高原地區(qū)的電氣設(shè)備影響及選擇

田冰冰

（中鋼集團(tuán)耐火材料有限公司，河南 洛陽 471039）

高原地區(qū)的電氣設(shè)備影響及選擇

田冰冰

（中鋼集團(tuán)耐火材料有限公司，河南 洛陽 471039）

分析高海拔、空氣稀薄、溫度變化大等自然條件對電氣設(shè)備的影響，在高原地區(qū)的電氣設(shè)計因有其特殊要求，應(yīng)充分考慮對高壓開關(guān)設(shè)備、電力變壓器、低壓斷路器等設(shè)備進(jìn)行校驗；在高海拔地區(qū)的特殊氣候環(huán)境下如何選擇等問題。

耐壓試驗電壓；溫升限值；電氣間隙修正；額定電流校驗

1 概述

（1）海拔超過1000m的地區(qū)稱為高海拔地區(qū)。高海拔地區(qū)，由于海拔升高，空氣密度降低，散熱的對流作用減弱，會使電工產(chǎn)品的散熱效率降低，溫升就隨之升高，空氣介質(zhì)強(qiáng)度的降低、以及空氣冷卻效應(yīng)降低，都是低空氣密度引起的，同時也降低電氣設(shè)備的空氣絕緣強(qiáng)度以及介質(zhì)絕緣強(qiáng)度，外絕緣表面及不同電位的帶點(diǎn)間隙容易被擊穿，對電氣間隙和爬電距離的影響會很大。

設(shè)備數(shù)據(jù)及電氣參數(shù)一般情況下是在正常低于1000米海拔的使用環(huán)境之下實(shí)驗而得的，也是在同等條件下生產(chǎn)出來的，設(shè)備參數(shù)均為海拔2000m以下使用，環(huán)境溫度要求不超過+40℃，不低于-5℃。因此，在高原環(huán)境地區(qū)要對電氣設(shè)備的選擇就有很多條件限制和要求，需要根據(jù)實(shí)際自然環(huán)境進(jìn)行不同的選擇。

（2）筆者以中鋼耐火天祝碳化硅項目為背景，淺析一下高海拔地區(qū)電氣設(shè)計選型及應(yīng)注意的問題，以利于其他電氣設(shè)計人員在進(jìn)行高原地區(qū)項目設(shè)計時參考。

項目背景：天?？h位于甘肅武威市，地勢南高北低，是我國境內(nèi)三座高原的交匯處（內(nèi)蒙古高原、黃土高原和青藏高原），海拔在2050～4880米之間。該地區(qū)屬于寒冷的高原性氣候。根據(jù)地方氣象部門提供資料顯示，年均日照時數(shù)在2450－2650小時之間，冬季環(huán)境溫度低于-25℃，相對無霜期約120天左右，降雨量年均450毫米左右，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度。

2 電氣設(shè)備性能在高原地區(qū)氣候條件下變化特點(diǎn)

惡劣的自然氣候條件，較低的空氣壓力、密度和空氣溫度，較小的空氣絕對濕度，較大的早晚溫差，高太陽輻射照度，極少的降水量以及長時間凍土期等高原地區(qū)的特點(diǎn)，很大程度上造成電氣設(shè)備性能的下降，其具體表現(xiàn)為以下幾方面。

2.1 設(shè)備電氣性能減弱的主要原因是空氣壓力或空氣密度的降低

首先，低空氣壓力或空氣密度，是電氣設(shè)備外絕緣強(qiáng)度降低的主要原因。其額定電流可以保持不變，外絕緣強(qiáng)度就會隨著空氣密度的減小和濕度的下降而降低，正常的絕緣距離就明顯不能滿足。供配電首先要考慮的是絕緣問題，絕緣水平對運(yùn)行的安全至關(guān)重要。

其次，是表現(xiàn)在電氣間隙擊穿電壓上。為了加強(qiáng)電器產(chǎn)品的耐擊穿能力，那么在高原高寒環(huán)境下,必須以加大電氣間隙作為解決辦法。

