高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用研究與探討

華電（那曲）新能源有限公司 郭海東 中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司 王 波 尉若帥

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電力設(shè)施在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，高海拔地區(qū)的特殊環(huán)境卻給電力設(shè)施的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)維等工作帶來挑戰(zhàn)。高低壓柜作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其在高海拔地區(qū)的應(yīng)用面臨著更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。高海拔地區(qū)的氣壓、氧氣含量、溫度等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)高低壓柜的電氣性能和安全性能產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致高低壓柜的失效和事故的發(fā)生。對(duì)于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維工作，研究高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用問題，提出適應(yīng)高海拔環(huán)境的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。本文旨在探討高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用問題，為相關(guān)工作提供參考和借鑒。

2 高壓柜部分

海拔超過1000m的地區(qū)稱為高海拔地區(qū)。高海拔地區(qū)，因空氣稀薄，氣壓降低和大氣密度的減少，會(huì)使空氣的絕緣強(qiáng)度和散熱能力降低。海拔為1000～5000m，每增高100m，氣壓約降低0.8～1kPa；氣壓降低容易使空氣電離而降低介電強(qiáng)度，導(dǎo)致開關(guān)滅弧困難。

根據(jù)GB/T11022標(biāo)準(zhǔn)中絕緣試驗(yàn)部分的要求，對(duì)于處于大氣中的外絕緣是主要絕緣的開關(guān)設(shè)備均應(yīng)使用修正因數(shù)，對(duì)于只有內(nèi)絕緣的開關(guān)設(shè)備，周圍的大氣條件不產(chǎn)生影響，不應(yīng)該使用修正因數(shù)。故對(duì)于安裝在高海拔地區(qū)采用空氣作為絕緣介質(zhì)的開關(guān)柜必須對(duì)絕緣試驗(yàn)電壓作適當(dāng)修正，而SF6氣體絕緣開關(guān)柜的一次部分均安裝在SF6氣室內(nèi)，不受周圍大氣條件的影響，屬于只有內(nèi)絕緣的開關(guān)設(shè)備，海拔高度增加不影響其絕緣性能，不需要對(duì)絕緣試驗(yàn)電壓進(jìn)行修正，只需要提高氣箱強(qiáng)度即可滿足高海拔應(yīng)用的要求[1]。

SF6表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是空氣的2.5倍，散熱性能優(yōu)于空氣，且海拔每升高1000m，氣溫約降低-266.65℃，所以海拔高度增加，不會(huì)降低其散熱性能，故海拔高度增加不需要對(duì)SF6氣體絕緣開關(guān)柜的額定電流進(jìn)行降容。為保證高海拔環(huán)境下的氣箱強(qiáng)度，DQC-40.5產(chǎn)品采取以下措施。一是整體采用3mm 304不銹鋼板焊接，氣箱內(nèi)部采用大量20×30不銹鋼方鋼管焊接加固，在此基礎(chǔ)上再焊接一層3mm腹板再次加固。二是三工位一次部分與操作機(jī)構(gòu)采用加強(qiáng)板焊接，斷路器一次與機(jī)構(gòu)之間采用22mm厚硬鋁合金板，充分保證三工位隔離開關(guān)和斷路器在高海拔低氣壓環(huán)境下的機(jī)械性能。

3 低壓柜部分

3.1 加大電氣間隙及爬電距離

由于高海拔地區(qū)空氣稀薄，擊穿電壓隨之變小，根據(jù)國(guó)家規(guī)范GB/T16935.1)—1997 《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備絕緣配合》中表A2的海拔修正系數(shù)表，對(duì)所在海拔高度的低壓柜內(nèi)電氣間隙進(jìn)行驗(yàn)證。相應(yīng)的電氣間隙與爬電距離見表1。MNS型低壓抽出式開關(guān)柜如圖1所示。

表1 電氣間隙及爬電距離

圖1 MNS型低壓抽出式開關(guān)柜

3.2 電線與電纜

由于電線電纜靠固體絕緣，導(dǎo)電體不與大氣接觸，不受海拔高度的影響。

3.3 高海拔對(duì)溫升的要求應(yīng)隨環(huán)境溫度設(shè)定值而定

無論是低壓還是高壓，由于海拔高度越高，環(huán)境溫度越低，因此有人認(rèn)為允許的溫升應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增加，例如：低壓柜的某部件允許的溫升是-218.15℃，是在環(huán)境溫度為40℃時(shí)而言，也就是該部件最高溫度為40+55=95（℃）。當(dāng)海拔3000m時(shí)，比標(biāo)準(zhǔn)海拔高度2000m高出1000m。按1000m以上每高100m溫度降0.5℃計(jì)，環(huán)境溫度比海拔2000m低5℃，有人認(rèn)為當(dāng)該部件同樣允許運(yùn)行在95℃時(shí)，溫升應(yīng)為-213.15℃[2]。認(rèn)為這種認(rèn)識(shí)不對(duì)的，溫升是在指某設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下升高的度數(shù)。允許的實(shí)際溫度是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度加溫升值。不論當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度有多低，只要取設(shè)定的基準(zhǔn)值不變（如取40℃作基準(zhǔn)），溫升值亦不變。這樣各部件允許承受的最高溫度也不變，即在海拔1000m處承受95℃，在海拔5000m處也是能承受95℃。

