 0ma n d4 0 0 0 m ，i n v e s t i g a t o r s g a v es o m ev o l t a g ec o r r e c t i o nm e t h o d sf o re x t e r n a li n s u l a t i o n ，w h i c hs h o u l db e a p p l i e dd e p e n d i n go ns p e c i a ls i t u a t i o n s h o w e v e r , t h e r ei sn or e p o r ta b o u ts a m e s t u d i e sa tt h er e g i o n4 0 0 0mo ra b o v e ，a n dt h e r ei sn om e t h o da v a i l a b l e a m o n g t h e1 1 3 6k m q i n g h a i t i b e tr a i l w a yb e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o n , 9 6 0k m o fi ti sa b o v e4 0 0 0m s o ，i ti sa p r o m i n e n ta n du r g e n tp r o b l e mt om a k e c e r t a i n s e l e c t i o no ft h et u n n e lh e a d r o o m si n s u l a t i o na i r - g a p w es i m u l a t e da i rc o n d i t i o n o fo v e r4 0 0 0mi nt h ec y l i n d r i c a la r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e r , a n ds t u d i e dt h ea c 、 l i g h t e n i n gi m p u l s e a n d s w i t c h i n gi m p u l s ed i s c h a r g ep e r f o r m a n c e o fs h o r t r o d - p l a n ea i rg a p sb e l o w5 0 0m i l la n ds h o r ti n s u l a t o rs t r i n g sw i t h2 5k vs u p p l y s y s t e mi nq i n g h a i t i b e tr a i l w a ya sc r i t e r i a b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，w e a n a l y z e d t h ed i s c h a r g e p e r f o r m a n c eo f s h o r tr o d p l a n ea i rg a p sa n ds h o r ti n s u l a t o r s t r i n g si nt h ea i rc o n d i t i o no f a l t i t u d e4 0 0 0mo ro v e r ，a n dg i v et h ec o r r e c t i o n f o r m u l ao fs h o r tr o d - p l a n ea i rg a p sa n ds h o r ti n s u l a t o rs t r i n g si nt h ea i rc o n d i t i o n o fa l t i t u d eo v e r4 0 0 0m t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t so ft h i sp 印e ra r ea s f o l l o w i n g ： t h e d i s c h a r g ev o l t a g eo f s h o r tr o d - p l a n ea i rg a p sa n ds h o r ti n s u l a t o rs t r i n g sw i l l d e c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo f a t m o s p h 耐cp r e s s u r e ，b u tt h ed e c r e a s i n gt e n d e n c y i s r e l a t e dt ot h er a n g