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海拔对高低压柜的影响

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海拔高度对中压开关设备的影响

1．高海拔对电器产品的要求

1）高海拔地区的主要特征是大气压力和空气密度的降低。在此首先对低气压下的一些物理机理进行简单分析。根据气体状态方式求得空气密度与海拔高度的关系为： ρH=ρ0（1-αΗ/Τ0）4.26

式中：ρH为海拔高度为 H 时的空气密度；ρ0 为标准状态下空气密度，海平面在摄氏零度气温条件下的空气密度是 1292g/m3；H为海拔高度（m） ；Τ0 为绝对温度，为 273K；α为空气温度梯度，约为0.0065K/m。

通过上述方程式，计算出的结果见表1

表 1 海拔高度与大气压力、空气密度、绝对湿度的关系

海拔高度（m） 0 1000 2000 2500 3000 4000 5000

相对大气压 1 0.881 0.774 0.724 0.677 0.591 0.514

相对空气密度 1 0.903 0.813 0.770 0.730 0.653 0.583

绝对湿度（g/m3

） 11 7.64 5.30 4.42 3.68 2.54 1.77

从表 1 中可以看出，海拔高度每升高 1000m，相对大气压大约降低12%，空气密度降低约 10%，绝对湿度随海拔高度的升高而降低。另外，随着海拔高度的升高，空气温度也在降低，每升高 1000m，温度降低 6.5K。 空气密度降低后对中压电器产品带来的直接影响表现在两个方面；一是空气稀薄后在电场中更容易发生电离，从而导致绝缘性能的下降；二是空气稀薄后对流散热能力下降导致载流体载流能力的下降。因此就对在高海拔地区使用的中压电器提出了一些特殊要求。

关于空气的电离，电离度和空气密度并不是线性的关系，在空气密度较大和接近真空的空气密度下都不利于气体分子的电离。在空气密度较大的情况下，电子或自由电子附着在气体分子上形成的离子在电场中加速运动，由于气体分子间的间隙很小，分子间碰撞频繁，离子无法加速到足够的动能去碰撞其它分子使其电离。而在接近真空的情况下，尽管在电场中荷能电子或离子可以加速到足够的动能，但与气体分子的碰撞概率大大降低，同样不利于气体介质的电离。在常压情况下，空气的电离度是随着空气密度的减少而逐渐加大的。 2）高海拔地区要求对电器产品的工频耐压和雷电冲击耐压进行修正、对空气绝缘距离进行修正、对绝缘件的爬距进行修正、对载流体的载流量进行修正。

3）工频耐压和雷电冲击耐压和修正方法在 GB/T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》 、GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》 、GB50060《3~110kV高压配电装置设计规范》和GB/T20626.1《特殊环境条件高原电工电子产品第 1 部分：通用技术要求》中都有规定，试验地点在海拔 1000m 的情况下，GB311.1、GB50060 和GB/T20626.1 中修正后数值略低。拿海拔 4000m修正说，按 GB311.1修正，其修正系数Ka=1/(1.1-H×10-4),Ka=1/(1.1-0.4)=1.428。但如果按 GB11022 来修正的话，通过查曲线图可知，K=1.45。或按公式 ，因此按 GB/T20626.1来修正较合理。修正方法见表2。

表 2 工频耐压和雷电冲击耐压的修正方法

产品使用地点海拔（m） 1000 2000 3000 4000 5000

0 1.11 1.25 1.43 1.67 2

海拔 产品 1000 1 1.11 1.25 1.43 1.67

修正 试验 2000 0.91 1 1.11 1.25 1.43

系数 地点 3000 0.83 0.91 1 1.11 1.25

（Ka） 海拔（m） 4000 0.77 0.83 0.91 1 1.11

5000 0.71 0.77 0.83 0.91 1

4） 关于空气绝缘距离的修正， 在DL404中规定每升高1000m， 空气绝缘距离增加10%，在 GB311.1 和 GB50060 中也有类似的规定，在实际使用中可以按上述规定进行修正。实际上空气绝缘距离只是衡量绝缘性能的指标之一，带电体的电场优化同样是决定绝缘性能的一个非常重要的因素。 5）关于爬距的修正，目前国标里对此没有明确的规定，但在实际使用时，高海拔情况下必须对爬距进行修正。通过反复试验验证，发现海拔每升高 100m，爬距增加 1%可以有效降低沿面的爬电，保证绝缘件的绝缘性能。比如额定电压为40.5kV的绝缘件在二级污秽情况下表面爬距应大于 810mm，那么在海拔 2000m 时，其表面爬距应大于 891mm，依次类推。