第三，做為開關(guān)電器，低氣壓、低氣密對以空氣為介質(zhì)的滅弧性能、分?jǐn)嘈阅苌嫌泻艽蟮姆聪蜃饔?，這就使電氣設(shè)備使用壽命大大縮短。作為一個電氣設(shè)計人員，都希望自己設(shè)計的產(chǎn)品性能和使用壽命達(dá)到最佳使用效果，那么在設(shè)計時就要認(rèn)真考慮開關(guān)電器的這些性能提升問題。

第四，造成以空氣為介質(zhì)的電氣產(chǎn)品冷卻效應(yīng)有所下降, 電器產(chǎn)品中多數(shù)以自然對流為主要散熱方式，這就降低了散熱能力，增加了設(shè)備的溫升，間接導(dǎo)致電氣產(chǎn)品的絕緣性能下降。

對管道中的兩相流，作如下基本假設(shè)：①不考慮兩相間的相對速度(運(yùn)動)，在同一斷面上，氣相和液相的速度在每一瞬間均相等，都等于混合體的速度；②因按一維流態(tài)分析，所以一些物理量如流速、密度和壓力等均按斷面平均值計算；③不計氣泡的表面張力。

第五，在產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)和密封上，也有很大的變化。

能發(fā)生物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，主要表現(xiàn)在低密度、低濃度、多孔性材料上；由于空氣壓力或空氣密度的降低，加大了電氣設(shè)備內(nèi)外壓力差，造成設(shè)備內(nèi)部的氣體或液體從密封容器中泄漏，這樣就對電氣設(shè)備埋下了極大的事故隱患，對于密封要求嚴(yán)格的電氣產(chǎn)品來說，就極大的降低了設(shè)備的電氣性能和絕緣強(qiáng)度；而且可能因為承受壓力的變化，還會致使容器破裂或爆炸，例如高壓斷路器的真空泡。

2.2 空氣溫度降低及溫度變化同樣也是引起設(shè)備性能的變化的原因

日夜溫差大是高原空氣溫度的特點(diǎn)。較大的溫度變化在電氣設(shè)備以及高低壓配電室內(nèi)極易產(chǎn)生凝露，凝露會使產(chǎn)品外殼變形、開裂、絕緣降低、瓷件碎裂、密封結(jié)構(gòu)容易破裂等。對于高壓開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)氧樹脂澆注產(chǎn)品，如電流電壓互感器、絕緣件等影響很大。

在戶外使用的電工產(chǎn)品和電氣設(shè)備由于受到強(qiáng)烈的太陽輻射強(qiáng)度而溫度增高，在空氣中的氧氣和水分的作用下，還會使有機(jī)絕緣材料和涂料的老化加速，以及縮短電氣設(shè)備的使用壽命等。

1.3 空氣絕對濕度減小同樣關(guān)系著電氣設(shè)備的使用安全

平均絕對濕度是隨海拔升高而降低 。當(dāng)絕對濕度降低時，就會使空氣的介電系數(shù)降低，介電絕緣強(qiáng)度降低，同樣會使電氣產(chǎn)品的外絕緣強(qiáng)度降低，因此在設(shè)計選型時，一定要對電氣產(chǎn)品的工頻放電電壓與沖擊閃絡(luò)電壓以零海拔時的平均絕對濕度：11g/m3為基準(zhǔn)，按GB311.2中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行濕度修正。

3 高海拔地區(qū)的電氣開關(guān)設(shè)備選擇

（1）海拔為1000～5000m之間，以每增高100m作為海拔間距，大氣氣壓也會以每個間距為階梯降低0.8～1kPa；由于低氣壓的原因，造成空氣電離進(jìn)而降低了介電強(qiáng)度，使電氣設(shè)備的冷卻能力下降，致使電氣開關(guān)滅弧受阻，這才是導(dǎo)致電氣設(shè)備溫度升高的主要原因。如果在高原地區(qū)使用普通電氣設(shè)備，不僅高原適用性問題得不到解決，而且設(shè)備故障會頻頻發(fā)生，加大設(shè)備維修量，減短設(shè)備使用壽命。但也不能盲目選用某些高原產(chǎn)品，使設(shè)備絕緣裕度很大，從而使工程的建設(shè)費(fèi)用提高，浪費(fèi)資金。因而，針對高原地區(qū)的設(shè)備選型有其特殊的要求，在選用時，要充分考慮高原地區(qū)的惡劣條件，需要對選用高原型的電氣設(shè)備產(chǎn)品校驗其電氣參數(shù)，這樣才能保證設(shè)計的科學(xué)性、完整性，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠地保證。

