田冰冰

（中钢集团耐火材料有限公司，河南 洛阳 471039）

高原地区的电气设备影响及选择

田冰冰

（中钢集团耐火材料有限公司，河南 洛阳 471039）

分析高海拔、空气稀薄、温度变化大等自然条件对电气设备的影响，在高原地区的电气设计因有其特殊要求，应充分考虑对高压开关设备、电力变压器、低压断路器等设备进行校验；在高海拔地区的特殊气候环境下如何选择等问题。

耐压试验电压；温升限值；电气间隙修正；额定电流校验

1 概述

（1）海拔超过1000m的地区称为高海拔地区。高海拔地区，由于海拔升高，空气密度降低，散热的对流作用减弱，会使电工产品的散热效率降低，温升就随之升高，空气介质强度的降低、以及空气冷却效应降低，都是低空气密度引起的，同时也降低电气设备的空气绝缘强度以及介质绝缘强度，外绝缘表面及不同电位的带点间隙容易被击穿，对电气间隙和爬电距离的影响会很大。

设备数据及电气参数一般情况下是在正常低于1000米海拔的使用环境之下实验而得的，也是在同等条件下生产出来的，设备参数均为海拔2000m以下使用，环境温度要求不超过+40℃，不低于-5℃。因此，在高原环境地区要对电气设备的选择就有很多条件限制和要求，需要根据实际自然环境进行不同的选择。

（2）笔者以中钢耐火天祝碳化硅项目为背景，浅析一下高海拔地区电气设计选型及应注意的问题，以利于其他电气设计人员在进行高原地区项目设计时参考。

项目背景：天祝县位于甘肃武威市，地势南高北低，是我国境内三座高原的交汇处（内蒙古高原、黄土高原和青藏高原），海拔在2050～4880米之间。该地区属于寒冷的高原性气候。根据地方气象部门提供资料显示，年均日照时数在2450－2650小时之间，冬季环境温度低于-25℃，相对无霜期约120天左右，降雨量年均450毫米左右，本地区抗震设防烈度为8度。

2 电气设备性能在高原地区气候条件下变化特点

恶劣的自然气候条件，较低的空气压力、密度和空气温度，较小的空气绝对湿度，较大的早晚温差，高太阳辐射照度，极少的降水量以及长时间冻土期等高原地区的特点，很大程度上造成电气设备性能的下降，其具体表现为以下几方面。

2.1 设备电气性能减弱的主要原因是空气压力或空气密度的降低

首先，低空气压力或空气密度，是电气设备外绝缘强度降低的主要原因。其额定电流可以保持不变，外绝缘强度就会随着空气密度的减小和湿度的下降而降低，正常的绝缘距离就明显不能满足。供配电首先要考虑的是绝缘问题，绝缘水平对运行的安全至关重要。

其次，是表现在电气间隙击穿电压上。为了加强电器产品的耐击穿能力，那么在高原高寒环境下,必须以加大电气间隙作为解决办法。

第三，做为开关电器，低气压、低气密对以空气为介质的灭弧性能、分断性能上有很大的反向作用，这就使电气设备使用寿命大大缩短。作为一个电气设计人员，都希望自己设计的产品性能和使用寿命达到最佳使用效果，那么在设计时就要认真考虑开关电器的这些性能提升问题。

第四，造成以空气为介质的电气产品冷却效应有所下降, 电器产品中多数以自然对流为主要散热方式，这就降低了散热能力，增加了设备的温升，间接导致电气产品的绝缘性能下降。

对管道中的两相流，作如下基本假设：①不考虑两相间的相对速度(运动)，在同一断面上，气相和液相的速度在每一瞬间均相等，都等于混合体的速度；②因按一维流态分析，所以一些物理量如流速、密度和压力等均按断面平均值计算；③不计气泡的表面张力。