eo fa l t i t u d e t h ea t m o s p h 嘶cp r e s s u r ec a nb eu s e da st h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri nt o k e no f t h ee f f e c to f t h ea l f i t u d eo ne x t e r n a li n s u l a t i o n v o l t a g e o u rs t u d i e si n d i c a t et h a tt h ed i s c h a r g ev o l t a g eo f s h o r ta i rg a p sa n ds h o r t i n s u l a t o rs t r i n g si st h ep o w e rf u n c t i o no f a t m o s p h e r i cp r e s s u r er a t i o ，a se q u a t i o n u = u o ( p p o ) ”( o ru 毛u 4 0 0 0 ( p p i 0 0 0 ，i fi t i sb a s e do nt h ea l t i t u d e4 0 0 0m t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | i 页 f a c t o ri n d e x e sn ，ma r er e l a t e dt ot h ev o l t a g et y p ea n dg a pf o r m so ri n s u l a t o r s t r u c t u r e s t h ed i s c h a r g e v o l t a g e c o r r e c t i o nf a c t o r so f b o t hs h o r tr o d - p l a n ea i rg a p s a n ds h o r ti n s u l a t o rs t r i n g sb e t w e e n4 0 0 0ma n d5 5 0 0ma l t i t u d ea l ea l s og i v e n i n a d d i t i o n ，w ea n a l y z e dt h ed i s c h a r g eb a s i cp r i n c i p l eo fs h o r ta i rg a p sa n ds h o r t i n s u l a t o r s t r i n g sa tt h eh i 曲a l t h d er e g i o n s k e y w o r d s ：h i g ha l t i t u d e ，s h o r ta i r - g a p ，s h o r ti n s u l a t o rs t r i n g s ，d i s c h a r g e p e r f o r m a n c e ，v o l t a g ec o r r e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 青藏铁路位于世界屋脊，是世界上海拔最高的铁路，其电气化工程的绝 缘间隙的确定和电气设备外绝缘的选择是电气化设计的关键技术之一。虽然 国内外对高海拔地区的外绝缘特性已经进行了大量研究，为海拔2 0 0 0 m 以下 地区大气条件下放电电压的校正提供了可供参考的理论和实验依据。但至今 为止，针对海拔3 0 0 0m 以上的大气条件对放电电压的影响的研究很少，并且 尚未见有针对海拔4 0 0 0m 以上地区外绝缘特性研究的报道。 国内外已有的研究结果和运行经验均表明：高海拔地区空气相对密度较 低，无论是绝缘子还是空气间隙，其放电电压都将降低。如果外绝缘设计不 当，必将发生闪络或击穿事故【1 捌。在我国西电东送的南、北、中线路走廊中 都存在高海拔地域，特别是在建的长1 1 3 6k m 青藏铁路中有9 6 0k m 地段的海 拔超过4 0 0 0m 。因此，青藏铁路电气化工程在海拔4 0 0 0m 以上地区隧道净 空绝缘间隙和电气设备外绝缘的选择是青藏铁路建设中急需解决的技术难 题。虽然现有的铁路行业标准对海拔4 0 0 0 m 及以下地区隧道内电气绝缘间隙 的选择提供了建议【3 i ，但对海拔4 0 0 0 m 以上地区的外绝缘选择国内外至今没 有相应的可参考标准【3 。】。若按照海拔4 0 0 0m 以下的校正因素( 见公式卜2 ) 来选择海拔4 0 0 0m 以上地区隧道内电气外绝缘间隙，将使隧道净空高度从海 拔1 0 0 0m 及以下地区的6 5 5 0m l t l 增加到7 2 0 0m m 。