（2）高壓開關(guān)設(shè)備的選擇方法。作為高壓開關(guān)設(shè)備，那么在高原環(huán)境下，性能變化尤為突出。以10kV中壓開關(guān)柜為例，各個生產(chǎn)廠家正常的技術(shù)參數(shù)均為國家標(biāo)準(zhǔn)：額定電壓為12kV；額定工頻耐壓值（有效值）為42kV；額定雷電沖擊耐壓為75kV。那么要將其安裝在高海拔地區(qū)，試驗地點(diǎn)在海拔低于1000m進(jìn)行，就必須根據(jù)實(shí)際海拔高度需對絕緣耐受電壓乘以海拔修正系數(shù)Ka來進(jìn)行修正。

式中：H ——海拔；

m ——指數(shù)（工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓是取1；縱絕緣操作沖擊電壓取0.95；相對地操作沖擊電壓取0.75）。

圖1 校正系數(shù)a與海拔關(guān)系

由此可得，天祝地區(qū)Ka取1.215，相應(yīng)的耐壓值增加約21.5%，見圖1。

（3）電力變壓器。對于平時常用的環(huán)氧樹脂干式變壓器來說，根據(jù)GB1094.11-2007《電力變壓器·第11部分·干式變壓器》中第11.1條~11.3條的規(guī)定，對于在超過1000m海拔處運(yùn)行，并在正常海拔進(jìn)行試驗的變壓器，其溫升限值應(yīng)相應(yīng)遞減，超過1000m海拔部分以第500m為一級，按下列數(shù)據(jù)相應(yīng)降低：對自冷變壓器2.5%, 對于風(fēng)冷變壓器5%，因此，作為高海拔地區(qū)的天祝縣，同時還要滿足低于-25℃正常運(yùn)行的條件，應(yīng)選擇C2型干式變壓器，同時要對溫升限值進(jìn)行校正，計算方式：（2640-1000）/500×5%=16.4%；（2640-1000）/500×2.5%=8.2%。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，當(dāng)變壓器在海拔4000米以下運(yùn)行時，海拔高度每提升100米，變壓器的絕緣強(qiáng)度會隨著相應(yīng)的階梯降低1%，而其試驗在正常環(huán)境下進(jìn)行時，其額定耐受電壓值根據(jù)表1修正系數(shù)進(jìn)行修正。

表1

（4）低壓電氣設(shè)備的選擇方法。低壓電氣設(shè)備中低壓成套開關(guān)設(shè)備的主開關(guān)選型尤為重要，最好選配高一級的絕緣電壓等級為宜，一般情況下低壓電網(wǎng)的額定電壓是400V，在高海拔地區(qū)，為了減輕高海拔低氣壓的影響，可以選用高絕緣電壓等級（690V或1kV）的框架開關(guān)和塑殼開關(guān)，增強(qiáng)電氣產(chǎn)品的外絕緣強(qiáng)度；同時選用針對高原地區(qū)進(jìn)行過特殊處理，以及增加爬點(diǎn)比距和電氣間隙的電流互感器，以確保二次側(cè)的工頻耐壓等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，二次側(cè)弱電元器件按正常的元器件參數(shù)進(jìn)行選擇。

（1）電氣間隙是低壓電氣設(shè)備使用在高原環(huán)境的主要技術(shù)數(shù)據(jù)之一。作為以空氣絕緣為主的產(chǎn)品，在高原環(huán)境下，電氣間隙修正尤為重要，具體修正系數(shù)可按《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求》（GB/T 20626.1-2006）給出的圖表進(jìn)行修正計算：本工程選用的低壓成套設(shè)備以海拔0m作為為基準(zhǔn)進(jìn)行修正，其正常空氣最小間隙為8mm，當(dāng)其用于本工程海拔2640m時，那么選用產(chǎn)品時的最小電氣間隙應(yīng)為8mm×1.386=11.088mm。