第五，在产品机械结构和密封上，也有很大的变化。

能发生物理和化学性质的变化，主要表现在低密度、低浓度、多孔性材料上；由于空气压力或空气密度的降低，加大了电气设备内外压力差，造成设备内部的气体或液体从密封容器中泄漏，这样就对电气设备埋下了极大的事故隐患，对于密封要求严格的电气产品来说，就极大的降低了设备的电气性能和绝缘强度；而且可能因为承受压力的变化，还会致使容器破裂或爆炸，例如高压断路器的真空泡。

2.2 空气温度降低及温度变化同样也是引起设备性能的变化的原因

日夜温差大是高原空气温度的特点。较大的温度变化在电气设备以及高低压配电室内极易产生凝露，凝露会使产品外壳变形、开裂、绝缘降低、瓷件碎裂、密封结构容易破裂等。对于高压开关柜内的环氧树脂浇注产品，如电流电压互感器、绝缘件等影响很大。

在户外使用的电工产品和电气设备由于受到强烈的太阳辐射强度而温度增高，在空气中的氧气和水分的作用下，还会使有机绝缘材料和涂料的老化加速，以及缩短电气设备的使用寿命等。

1.3 空气绝对湿度减小同样关系着电气设备的使用安全

平均绝对湿度是随海拔升高而降低 。当绝对湿度降低时，就会使空气的介电系数降低，介电绝缘强度降低，同样会使电气产品的外绝缘强度降低，因此在设计选型时，一定要对电气产品的工频放电电压与冲击闪络电压以零海拔时的平均绝对湿度：11g/m3为基准，按GB311.2中有关规定进行湿度修正。

3 高海拔地区的电气开关设备选择

（1）海拔为1000～5000m之间，以每增高100m作为海拔间距，大气气压也会以每个间距为阶梯降低0.8～1kPa；由于低气压的原因，造成空气电离进而降低了介电强度，使电气设备的冷却能力下降，致使电气开关灭弧受阻，这才是导致电气设备温度升高的主要原因。如果在高原地区使用普通电气设备，不仅高原适用性问题得不到解决，而且设备故障会频频发生，加大设备维修量，减短设备使用寿命。但也不能盲目选用某些高原产品，使设备绝缘裕度很大，从而使工程的建设费用提高，浪费资金。因而，针对高原地区的设备选型有其特殊的要求，在选用时，要充分考虑高原地区的恶劣条件，需要对选用高原型的电气设备产品校验其电气参数，这样才能保证设计的科学性、完整性，为设备的安全运行提供可靠地保证。

（2）高压开关设备的选择方法。作为高压开关设备，那么在高原环境下，性能变化尤为突出。以10kV中压开关柜为例，各个生产厂家正常的技术参数均为国家标准：额定电压为12kV；额定工频耐压值（有效值）为42kV；额定雷电冲击耐压为75kV。那么要将其安装在高海拔地区，试验地点在海拔低于1000m进行，就必须根据实际海拔高度需对绝缘耐受电压乘以海拔修正系数Ka来进行修正。

式中：H ——海拔；

m ——指数（工频、雷电冲击和相间操作冲击电压是取1；纵绝缘操作冲击电压取0.95；相对地操作冲击电压取0.75）。

图1 校正系数a与海拔关系

由此可得，天祝地区Ka取1.215，相应的耐压值增加约21.5%，见图1。

（3）电力变压器。对于平时常用的环氧树脂干式变压器来说，根据GB1094.11-2007《电力变压器·第11部分·干式变压器》中第11.1条~11.3条的规定，对于在超过1000m海拔处运行，并在正常海拔进行试验的变压器，其温升限值应相应递减，超过1000m海拔部分以第500m为一级，按下列数据相应降低：对自冷变压器2.5%, 对于风冷变压器5%，因此，作为高海拔地区的天祝县，同时还要满足低于-25℃正常运行的条件，应选择C2型干式变压器，同时要对温升限值进行校正，计算方式：（2640-1000）/500×5%=16.4%；（2640-1000）/500×2.5%=8.2%。