据估算，在隧道净空高 度7 0 0 0m m 左右时，如果净空高度增加l o or a i n ，将使青藏铁路因电气化工 程而增加的土建工程投资达0 7 亿元。因此，合理选择青藏铁路隧道内的电 气外绝缘对青藏铁路的建设具有巨大的经济价值和社会及科学意义。 到目前为止，虽然对低气压下绝缘子交直流闪络特性及电压校正的研究 较多，但针对海拔4 0 0 0m 以上铁路电气化工程2 5k v 系统的隧道内电气外绝 缘间隙放电的研究甚少，对于海拔4 0 0 0m 以上地区的铁路电气化工程的电 气绝缘如何加强和修正，目前国内外尚无标准、规程可参考，更无实际运行 经验。为了科学地确定青藏铁路在海拔4 0 0 0m 以上地区的隧道净空，避免隧 道净空预留不足或过大，造成隧道内电气化铁路供电的不可靠或投资巨大浪 费，在2 0 0 1 年6 月铁道部组织的“青藏线隧道净空绝缘加强技术研讨会”上， 与会专家指出：对于海拔1 0 0 0m 4 0 0 0r r l 地区，仍按公式1 - 2 确定的修正系 数进行修正；对于海拔4 0 0 0m 以上地区，必须进行实验研究，根据实验研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 结果来确定青藏铁路的隧道净空。 本论文针对青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区隧道与电气化工程的2 5 k v 系统，在重庆大学多功能人工气候室内模拟青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 的大气条件，对低气压下的空气闻隙和电气化铁路常用的几种绝缘子放电特 性的规律及放电电压随海拔变化的校正方法进行系统的实验研究，为海拔 4 0 0 01 1 3 以上地区的青藏铁路电气化工程的隧道净空绝缘间隙和电气化工程的 2 5k v 系统外绝缘的选择提供实验依据和技术参考。 1 2 国内外研究概况 高海拔地区的大气参数不同于低海拔地区，因此，高海拔地区的电气外 绝缘特性也与低海拔地区有较大差异。一般认为，大气参数对电气外绝缘放 电产生影响的是气压、温度和湿度三个主要参数。气压的高低主要取决于海 拔，与纬度的关系较小，且随海拔的增加而下降；气温的高低不仅与海拔有 关，而且也与纬度、地表水陆分布、地形、地貌、气流等条件有关，但在一 定地区范围内，仍随海拔增加而降低；影响绝对湿度的因素十分复杂，与海 拔、纬度、大气中水分的凝结、蒸发、降水量等都有关，各个地区的绝对湿 度与海拔大致呈指数规律下降。因此，考虑到相对空气密度随海拔升高而减 小，常将气压和气温以相对空气密度来表征，而把绝对瀛度仍作为一个单独 的参数。同时，从大量的研究结果分析，虽然气温的下降会使放电电压有所 提高，但气压和绝对湿度的下降会使放电电压降低，三个大气参数总的效应 是使放电电压随海拔增加而下降。因此，大多数国家和国际电工委员会( m e ) 目前都推荐用相对空气密度和绝对湿度两个参数来表征大气条件对电气外绝 缘放电电压的影响。但不少研究人员也发现：不仅温度和湿度两个参数并不 是相互独立的，而且相对空气密度与绝对湿度对放电电压的影响也不是独立 的。因此，大气参数对电气外绝缘放电影响的研究目前仍处于不断深入和完 善的研究阶段 8 - 2 6 。 自2 0 世纪5 0 年代以来，国内外研究人员就十分关注大气参数对外绝缘 放电特性影响的研究。由于最初高海拔地区的输电线路不多，大气参数对外 绝缘放电特性影响研究主要集中在低海拔地区的大气条件下。从早期对于大 气参数对外绝缘放电特性影响的研究到现在，研究人员普遍选择了国际电工 委员会和大多数国家规定的参考标准大气条件：t o = 2 0 ；气压p o = 1 0 1 3 k p a ：绝对湿度h o = 1 1g m 3 。经过半个多世纪的研究，研究人员取得了许多 对工程应用和该领域研究具有重要价值和意义的成果，这些研究成果大多数 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 已体现在相应的标准中，为工程应用提供了重要参考。 1 9 6 4 年，在我国国家标准g b 3 1 1 卜1 9 6 4 i 2 7 1 中规定了对于拟用于海拔超 过1 0 0 0i n ，但不超过3 5 0 0m 的电气设备外绝缘及干式变压器，在非高海拔 地区进行实验时，其外绝缘实验电压应为在标准参考状态下应用对的实验电 压再乘以海拔校正系数疋。即 u = u o k 。 ( 卜1 ) 式中：u 为拟用于高海拔地区电气设备在非高海拔地区进行实验时的实验电 压，k v ；砺为标准参考大气条件下的实验电压，k v ；墨为海拔修正系数， 表示为 k = 百妄丽 ( 1 - 2 ) 式中：h ( h 1 0 0 0m ) 为设备拟用的海拔，m 。 