高原环境条件及其对输配电设备的影响
云南省电力试验研究所  文华  蒋石林 

摘要：介绍我国高海拔环境条件，包括气压、气温、太阳辐射等有关环境参数值，以及高原环境条件对输配电设备的影响。

主题词：高海拔；环境条件，输配电设备 

    1、前言

全世界海拔2000m以上的陆地面积达1980万km²，中国海拔1000m以上的土地面积约占全国陆地总面积的60%左右，2000m以上的面积约占33%，3000m以上的面积占16%，这些地区有着丰富的资源急待开发，如水电资源，约占全国水电资源的75%以上，在国家“西部大开发”战略的实施中，开发水电能源，实现“西电东送”是一个重要内容。因此了解高海拔地区的环境条件及其对输配电设备的影响，有着重要的现实意义。

    过去，对高海拔环境条件及其对输配电的影响进行过一些研究并得到一定的成果，但总的来说研究还远远不够，难以满足输配电工程建设和运行的需要，有必要进一步全面研究，提高输配电设备和产品的质量，使其更适合高海拔环境条件下的安全运行需要。

    2、高原气候的特点及有关气候参数

    高原气候的特点是气压低、年平均气温低、日温差大、太阳辐射强度大等。

    2.1 气压、空气密度和湿度

    气压、空气密度和湿度与海拔高度关系密切。在地球引力的作用下，空气依附在地球周围并形成大气压。空气在地球引力的作用下，具有一定的重量，离地球表面越远（即海拔越高），气压越低，空气密度越小，湿度也越小。在1~5km范围内，气压的递减率一般为10kpa/km。在同一高度上的大气压又随地理纬度的增加而降低，

    随着海拔的增加，气压、空气密度和湿度都在下降。下表列出不同海拔高度的大气压。

不同海拔高度的大气压、空气密度和湿度

    从上表可以看出，在3500m处的大气压仅为海平面大气压的65.5%。

    2.2 气温

    气温是距地面1.5m高度处测得的空气温度。

    大气对流层的最大特点是气温随海拔的升高而降低。在自由大气中，平均海拔每增加100m，气温降低0.65 °C，实际上对流层各高度的递减率是不同的。

    最高日平均气温是各年记录中每天平均气温的最高值，取多年平均值。    最高日平均气温大约每升高100m，气温下降0.5°C。

1km~5km最高日平均气温分别为30°C、25°C、20°C、15°C、10°C。

    随着海拔高度的增加，年平均温度随之下降，1km~5km年平均气温分别是20℃、15℃、10℃、5℃、0℃。

    最大气温日相差的大小与纬度、云量、海陆分布、地势、地表性质、海拔高度和季节等因素有关。据统计，1km~5km海拔地区年最大气温日变化的多年平均值一般都在20℃~30℃之间。

    2.3 太阳直接辐射最大强度

    地球上气候不同的根本原因就是太阳辐射，太阳辐射的强度决定地理纬度。但随着海拔高度的增加，太阳光线通过大气的厚度、空气密度、水汽和悬浮物质都相应减少，太阳光透过度愈大，到达地面的辐射强度较强，由于夏季和冬季气温相差较大，夏季气温较高，因此，太阳辐射的数据是统计夏季6~8三个月太阳直接辐射最大强度值。

    1km~5km太阳直接辐射最大强度分别为1011、1064、1118、1171、1225（W/m2）。从以上的数据可以看出，随着海拔的增加，太阳直接辐射强度增大。海拔高度增加1000m，太阳直接辐射强度约增加54W/m2 。

    3、高原环境对输配电设备的影响

    3.1 低气压的影响

低气压对输配电设备的影响主要表现在对输配电设备的外绝缘性能下降和温升增加上。

3.1.1 对外绝缘的影响

输配电首先要考虑绝缘问题，绝缘水平对运行的安全至关重要，也是影响线路和设备造价的一个主要因数。随着海拔高度的增加，外绝缘放电电压会相应降低，这不仅影响输配电变电设备外绝缘的选择，而且影响线路绝缘子型式和片数的选择，影响线路杆塔塔头和变电构架的尺寸大小。高海拔的影响实际是大气参数，主要是空气密度和湿度的影响，外绝缘会随着空气密度的减小和湿度的降低而降低。

电晕和无线电干扰是高海拔输配电的又一突出问题，特别是超高压输电。电气设备和线路导线的起晕电压会随海拔的升高而降低，还受湿度的影响，在一定湿度范围内，湿度越大，起晕电压越低。例如昆明地区，海拔近2000m，相对空气密度为0.8左右，如果直接采用平原地区使用的导线、绝缘子和金具等产品，运行电压下电晕问题将十分突出，它会加大线损和无线电干扰，严重时还可能发生线路电晕舞动，对线路的安全经济运行造成威胁。

参考文献[1]中规定有对高海拔外绝缘工频试验电压的校正方法，即当海拔在1000m以上时，高度每升高100m，外绝缘校正1%，经验表明，这样得到的结果与实际情况有差距。另外，海拔相同，纬度不同的地区，大气压、空气密度和湿度是也不一样。