根据国家相关规定，当变压器在海拔4000米以下运行时，海拔高度每提升100米，变压器的绝缘强度会随着相应的阶梯降低1%，而其试验在正常环境下进行时，其额定耐受电压值根据表1修正系数进行修正。

表1

（4）低压电气设备的选择方法。低压电气设备中低压成套开关设备的主开关选型尤为重要，最好选配高一级的绝缘电压等级为宜，一般情况下低压电网的额定电压是400V，在高海拔地区，为了减轻高海拔低气压的影响，可以选用高绝缘电压等级（690V或1kV）的框架开关和塑壳开关，增强电气产品的外绝缘强度；同时选用针对高原地区进行过特殊处理，以及增加爬点比距和电气间隙的电流互感器，以确保二次侧的工频耐压等技术指标达到要求，二次侧弱电元器件按正常的元器件参数进行选择。

（1）电气间隙是低压电气设备使用在高原环境的主要技术数据之一。作为以空气绝缘为主的产品，在高原环境下，电气间隙修正尤为重要，具体修正系数可按《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》（GB/T 20626.1-2006）给出的图表进行修正计算：本工程选用的低压成套设备以海拔0m作为为基准进行修正，其正常空气最小间隙为8mm，当其用于本工程海拔2640m时，那么选用产品时的最小电气间隙应为8mm×1.386=11.088mm。

（2）作为高原环境下低压电气设备的重要参数工频耐压和冲击耐压，也要根据高海拔的具体情况进行修正。 具体系数取值以设计手册为主，在海拔2000m及以下时，常规型产品标准规定的冲击耐受试验电压为4kV，本工程使用地点为海拔2640m，试验地点设在生产单位所在地，海拔低于1000m，其冲击耐受电压试验值应按3000米海拔进行修正：4×1.25=5kV。

（3）断路器在高原地区如何选择的降容。作为低压电气的终端设备，其修正相对要简单些，设计时均可以以电气设备厂家给出的修正方法进行修正 。表2是本项目使用的电气设备厂家施耐德电气给出的断路器的降容修正表(以下产品工作环境均为温度-25～70℃)。

表2 施奈德低压终端产品

本工程所在地天祝县，海拔高度为2640米，根据厂家提供的表格选择降容系数0.96进行修正。

（4）温升、熔断器及脱扣器的动作特性影响。高原环境下，一般低压电器产品，其动、静触头、导电线圈等部分的温升会随着海拔升高而递减，海拔升高100m，温升增加0.1～0.5℃，而高海拔地区的气温递减率为海拔每升高100m，气温降低0.5℃，因此可认为气温降低值全部补偿。试验表明，对于低压熔断器，由于环境温度的降低而增加过载熔断时间，在20℃以下时，变化会更大；而短路熔断时间基本不会随环境温度而变化，因此设计人员在设计高原地区选用的熔断器作为配电线路的过载和短路保护时，应特别注意其环境温度对过载的影响。高原环境对采用电子脱扣器的低压电器产品的脱扣动作特性基本没影响，但应充分考虑电子功率元件的散热问题。

4 结语

我国幅员辽阔，高海拔地区的占有率在世界上也是独一无二的，国土面积的30%左右都是海拔超过2000m的高原面积；约60%面积是在是海拔1000m以上，气候环境相当复杂。由于高原地区环境特殊，工程施工受环境影响，在冬季气温过低时，无法进行正常施工，停工时间大约有5个月左右，所以为保证工程按时交付使用，在选择电气设备时，尤为注意对高低压电气耐压、绝缘、额定电流校验上。马虎大意，就会因恶劣的自然环境造成严重的后果，轻微的使产品不能发挥正常功能或使用寿命缩短，严重的造成电气事故，设备严重损坏甚至爆炸，危及人身安全。因此电气设计人员在选择高原型电气产品时，针对电气产品使用的高原环境、海拔高度等级，要作出一一说明，以此保证工程的进度和质量，同时还要把握设备的通用性、互换性、适用性等问题，以便于设备正常运行后的检修维护问题。

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