1 9 7 1 年，在我国机械工业部标准j b z 1 0 2 1 9 7 1 2 8 1 中，规定了拟用于高海 拔地区的电气设备在非高海拔地区进行实验时的实验电压应为 u = u o 1 + 0 1 ( n 1 ) 】 ( 卜3 ) 式中：日为海拔高度，k m 。式( 卜3 ) 与式( 卜2 ) 在本质上没有区别，式( 1 3 ) 是参照c 旧3 1 1 卜1 9 6 4 得来的结果。 随着实验研究的深入，研究者发现应当采用空气密度、气温和绝对湿度 三个参量来考虑海拔对电气外绝缘特性的影响。在高海拔地区，由于海拔高、 气压低、相对空气密度小，放电电压将降低。气压和气温的变化可以反映在 相对空气密度的变化上，而绝对湿度则可作为一个独立参数，因此1 9 7 3 年， 国际电工委员会在1 e c 6 0 1 1 9 7 3 中规定了用相对空气密度和绝对湿度两个参 数对外绝缘放电电压进行校正忙“”o ”，即 u ，= u o ，k 2( 卜4 ) 式中：矾为实际大气条件下的放电电压， 放电电压，k v ；屁是大气条件校正系数 绝对湿度修正系数凰的比来表示，即 k v ；砺，为标准参考大气条件下的 可用相对空气密度修正系数和 k 、：整 k 其中：相对空气密度修正系数凰为 ( 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 弘斟盼 4 式中：特征指数m 、n 由实验间隙类型、电压类型等确定。 而绝对湿度修正系数k h 为 k = k 1 ” ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 其中：k t 为绝对湿度的函数，绝对湿度修正特征指数w ，也与间隙类型和电 压类型等有关。前苏联和美国的标准 2 9 1 中都采用了上述外绝缘放电电压的校 正方法。美国根据在克罗拉多州的利得维特( 海拔3 2 0 0m ) 和马萨诸赛州匹 兹菲尔德( 海拔0m ) 实验结果【2 9 】，采用该校正方法得出了对线路绝缘雷电 和操作冲击放电电压进行校正的相应空气密度校正指数m 、n ，对雷电冲击电 压取为= n = 1 0 ，对操作冲击电压m = n = 0 7 。但是至今为止，还没有采 用该方法对海拔4 0 0 0m 以上大气条件进行校正的报道。 1 9 8 3 年，我国根据进一步的科研、设计及运行经验的获得，在国标 g b 3 1 1 1 - 1 9 8 3e ”】中指出了g b 3 1 l 一1 9 6 4 中的校正方法可从原来的应用范围海 拔1 0 0 0m 3 5 0 0m 推广到海拔1 0 0 0m 4 0 0 0m 地区。而且在国标 g b 3 1 1 卜1 9 8 3 中还对温度对外绝缘放电电压的影响的校正给出了校正方法， 即对于拟用于环境空气温度高于4 0 处的设备，其外绝缘在干燥状态下的 实验电压应取额定耐受电压值乘以温度校正系数矗”】，即 k ，= 1 + o 0 0 3 3 ( t 一4 0 ) ( 卜8 ) 式中：t 为环境空气温度，。 2 0 世纪8 0 年代中期，日本根据海拔1 8 5 0 m 的入笠山和海拔接近0 m 的 武山实验室的实验结果，提出了用等效相对空气密度、等效绝对湿度和等效 距离来修正外绝缘放电电压的方法 ”1 ，即当相对空气密度为占。和绝对湿度为 h 时，距离为d 的间隙5 0 放电电压等于相对空气密度为占：和绝对湿度为( 占 占。) 压和间隙距离( 占占：) d 时的5 0 放电电压，其中占：为标准参考 状态下的相对空气密度。 2 0 世纪8 0 年代末期到9 0 年代初期，随着高海拔地区输电线路的不断增 多，对高海拔大气条件对外绝缘放电电压影响的校正也越来越引起了研究人 员的重视。在这一时期，国内外不少学者根据大量的实验研究结果，提出了 一些新的大气参数校正方法。 1 ) 云南电力实验研究所f 3o 】提出把绝对湿度等效为相对空气密度的附加 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 值，与实际的相对空气密度相加，构成一个等值相对空气密度的参数，即 f = 占+ a h( 1 - 9 ) 因此 u = u g f 4 = ( 6 + a h ) ” ( 卜1 0 ) 式中：j 为实验条件下的相对空气密度；h 为实验条件下的绝对湿度，g m 3 ： 瓯为d = l ，a = o 时的放电电压，k v ；a 为绝对湿度等值参数，m 3 幢；m 为校 正指数；其中：a 、m 可以通过回归计算得到。 该方法中的绝对湿度等值参数a 对于不同的间隙距离和电压波形来说有 很大的分散性。虽然对于云南电力实验研究所实验范围内数据校正的较为合 理，但是对于其实验范围之外的数据要想建立同样的校正关系尚需要进一步 的实验研究和理论分析。 2 ) 武汉高压研究所等七单位通过在不同海拔地区的对比实验，提出了不 同海拔下外绝缘放电电压的校正公式30 】： u = u o 艿”爱? ( 1 一1 1 ) 式中：畅“仍为湿度校j 下因数，n 、w 为待定指数，并根据实验结果给出了局、 w 、n 值。 