當(dāng)然環(huán)境溫度的設(shè)定應(yīng)與實(shí)際情況相等，如果海拔4000m處最高持續(xù)環(huán)境溫度為25℃，則上述元件允許溫升為-203.15℃，總之，溫升離開環(huán)境溫度的設(shè)定值無意義。

3.4 導(dǎo)體及低壓電器元件

3.4.1 導(dǎo)電回路

雖然海拔高、空氣稀薄，造成散熱不良而影響載流能力。與中壓電器同樣道理，高海拔環(huán)境溫度低，由此對(duì)載流能力又進(jìn)行補(bǔ)償，綜合兩種因素后，可認(rèn)為海拔高度對(duì)載流沒有影響。

對(duì)于斷路器及其他控制電器，其內(nèi)部帶電主回路是有空氣絕緣部分，因此耐受電壓的能力是受海拔高度影響的。至于對(duì)載流量的影響，不同的廠家給出不同的參數(shù)，不能一概而論。由于高海拔空氣稀薄，斷路器的觸頭系統(tǒng)是與大氣相通的，這樣斷流能力肯定受到影響，但廠家許諾是斷流能力保持不變，在相應(yīng)的工作電壓下這一條件作前提的。例如，在2000m處，工作電壓為690A能分?jǐn)?0kA。同一臺(tái)這種斷路器在5000m處，在工作電壓降為420V情況下，也能分?jǐn)?0kA。

3.4.2 熔斷器及熱繼電器

在高海拔地區(qū)也會(huì)受到影響，但高度在4000m及以下范圍內(nèi)，受影響的范圍還在允許范圍之內(nèi)。也就是動(dòng)作特性曲線允許誤差帶的范圍內(nèi)。對(duì)于密封式熔斷器，若與大氣不聯(lián)系，對(duì)特性曲線應(yīng)無影響，若封閉不嚴(yán)，就受海拔高度影響，對(duì)全范圍保護(hù)的熔斷器，由于高海拔環(huán)境氣溫低，過載動(dòng)作時(shí)間偏大。對(duì)于短路保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間不受影響。

對(duì)于過載保護(hù)的熱繼電器，即使受到輕微影響，由于動(dòng)作值是在現(xiàn)場(chǎng)整定，因此可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，隨時(shí)進(jìn)行更改。

3.4.3 受絕緣強(qiáng)度的影響，要區(qū)分不同情況

如果全固體絕緣，不靠空氣附加絕緣，則海拔高度對(duì)絕緣強(qiáng)度無任何影響。如果采取空氣絕緣或固體絕緣與空氣附加絕緣的話，則受海拔高度影響。例如NS100斷路器在海拔不超過2000m時(shí)，介電強(qiáng)度為3000V，而在海拔4000m處，介電強(qiáng)度只有2100V。

3.4.4 繼電器及轉(zhuǎn)換開關(guān)測(cè)試

對(duì)繼電器及轉(zhuǎn)換開關(guān)等二次元器件，有人測(cè)試且實(shí)際運(yùn)行表明在4000m及以下可不作任何處理。

高壓部分：SF6氣體絕緣開關(guān)柜的一次部分均安裝在SF6氣室內(nèi)，在應(yīng)對(duì)高海拔項(xiàng)目時(shí)，只需要提高氣箱強(qiáng)度即可滿足高海拔的要求。

低壓部分：包含高壓柜的低壓操作部分，以及低壓柜，在應(yīng)對(duì)高海拔項(xiàng)目時(shí)，從兩個(gè)方面考慮，第一高海拔地區(qū)空氣稀薄，需加大主回路的電氣間隙及爬電距離，同時(shí)加大二次端子間的間隙；第二斷路器考慮降容，加大電流等級(jí)，同時(shí)二次元器件選用需考慮到高海拔影響，選用絕緣性能較高的產(chǎn)品，有高海拔業(yè)績(jī)的產(chǎn)品。

4 高低壓柜的制造工藝和材料選擇

高低壓柜是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其在高海拔地區(qū)的應(yīng)用面臨著更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。高海拔地區(qū)的氣壓、氧氣含量、溫度等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)高低壓柜的電氣性能和安全性能產(chǎn)生影響，甚至?xí)?dǎo)致高低壓柜的失效和事故的發(fā)生。因此，對(duì)于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維工作來說，研究高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用問題，提出適應(yīng)高海拔環(huán)境的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值[3]。