    目前还没有污秽情况下如何对外绝缘工频电压闪络特性的校正的标准。但国内外的研究和我们开展的有关试验研究结果说明随着气压的降低，染污绝缘子的工频污闪电压也在降低。绝缘子污闪电压与气压的关系可以表征为：

                   U=U₀（P/P₀）ⁿ

    即：可以将在大气压力为P₀时的污闪电压值U₀换算到大气压力P时的污闪电压值U，式中n为特性指数，它反映了绝缘子污闪电压随气压降低的程度。

    国内外和我们的试验结果都表明，随着污秽程度的增加，n值也随之增大，盘径相近的绝缘子n值相同。

同时我们的研究结果还表明，在高海拔地区，绝缘子串安装形式对污闪电压有一定的影响，几种不同材质、类型的普通型悬式绝缘子，在相同的人工污秽度下，总体而言，其V形布置时的污闪电压比I形布置时有所提高，但提高幅度仅为3%—8%，与平原地区提高幅度达25%—30%的研究结果有较大差异。

    3.1.2 对温升的影响

    输配电设备在运行中要消耗一部分电能变成为热能，导致温度升高，这温度升高部分称之为温升。温升随大气压的降低而增加，随海拔高度的增加而增加。一般来说，海拔高度每升高100m，设备温升升高0.5~1.0℃。 

    3.2 温差的影响

    日温差大、风沙大，引起热胀冷缩变化剧烈，使设备密封不易保持，密封材料老化快，产生渗漏。

    由于低温、昼夜温差大，使仪表中的线性元件特性发生线性变化，测试仪表（包括压力表、液压表、流量计等）普遍存在精度降低、重复性差，零点漂移严重。

　　橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其硬度、扯断强度及伸涨率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势。

由于昼夜温差大，温度变化快，设备外绝缘表面容易产生凝露，在低气压、污秽等综合作用下，绝缘强度急剧下降，极易产生运行电压的绝缘闪络事故。

    3.3 太阳辐射的影响

    高原地区日照强烈，紫外线强度大，会促使绝缘材料老化加快，特别是有机绝缘材料，会加速油漆涂层的老化和龟裂。 

    4、云南高海拔超高压交直流输变电试验基地和研究工作简述

    已建成的试验基地是一个多参量交直流高电压试验研究基地，位于昆明市东郊，海拔高度1970米，占地18670m²，建有35m长、15m宽、15m高的超高压试验大厅，2000m²综合试验楼，5000 m²超高压户外试验场，配置了3600kV冲击电压发生器一套，750kV SF6绝缘的交流试验装置，±1200kV 20mA直流电压发生器、±250kV 400mA直流污秽试验系统、250kV 4A交流污秽试验系统、10m´10m´10m雾室和配套的蒸汽雾、盐水雾装置等设备。

    已完成的主要研究项目如下：

    1)高海拔超高压500kV外绝缘的实验研究工作，如3-6m导线—塔窗空气间隙，3-6m棒—棒和棒—板典型电极空气间隙，ZB32和ZV32真型塔塔头空气间隙以及XP-16、ME160、FC160/170、 CA-580EY和LXY₃-160等绝缘子串的雷电和操作冲击试验；

    2)气象影响因素的研究，如空气密度和湿度影响的研究，关于空气湿度测量准确性的研究；

    3)高海拔电晕问题的研究，500kV线路绝缘子串分布电压、电晕特性和金具如电晕特性以及起晕电压与空气密度和湿度的关系的研究；

4)高海拔条件下XP-16、XWP5-16、FC160/170、 CA-580EY和LXY₃-160绝缘子交流人工污秽闪络特性的试验研究；

5）高海拔条件下LXZY-160、LXZY-210型直流绝缘子和硅橡胶合成绝缘子人工污秽闪络特性的试验研究。 

    5、结束语

    由于高原环境的特殊条件，对输配电设备和系统带来了一系列不利的影响。因此对某一高原地区的输变电建设，需要全面调查和统计当地是气压、空气密度和湿度，并开展设备外绝缘、温升、材料老化的相关研究，全面评估对设备和系统带来的影响，开发高原型适应性产品，才能保证输配电设备和系统的安全经济运行。 

参考文献

[1] 昆明电器科学研究所  电工产品高海拔环境条件 [S].

[2] 云南省电力工业局  漫昆输变电工程 科技出版社

[3] GB311.1—1997 高压输变电设备的绝缘配合 [S]

[4] 云南高原超高压输电特殊问题的研究 [J] 云南电力技术 1994.1

[5] 高原超高压输电线路外绝缘的试验研究 [J] 云南电力技术 1994.1

[6] 郑增泰 高海拔地区起晕电压与空气密度和湿度的关系综述 [J] 云南电力技术 1991.1

[7] 郑增泰 高海拔对外绝缘放电电压影响的研究小结 [J] 云南电力技术 1993.1

[8] 姜虹云 高海拔地区交流人工污秽特性试验研究 [J] 云南电力技术 2001.1