3 ) 西安高压电器研究所和电力科学研究院等单位以及国际上其他国家 的专家学者对商海拔大气条件下外绝缘放电电压的校正也作了很多研究工作 分别得出了各自的校正公式或校正曲线，但是一直没有得出一个普遍可行的 校正方法【3 0 】。 同时，2 0 世纪8 0 年代末期到9 0 年代初期，云南电力实验研究所以及国 内外一些研究者还从物理概念出发，对海拔影响放电电压的规律进行了研究 1 2 9 , 3 1 研究发现，由于海拔增高，气压降低、空气密度减小、气温降低、绝 对湿度也降低。温度降低放电电压会升高，绝对湿度降低放电电压会降低， 所以随海拔的升高，温度和绝对湿度的变化对外绝缘放电电压的影响可以相 互补偿。相对空气密度不同时，同样的绝对湿度对放电电压的影响也是不同 的，其原因在于一个相同的体积内如果绝对湿度相同，只表示水蒸气分子相 等，丽不同的相对空气密度，则表示单位体积内的空气分子数不同。当海拔 升高时，相对空气密度下降，空气中气体分子减小，水汽分子和空气中气体 分子的比值变大，绝对湿度对放电电压的影响必然增大。因此，这些研究者 认为应该用比湿w = o 8 3 9 h 占来代替绝对湿度h 作为一个气象参数对放电电 压进行修正 2 9 , 3 0 。根据比湿的概念一些研究人员提出相应的大气条件对外绝 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 缘放电电压影响的校正方法。 1 ) 武汉高压研究所，推荐了海拔对s = lm - - 6r n 的长间隙和绝缘予串放 电电压的影响进行校正的方法【30 1 ，即 u f = u o f 。鬈l k 2 ( 1 一1 2 ) 式中：k 为相对空气密度校正系数：局为绝对湿度校正系数。蜀、岛分别由 以下二式给出，即 k - = j 1( 1 1 3 ) 对于工频和雷电冲击电压时指数m 取1 0 0 ，对于操作冲击电压则取1 1 2 o 1 2 s 。 肌( ( 圳枷。 ”( 1 - 1 4 ) 对于雷电冲击和操作冲击电压下，参数口取8 0 0 0 ；工频电压下参数a 取 1 2 ，0 0 0 。雷电冲击和工频电压下参数w 取1 0 0 0 ，操作冲击电压下w 取1 0 8 4 0 0 8 4 s 。 2 ) 青海电力实验研究所也根据“比湿”的概念提出，高海拔地区湿度修 正可以用( 占) 来代替h ，但以h ( p p o ) 来代替h 进行修正 2 9 j ，能使平原地区 与高海拔地区的结果更加接近。通过青海电力实验研究所的实验数据的计算 表明，p p o 比万值要小，所得的湿度修正系数也要小一些。 2 0 世纪9 0 年代中后期，根据实验研究和理论分析的不断深入发展，研 究人员发现湿度对外绝缘放电电压的影响和预放电类型之间存在密切的关 系，因而国际电工委员会( m c ) 根据各国的大量实验研究结果，在i e c 6 0 0 6 0 - - 1 中对于2 0 0 0 m 以下地区提出了以g 参数为基础的以相对空气密度和绝对湿度 两个参数来表征大气条件对电气外绝缘放电电压的影响。在此基础上，现今 大多数国家对2 0 0 0m 海拔以下地区外绝缘放电电压的校正逐渐形成了统一 的观点。 1 9 9 7 年，我国在标准g b , r i 1 6 9 2 7 1 - 1 9 9 7 中采用以p 参数为基础的用相 对空气密度和绝对湿度两个参数对外绝缘放电电压进行校正的方法口“”l ，即 u f2 u o ，f 。k f = u o ，厂。如k h ( 1 一1 5 ) 式中：大气校正系数墨由相对空气密度校正因数k s 和湿度校正因数凰的乘 积表示。k 。取决于空气相对密度占，可表示为 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 k d = 占“ 式中：m 为相对空气密度校正指数；万为相对空气密度， 气压力为p ( k p a ) 时，可表示为 占：兰。兰! ! 鱼 p o 2 7 3 + t 而湿度校正因数凰为 ( 1 - 1 6 ) 当温度为t ( ) 和大 ( 1 一1 7 ) 缸= k ”( 卜1 8 ) 式中：为绝对湿度校正指数；而足值取决于放电电压的类型，并为绝对湿 度h 与空气相对密度占的比率h 占的函数，可采用g b t 1 6 9 2 7 1 - 1 9 9 7 中给出 的曲线( 如图卜1 所示) 来近似求取，从图1 - 1 可知对占值超过1 5 0 的足 值误差可能超过一1 5 ，因此对于占值超过1 5 0 的k 如何选择还处在研究 中。 