非标准大气条件的修正方法

前面的分析讨论中都没有涉及空气间隙高海拔修正这个问题，然而云广特高压工程的楚雄换流站海拔高度将近2000m，锦苏特高压工程的锦屏换流站海拔高度1530m，随着海拔高度的增加，空气逐渐变得稀薄，大气压力和空气相对密度都会下降，空气间隙的电气强度降低，放电电压随之下降；此外，由于受到空调系统的调节作用，对换流站阀厅内部进行修正时往往还需考虑湿度、温度等的影响，因此非标准气象条件下的外绝缘海拔修正仍然是特高压直流输电中值得关注的重要问题之一。

目前，国内外有多种现行标准和方法可进行海拔修正，但修正的结果存在一定的差异。有的方法只需要相应的海拔高度或者典型的气象条件，就可计算得到海拔修正系数，应用起来非常方便，在相关数据缺乏时具有一定应用价值，但相对来说显得粗糙；有的方法考虑的因素较多，需要工程所在地的详细气象数据，但这些数据往往难以获得，应用起来也相对复杂。这里将介绍几种主要的高海拔修正方法以及中国电力科学研究院对高海拔修正进行试验后得到的结论。

1）IEC 60071-2：1996《绝缘配合第二部分：应用导则》方法

文献[14]中给出了空气间隙耐受电压从标准气象条件校正至2000m时的海拔校正公式为

式中，H为超过海平面的高度；m是与电压类型和空气间隙结构相关的修正因子，修正雷电冲击和工频耐受电压时取为1，修正操作冲击时m是操作冲击耐受电压Ucw的函数，如图18-14所示，图中各曲线分别是：a，相地绝缘；b，纵绝缘；c，相间绝缘；d，棒板绝缘。

图18-14　修正因子m

换流站极母线操作冲击绝缘耐受水平为1600kV，其空气间隙属于相地绝缘，所以选择曲线a，查得修正因子m=0.49，以2000m海拔修正为例计算：

其他不同海拔高度的校正系数计算结果列于表18-10。

表18-10　不同修正方法的校正系数比较

2）DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》方法

文献[3]在附录D中给出了如下的海拔修正方法，当外绝缘所在地区的气象条件异于标准气象条件时，放电电压按下式校正：

式中，u为实际放电电压；u0为标准大气条件下的放电电压；δ为相对空气密度；H为空气湿度校正系数，对操作冲击取为H=1+0.009×（11-h），h为空气绝对湿度，可在该标准中查找到对应不同海拔高度的值（或采用实测值）；n为特性指数，对于正极性操作冲击取n=1.12-0.12li，其中空气间隙距离li的适用范围为1～6m，当li超过6m时推荐n按照6m的空气间隙取，即n=0.4。

以2000m海拔修正为例，δ=0.824，h=5.33g/m3，计算海拔修正系数为

其他不同海拔高度的校正系数计算结果同样列于表17-10。

3）GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》方法

文献[15]中规定，对用于海拔高度高于1000m，但不超过4000m处的设备外绝缘及干式变压器的绝缘，海拔每升高100m，绝缘强度约降低1%。在海拔不高于1000m的地点试验时，其试验电压应为该标准规定的额定耐受电压乘以如下的海拔校正系数，为

式中，H即为设备安装点的海拔高度。

需要指出的是，这个标准规定的设备外绝缘额定耐受电压已经考虑了海拔1000m及以下的气象条件变化对设备外绝缘放电电压的影响，故该方法认为无需对海拔在1000m及以下的设备进行外绝缘修正。但是，目前特高压直流输电系统的设备绝缘耐受电压并非按照该标准选取，因此这个方法并不适用于±800kV特高压直流换流站空气间隙的海拔修正。

4）IEC 60060-1：2010《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》方法

文献[16]与文献[17]中所述的方法基本一致，即为“g参数法”，前者根据近年来的研究成果，对方法的细节之处进行了略微修正。该方法规定放电电压按如下公式校正：

式中，U为实际放电电压；U0为标准大气条件下的放电电压；Kt为大气校正系数，是空气密度校正因数k1和湿度校正因数k2的乘积，为

（1）大气密度修正系数k1

空气密度对间隙的击穿电压有较大的影响，主要原因是空气密度变化时，分子间的平均距离发生变化，直接影响到电子的平均自由行程，从而间接影响间隙气体的电离过程，改变间隙的击穿电压。

当海拔高度增加时，空气压力下降，密度减小，所以电子的碰撞电离过程中的平均自由程变大，在运动过程中可以积累更大的能量，在间隙距离较大的情况下，气体的电离过程变得更加剧烈，所以间隙的击穿电压下降。

当温度增加时，电子的自由行程增加，积累的动能也增加，更容易造成气体电离；另外，温度增加，气体分子本身的热动能也增加，所以导致气体的热电离增加，这也会导致击穿电压的下降。所以，在其他条件一定时，温度越高，气隙的击穿电压越低。(www.xing528.com)