4.1 高低壓柜的制造工藝

4.1.1 高低壓柜的外殼制造工藝

高低壓柜的外殼是保證其安全性能的重要部分，因此，制造過程中應(yīng)選擇高質(zhì)量的材料，并嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行制造。在高海拔地區(qū)，由于氧氣含量低、環(huán)境溫度低等因素，高低壓柜的外殼容易受到氧化和腐蝕，因此，在材料選擇上應(yīng)考慮防腐蝕性能好的材料，如不銹鋼、鋁合金等，并采用先進(jìn)的防護(hù)涂料進(jìn)行表面處理，以提高其耐腐蝕性能和使用壽命。

4.1.2 高低壓柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造工藝

高低壓柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證其電氣性能和機(jī)械性能的關(guān)鍵部分。在高海拔地區(qū)，氣壓低、氧氣含量低等因素容易對(duì)高低壓柜的內(nèi)部電氣設(shè)備造成損害，因此，在制造過程中應(yīng)特別注意內(nèi)部結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。具體措施包括：加強(qiáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密封性能、采用優(yōu)質(zhì)的電氣元器件、選用高耐溫、高抗輻射材料等。

4.2 高低壓柜的材料選擇

4.2.1 外殼材料選擇

在高海拔地區(qū)的惡劣氣候條件下，高低壓柜的外殼材料應(yīng)選擇抗腐蝕性能好、抗氧化性能強(qiáng)的材料，如304、316不銹鋼和鋁合金等。在選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮其密封性、隔熱性、機(jī)械強(qiáng)度和加工性等因素。

4.2.2 絕緣材料選擇

高低壓柜的絕緣材料是保證其電氣性能的重要因素，其選擇應(yīng)根據(jù)高海拔地區(qū)的環(huán)境因素和電氣要求進(jìn)行合理選擇。一般來說，選擇具有高絕緣強(qiáng)度、高耐壓能力、高耐熱性和低溫度系數(shù)的材料，如無機(jī)材料、氟塑料、硅橡膠等，以確保高低壓柜在高海拔地區(qū)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 連接器材料選擇

高低壓柜的連接器材料應(yīng)具有高耐腐蝕性能和高可靠性，以保證連接的穩(wěn)定性和安全性。在高海拔地區(qū)，由于溫度變化大，連接器容易受到環(huán)境因素的影響，因此在材料選擇上應(yīng)優(yōu)先考慮耐溫性好、耐腐蝕性能強(qiáng)的材料，如銅合金、不銹鋼等。

4.2.4 高低壓柜的維護(hù)保養(yǎng)

高低壓柜是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備，設(shè)備的正常運(yùn)行和安全使用對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電有著重要的作用。為了保證高低壓柜的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和安全使用，必須進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)工作。

一是外部清潔：高低壓柜的外殼經(jīng)常受到外部環(huán)境的影響，如氣候、灰塵、腐蝕等，會(huì)導(dǎo)致外部污垢的積累。因此，對(duì)高低壓柜的外部進(jìn)行定期清潔是非常必要的。清潔時(shí)應(yīng)注意不損壞高低壓柜的表面涂層。

二是內(nèi)部清潔：高低壓柜內(nèi)部的電氣元器件也需要定期清洗，以確保電器的正常運(yùn)行。在清洗時(shí)，應(yīng)注意不損壞電氣元件和線纜，并應(yīng)使用專門的清洗工具和清洗劑。

三是定期檢查：高低壓柜應(yīng)定期進(jìn)行檢查，以確保其正常運(yùn)行和安全使用。檢查時(shí)應(yīng)關(guān)注高低壓柜的電氣元件、線路連接、絕緣性能等方面，并進(jìn)行必要的維護(hù)和更換。

四是維護(hù)記錄：對(duì)高低壓柜的維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的記錄，包括清潔、檢查、維護(hù)和更換情況。維護(hù)記錄可以幫助管理人員及時(shí)了解高低壓柜的維護(hù)情況，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施加以解決。

5 結(jié)語(yǔ)

高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用面臨著更為嚴(yán)峻的環(huán)境考驗(yàn)，需要制造工藝和材料選擇上的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。本文就此展開探討，并提出了一些具有實(shí)踐意義的技術(shù)措施和建議，旨在為高海拔地區(qū)的電力設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維工作提供一定的參考和指導(dǎo)。希望本文能夠引起廣大電力工程師和科研人員的關(guān)注和重視，為高低壓柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用研究和探索貢獻(xiàn)一份力量。