对于海拔2 0 0 0m 以下地区，其指数m 和值依赖于g 参数，g 参数定 义为 g：vb,o_edg ( 1 一1 9 ) = l l l 了j e ，+ 式中：【k d 表示实际大气条件下的5 0 放电电压，k v ：d 表示实际大气条件 下的放电距离，m n l ；丘+ 为正极性流注的平均电位梯度，k v m ，定义为 疋+ = 5 0 0 x 6 k ( 卜2 0 ) g 参数也可用实际大气条件下的5 0 放电电压【，b 5 0 ( k v ) 、最小放电路径 ( m ) 、相对空气密度占及大气校正因数墨来定义 g ：丝b ( 1 _ 2 1 ) 6 5 0 0 l d 髟 “ 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 0 警 莲 0 0 051 01 52 02 53 03 5 h ，5 ( g 矗、 图1 - ik 与 j 的关系曲线 、 1 、 1 ， 一_ _ 一m _ 、 w 。、 、 ! i ! 、i l 图卜2 校正指数m 、矿与g 参数的关系曲线 g 3 对于海拔2 0 0 0m 以下地区，根据g 参数可以在标准中给出的瞳线( 如图 卜2 所示) 查出指数m 和w 值。对于海拔2 0 0 0m 以上地区，g 参数的确定 尚在研究中，目前没有可供参考的实验研究依据，因而益线中没有给出相应 2 0 9 8 7 l l l 电 m 吼 吼 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的指数m 和形值。 1 9 9 9 年，我国根据国际电工委员会( i e c ) 标准i e c l 8 5 2 ，在国标 g b t 1 1 0 2 2 1 9 9 9 1 3 3 1 中提出了个新的拟用于海拔1 0 0 0m 以上但不超过4 0 0 0 m 地区电气设备在低海拔地区进行实验时的实验电压海拔校正系数墨，为 i n c h - 1 0 0 0 ) k 。= e 8 1 5 0 ( 卜2 5 ) 式中：m 为修正指数。对于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压，m 取为1 o ； 对于纵绝缘操作冲击电压，取为0 9 ；对于相对地的操作冲击电压，m 取为 o 7 5 。这里需要指出的是当m 7 - - 1 0 时，式( 1 - 2 5 ) 与式( 卜2 ) 和( 1 3 ) 没 有本质上的差别。 从国内外的研究现状来看，虽然对大气条件对放电电压影响的校正方法 进行了大量的研究，对于2 0 0 0m 以下地区基本上有了一致的标准和规则，对 于2 0 0 0m 4 0 0 0m 海拔地区的校正方法还处在研究阶段，许多专家得出了他 们各自有其适用条件的校正公式和曲线，对于4 0 0 0 m 以上地区的大气条件的 校正方法至今为止尚未见有关的报道。但从2 0 世纪8 0 年代末期到9 0 年代中 期，在a m e i e r 和wm n i g g i 两位学者研究的基础上p ”，vm r u d a k o v a , n 、 n t i k h o d e e v h pm e r c u r e 两位研究者以及加拿大学者a m r i z k 经过大量实 验研究都得出在不同海拔下外绝缘放电电压可以用下式表示m 2 2 ，3 5 1 ： u ( a 。，j d ) = k d u ( a ，i ) ( 卜2 2 ) 式中：口；为大气电导率：川as , p ) 为气压为p 时的外绝缘放电电压，k v ： 矾口。，1 ) 为零海拔即一个大气压下的外绝缘放电电压，k v ；局为空气密度校 砸系数，可表示为 k d = p “ ( 卜2 3 ) 式中：聃为大气条件特征指数。由式( 1 - 2 3 ) 可以看出，外绝缘放电电压与 气压成幂指数关系。 在式( 卜2 3 ) 的基础上，国内外研究者经过大量的实验研究和理论分析 得出，在不同的海拔条件下，外绝缘放电电压与气压比之间都有幂指函数关 系 2 2 , 2 t , 3 1 】，即 咿( 1 - 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 式中：n 为气压对外绝缘放电电压影响的特征指数。 1 3 论文研究的主要内容 论文针对青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区隧道及电气化工程的2 5k v 系统，在重庆大学多功能人工气候室内模拟青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 的 大气条件，对低气压下的空气间隙和电气化铁路常用的几种绝缘子放电特性 及放电电压随海拔变化的校正公式进行系统的实验研究，为海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区的青藏铁路电气化工程的隧道净空绝缘间隙和电气化工程的 2 5 k v 系统外绝缘的选择提供实验依据和技术参考。 