空气相对密度定义为

式中，b是空气压力；b0为标准大气压，101.3kPa；t是空气温度；t0是标准气象条件下的温度，20℃。

空气密度对击穿电压的影响，通过大气密度修正系数k1来表示，定义为

因子m的取值方法将在后面介绍。

（2）湿度修正系数k2

湿度对击穿电压的影响比较复杂。实验表明，均匀电场中空气的放电电压随湿度的增加而增加，但程度极微。但在极不均匀电场中，空气的湿度对提高间隙击穿电压的效应就很明显。原因可能是水分子容易吸收电子而形成负离子，电子形成负离子后自由行程大减，在电场中发生碰撞电离的能力也大大减弱。随着湿度的增加，电子被水分子吸引而成为负离子的比例增加，负离子的质量较大，直径也较大，所以大大削弱了电子碰撞电离能力，从而削弱了间隙的电离过程，提高间隙的击穿电压。另外，在极不均匀电场中，平均场强较低，电子运动速度较慢，很容易被水分子俘获成为负离子。基于以上原因，湿度的增加会导致击穿电压的增加。

湿度修正系数定义为

式中，k由h/δ和电压类型共同确定，具体关系如式18-29所示，因子w的取值方法将在后面介绍。

（3）因子m和w的选取

标准IEC 60060-1：2010中定义了参数g，如式（18-30）所示，该参数可用于确定因子m和w。

式中，L为最小空气距离；δ为相对空气密度；k为上小节中由h/δ和电压类型共同确定的参数。因子m和w与参数g的关系由图18-15确定。

图18-15　因子m和w与g参数的关系

IEC 60060-1：2010标准提供了这组曲线的近似函数关系如表18-11所示。

表18-11　m和w与参数g的函数关系

该修正方法在实际应用中需要取得包括温度、湿度在内的大气条件，且必须进行迭代计算，使最终的最小空气净距d收敛，适合应用在换流站阀厅内部的空气净距设计中。

5）中国电科院关于空气间隙50%操作冲击放电电压高海拔修正的试验

中国电力科学研究院联合云南电力试验研究院曾经在昆明的试验场进行过±500kV直流换流站户外极母线对遮拦空气间隙的操作冲击50%放电电压试验，根据试验结果推荐过Ka=1.11的2000m海拔修正。为更详细地掌握±800kV特高压直流换流站外绝缘高海拔修正的特点，以有利于特高压换流站的外绝缘设计，电科院和云南电力试验研究院再次在北京、昆明等地开展了特高压极母线空气间隙等相关试验，对试验结果进行分析后，提出了海拔2000m左右的校正系数[18]。

在海拔对比试验中，选用的极母线为直径250mm，长度约6m的铝管，母线两端安装有管径200mm，外径约为800mm的均压环。试验中模拟的接地体为16m×16m的铁丝网，铝管与接地体之间的空气间隙距离在3～8m之间变化。北京和昆明试验现场的试品布置示意图如图18-16所示，两地获得的50%操作冲击放电电压试验曲线如图18-17所示。

图18-16　中国电科院进行的海拔修正试验示意图

图18-17　不同试验地点的操作冲击放电特性

试验结果表明，当极母线对接地体空气间隙距离在5～8m范围时，两地的50%操作冲击放电电压相差约9.6%～8.0%，考虑到在两地试验中已经保持了试品布置和试验方法的一致性，因此可以认为这个差值就是两个试验场地处于不同海拔高度造成的。北京试验基地的海拔高度约为50m，昆明试验基地的海拔高度约为1980m，由此可近似认为极母线对地空气间隙的2000m海拔修正系数在1.10～1.08之间[18]。

最终，电科院根据一系列相关试验，推荐了±800kV直流工程在2000m海拔地区空气间隙操作冲击放电电压的校正系数，建议统一取为1.12，如表18-10所示。

表18-10列出了两种修正方法和电科院试验的结果。电科院的结果是根据实际试验所作的推荐，相对可靠，但如果需要不同海拔高度的修正值时，必须选择地点再次试验，难度和工作量都很大。IEC 60071-2：1996《绝缘配合第二部分：应用导则》方法和DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的方法，所需要的参数较少，应用起来比较方便，且前者在2000m海拔的修正结果与电科院试验的推荐值一致，因此在缺乏换流站所在地实际大气条件时，可以采用IEC 60071-2：1996推荐的方法。

由于IEC 60060-1：2010《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》提出的“g参数”法无法简单地计算不同海拔高度的修正值，因此上表中未列出该方法的结果。在换流站阀厅空气净距设计时，往往需要考虑阀厅内部气压、温度和湿度的共同影响。“g参数”法虽然计算过程复杂，但能够全面考虑这些因素，因此该方法也是直流工程中，特别是换流站阀厅空气净距设计中值得推荐采用的方法。