（2）作為高原環(huán)境下低壓電氣設(shè)備的重要參數(shù)工頻耐壓和沖擊耐壓，也要根據(jù)高海拔的具體情況進(jìn)行修正。 具體系數(shù)取值以設(shè)計手冊為主，在海拔2000m及以下時，常規(guī)型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊耐受試驗電壓為4kV，本工程使用地點(diǎn)為海拔2640m，試驗地點(diǎn)設(shè)在生產(chǎn)單位所在地，海拔低于1000m，其沖擊耐受電壓試驗值應(yīng)按3000米海拔進(jìn)行修正：4×1.25=5kV。

（3）斷路器在高原地區(qū)如何選擇的降容。作為低壓電氣的終端設(shè)備，其修正相對要簡單些，設(shè)計時均可以以電氣設(shè)備廠家給出的修正方法進(jìn)行修正 。表2是本項目使用的電氣設(shè)備廠家施耐德電氣給出的斷路器的降容修正表(以下產(chǎn)品工作環(huán)境均為溫度-25～70℃)。

表2 施奈德低壓終端產(chǎn)品

本工程所在地天?？h，海拔高度為2640米，根據(jù)廠家提供的表格選擇降容系數(shù)0.96進(jìn)行修正。

（4）溫升、熔斷器及脫扣器的動作特性影響。高原環(huán)境下，一般低壓電器產(chǎn)品，其動、靜觸頭、導(dǎo)電線圈等部分的溫升會隨著海拔升高而遞減，海拔升高100m，溫升增加0.1～0.5℃，而高海拔地區(qū)的氣溫遞減率為海拔每升高100m，氣溫降低0.5℃，因此可認(rèn)為氣溫降低值全部補(bǔ)償。試驗表明，對于低壓熔斷器，由于環(huán)境溫度的降低而增加過載熔斷時間，在20℃以下時，變化會更大；而短路熔斷時間基本不會隨環(huán)境溫度而變化，因此設(shè)計人員在設(shè)計高原地區(qū)選用的熔斷器作為配電線路的過載和短路保護(hù)時，應(yīng)特別注意其環(huán)境溫度對過載的影響。高原環(huán)境對采用電子脫扣器的低壓電器產(chǎn)品的脫扣動作特性基本沒影響，但應(yīng)充分考慮電子功率元件的散熱問題。

4 結(jié)語

我國幅員遼闊，高海拔地區(qū)的占有率在世界上也是獨(dú)一無二的，國土面積的30%左右都是海拔超過2000m的高原面積；約60%面積是在是海拔1000m以上，氣候環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。由于高原地區(qū)環(huán)境特殊，工程施工受環(huán)境影響，在冬季氣溫過低時，無法進(jìn)行正常施工，停工時間大約有5個月左右，所以為保證工程按時交付使用，在選擇電氣設(shè)備時，尤為注意對高低壓電氣耐壓、絕緣、額定電流校驗上。馬虎大意，就會因惡劣的自然環(huán)境造成嚴(yán)重的后果，輕微的使產(chǎn)品不能發(fā)揮正常功能或使用壽命縮短，嚴(yán)重的造成電氣事故，設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞甚至爆炸，危及人身安全。因此電氣設(shè)計人員在選擇高原型電氣產(chǎn)品時，針對電氣產(chǎn)品使用的高原環(huán)境、海拔高度等級，要作出一一說明，以此保證工程的進(jìn)度和質(zhì)量，同時還要把握設(shè)備的通用性、互換性、適用性等問題，以便于設(shè)備正常運(yùn)行后的檢修維護(hù)問題。

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等編.工業(yè)與民用用配電設(shè)計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2005:205-206；900-903.

[2]方大千等編著.高低壓電器速查速算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2004:4-12.

[3]西安高壓電器研究所、武漢高壓研究所、昆明電氣科學(xué)研究所、機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所.特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求.GB/T20626.1-2006[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司、昆明電氣科學(xué)研究所、機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所.特殊環(huán)境條件高原用低壓電器技術(shù)要求.GB/T20645-2006[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[5]中國電器工業(yè)協(xié)會等.電力變壓器第11部分：干式變壓器.GB1094.11-2007[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

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