具体内容包括： ( 1 ) 青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区空气间隙放电特性研究 论文使用z 型棒一板间隙与p 型棒一板间隙，选择的空气间隙长度为 l o o m m 5 0 0m l n ，在多功能人工气候室内对其进行工频、雷电冲击及操作冲 击的放电实验，研究其放电特性，并研究海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区大气条件 对短空气间隙放电电压影响的校正公式。 ( 2 ) 青藏铁路海拔4 0 0 0m 5 5 0 0m 地区2 5k v 绝缘子放电特性研究 使用铁路常用的几种2 5k v 绝缘子，对绝缘子进行各种实验，如干c j = j 、 湿闪、污秽闪络、雷电冲击闪络及操作冲击闪络等，并研究得出海拔4 0 0 0 m 5 5 0 0m 地区大气条件对这些绝缘予闪络电压影响的校正公式( 主要是气压影 响的校正公式) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第2 章实验依据、装置及方法 2 1 青藏铁路格拉段地区的气候特征 青藏铁路格拉段地区的气候特征是我们进行实验的客观依据。青藏铁路 格拉段跨越青海、西藏两省区，地处青藏高原腹地。是世界上海拔最高、线 路最长的高原铁路。全长1 1 3 6k m ，其中海拔4 0 0 0m 以上线路长约9 6 0 k m ， 占线路总长的8 4 ，最高为唐古拉山垭口5 0 7 1m 。 该地区具有独特的冰缘干寒气候特征，为高原亚干旱一干旱气候区。格 尔木至西大滩，年平均气温5 一3 ，极端最高气温为3 3 ，极端最低气 温为一2 7 - - 2 9 ：西大滩至安多，年平均气温一3 一6 ，极端最高 气温2 3 2 5 ，极端最低气温为- - 3 6 - - 4 5 ，平均雷暴日数4 2 7 1 天；安多至拉萨，年平均气温8 c 一2 ，极端最高气温为2 3 3 0 ，极 端最低气温为一1 6 - - 4 1 ，平均雷暴日数为6 8 8 2 天。最大目温差 3 0 。铁路通过地区空气稀薄，气压低，平均气压为5 8k p a ，唐古拉山垭口 为5 4 4k p a 。日照时间长，最大太阳辐射强度1 2 5 0w m 2 ，常年晴空无云。根 据统计数据，1 9 9 0 1 9 9 9 年间格尔木市气象站、伍道梁气象站、托托河气象 站绝对湿度平均值分别为3 | 3m b 、2 8m b 、3 0m b ：安多气象站3 4 年间统计 的绝对湿度平均值为3 1m b ，那曲气象站4 5 年间统计的绝对湿度平均值为 3 6m b ，当雄气象站3 7 年间统计的绝对湿度平均值为4 2m b ，拉萨气象站4 8 年间统计的绝对湿度平均值为4 9m b 。 由此可以看出，青藏线格拉段的气候特征为：气压低，气温也低，气温 日变化大，绝对湿度低，太阳辐射强度比较强烈。 2 2 大气基本参数间的相互关系 大气是由多种气体、水汽和固体杂质组成的。通常把不含水分、尘埃和 其它杂质的空气称为干洁空气或干空气；含有水汽的空气则称为湿空气。在 通常大气温度和压强下，干空气和未饱和的湿空气十分接近于理想气体。因 此，根据理想气体的状态方程 3 0 , 3 6 1 ，干空气气压与其相应的参变量之间可表 示为 乃= p d t ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式中：p d 为干空气的压强，k p a ：pd 表示干空气的密度，k , g m 3 ；t 为绝 对温度，k ：风为干空气的气体常数，如果用r 。表示理想气体普氏衡量( 等 于8 31 4 4j l m o t k ) ，斑表示空气分子懿分子量为篮钾t m d l ，则r d 为 r d ：8 3 1 4 4 j i m o l , k ：0 2 8 7 j g k u ( 2 2 ) = 一= p l 一， 4 心 2 8 ，9 7 9 t o o l 。 在实际大气中，近地面空气总是含有水汽的湿空气，根据道尔顿分压定 律可知理想空气的压强p 为干空气的压强p d 与水汽压强e 之和，可表示为” p = 兄+ e = 艘r ( 2 3 ) 式中：p 为理想空气的密度，k g m 3 ；史为理想空气的气体常数，j m o p k ；t 为绝对温度，k 。 由于湿空气中水汽含量是变化的，因而湿空气的气体系数月不是常数。 对湿空气中的干空气和水汽分别应用状态方程，可得干空气密度pd 和水汽密 度p 。( k g i m 3 ) 及绝对湿度h ( 影m 3 ) 分剐为 矶2 舌( 2 - 4 ) 几“矿2 意 - 5 式中：r 。为湿空气中水汽的气体常数，用表示水分子的分子量为 1 8 0 5 3g m o l ，则r 。为可表示为 r。：尘一831441jlm01k o 4 6 1 5 ，g k ( 2 6 ) ”。 1 80 5 3 9 m o l 。 而湿空气的密度为 妒= p d + p 。 ( 2 7 ) 将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 代八式( 2 - 7 ) 得 p ：p - - e + 三 ( 2 8 ) 尺d ，r 。r 由式( 2 - 8 ) 解得湿空气的气压p 为 p ：脚( 2 7 3 4 l - 麓臻一问 。， = f ) i 忍p + ( r w 一珏) ) 式中：t 为摄氏温度，。用po 表示标准大气条件下的空气密度，由式( 2 - 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 得 3 5 , 3 6 1 尸二q 3 4 7 3 i 8 州1 2 2 墨艺2 。7 熊3 ：t 笤二：0 ”7 3 7 ：1 0 竺。h ) c 2 一z 。， = x i+ x 1 6 + s x 一4 x j 由式( 2 - 1 3 ) 得气压比p p o 为： e e o 3 3 3 9 4 1 0 3 ( 2 7 3 + f ) ( 2 一1 1 ) r 万+ 5 0 7 3 7 1 0 。4x ) 式中：j 为湿空气的相对密度。由式( 2 - 7 ) 易得 6 = 万d + h p o ( 2 一t 2 ) 式中：占d 为湿空气中于空气的相对密度。将式( 2 一1 2 ) 分别代入式( 2 1 0 ) 和式( 2 - 儿) 可得 p 。3 4 3 8 1 2 2 。( 2 7 3 + ) ( 2 - 1 3 ) ( 以+ 13 3 9 5 1 0 。xh ) p 只= 3 3 9 4 。1 0 。( 2 7 3 + t ) ( 2 一1 4 ) x ( 氏+ 1 3 3 9 5 1 0 。x h ) 由式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 可知：气压p 和气压比p p o 是温度t 、干空气相 对密度j d 和绝对湿度h 的函数。三个基本大气参数的任何变化都会引起气压 的变化，气压是这三个大气基本参量的综合反映，因此，气压p 和气压比p p o 可以作为表征大气条件各参量对放电电压影响的特征量。 由式( 2 - 1 4 ) 易得 瓯d = 0 , 9 9 0 8 5 ( 2 1 5 ) 式中：占o 为参考标准大气条件下干空气的相对密度。由式( 2 1 5 ) 可知， 在参考标准大气条件下，千空气密度占9 9 0 8 5 ，而水汽密度则只占0 9 1 5 。 根据国内外大量的气象资料统计分析表明，海拔a ( t r a ) 与平均气压p o e a ) 之间满足以下关系 3 0 , 3 7 - 3 9 1 ，即 ! ：f 1 一旦r ( 2 - 1 6 ) 尸o l4 5 1 式中：h 为海拔高度，k m ；p 为海拔为日时的平均气压，妞a o 为标准参 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 考大气条件下的气压，为1 0 1 3k p a 。 从式( 2 - 1 6 ) 可知，气压的变化反映了海拔的变化。实验中可以用改变 气压来模拟海拔的变化，本论文实验中的气压是按式( 2 1 6 ) 对应的海拔选 取的。 2 3 空气间隙及试品绝缘子 棒一棒、棒一板是典型的对称和不对称间隙。研究结果表明，送电线路 外绝缘中，所有电极形状对称的间隙( 如导线一导线) 都接近或相当于棒一棒间 隙。所有电极形状不对称的间隙( 如导线一隧道壁) 都接近于棒一板间隙。 论文在确定隧道净空绝缘间隙的实验研究中选取棒一板间隙。在人工气候室 内，棒一人工气候室金属内壳即相当于棒一板间隙，人工气候室拱形金属内 壳形状类似隧道的拱顶，可以模拟实际条件进行实验，只要其间隙长度与周 围金属部件的距离满足i e c 的要求( 即棒端头与周围金属部件的最短距离是 棒一板间隙长度的2 2 5 倍) ，则可认为实验结果有效。 为比较和分析，实验选择二种形式的棒一板间隙：一种为p 型棒一板问 隙，棒的放电端头为平头( 如图2 一l 所示) ：一种为z 型棒一板间隙，棒的放 电端头为锥体，锥头为直径为2m m 圆球体，锥体呈3 0 。的角度( 如图2 2 所示) 。 2 4 5 。 图2 一lp 型棒端头几何尺寸图2 - 2z 型棒端头几何尺寸 另外，实验还选择铁路供电常用的x w p 2 7 0 、q b n 2 2 5 、f x b w - 2 7 5 1 0 0 一 i i 、f x b w 一2 7 5 1 0 0 一1 1 1 四种绝缘子进行研究，各种绝缘子结构形状如图2 - 3 所示，技术参数见表2 一l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( a ) x w p 2 - - 7 0 ( b ) q b n 2 2 5 飞二习型 ( c ) f x b