6）关于高海拔条件下载流体的降容问题，要考虑每升高1000m气温降低约 6.5K，同时考虑大气密度降低引起的对流散热能力的下降，另外还和设备内的风道设计密切相关，在设计时要综合考虑。

2．12kV 及40.5kV 高海拔产品存在的问题

断路器是核心部件，高海拔产品要解决的关键问题是绝缘，而对于断路器来说就是要解决好主导电部分的绝缘问题。采用传统的绝缘筒结构，厂家一般采用灭弧室表面加硅胶套的办法来加大爬距， 这种方法一方面离散性较大， 另一方面存在硅胶套绝缘老化的问题。因此在高海拔条件下，应尽可能采用固封极柱结构，可以有效提高产品的绝缘水平和稳定性。

目前 12KV 产品经过特殊设计可使用于海拔 4500m条件下，比较稳定成熟。而 40.5kV产品目前只能可靠使用于海拔 3000m 以下。妨碍 40.5kV 产品进一步提高绝缘水平的薄弱点主要有以下几个方面：

1）带电显示装置所用传感器绝缘水平低，电场优化不合理 目前市场上的传感器普遍爬距较小，而且二次出线位置设计在侧面接近根部的位置，这种设计对电场没有进行过优化，二次出线位置是绝缘的薄弱点。正确的设计应该是二次出线从传感器底部引出，经过试验证明，40.5kV传感器改变出线位置后工频耐压最少可提高10kV。

2）接地刀刀头需进一步做好电场优化，目前市场上通用的接地刀，在动刀片和静刀座设计时没有充分考虑电场的优化，在高海拔地区应用时此处也是一个薄弱环节。其实最简单的办法就是将动、静刀片端头做成半圆形，同时将刀片的沿导圆，可有效提高绝缘水平。

3）母线套管和触头盒需要进一步优化电场、加大爬距绝缘件的电场优化非常重要，要设计时必须进行电场的模拟，从而确定最佳方案。目前市场上很多绝缘件在这方面不考究，在高海拔地区使用时，存在的问题非常多，值得引起配套件厂家的重视。 4）部分厂家的高海拔产品风道设计不合理在高海拔地区使用时，风道设计非常重要。如果产品不开风道，不仅会影响散热，还会影响绝缘，是因为高压室如果空气流通不畅的话，内部带电粒子浓度会越来越高，从而降低绝缘性能。

5）目前用修正耐压的方式进行出厂绝缘试验存在一些问题

高海拔产品在进行出厂试验时，工频耐压一般按标准进行修正，这就对绝缘件的内绝缘提出了严峻考验，尤其是 40.5kV产品。在条件许可的情况下，可以考虑设置人工气候模拟室来进行耐压试验是最佳的解决方式。

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高海拔对低压电器产品的影响与对应措施

高海拔对低压电器产品的影响与对应措施

第２７卷第６期　２００９年１２月　青海大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖ（１１．２７　ＮＯ．６　

Ｄｅｃ．２００９　

高海拔对低压电器产品的影响与对应措施　

侯婉秋　，焦俊平２　

（１．青海省高原科技发展有限公司，青海西宁８１０００６；２．青海湖工具有限公司，青海西宁８１０００６）　

摘要：根据高海拔地区气压低、气温低、空气密度低的气候特点，通过高海拔地区低压电器产品　

使用情况的试验研究及分析，得出高海拔对低压电器产品性能的影响主要体现在温升、绝缘性　

能、接通能力和分断能力及对产品的动作特性上，提出低压电器产品在高海拔地区使用时的几　

点对应措施。　

关键词：高海拔；低压电器；绝缘性能　

中图分类号：ＴＭ５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８９９６（２００９）０６—００２３—０４　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｌｏｗ——ｖｏｌｔａｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　

ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ｔｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　

ＨＯＵ　Ｗａｎ－ｑｉｕ‘，ＪＩＡＯ　Ｊｕｎ－ｐｉｎｇ　

（１．Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｈａｉ，Ｘｉｎｉｎｇ　８　１０００６，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｌａｋｅ　Ｔｏｏｌ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉｎｉｎｇ　８１０００６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ａｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ａｉｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｒｅ—　

ｇｉｏｎ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｉｎ・　

海拔高度对电气产品的影响

海拔高度对电气产品的影响

二、干式变压器

条和4.2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海拔局部以第500M为一级，温升限值接自冷变压器2.5%、风冷变压器5%减小；额定短时工频耐受电压值同时增加6.25%。

三、低压电气设备

对于低压电气设备，情况要稍好一些。根据JB/Z0103-11标准及科研部门的调查研究，现有普通型低压电器在高原地区的使用如下：

1、温度：现有一般低压电器产品，使用于高原地区时，其动、静触头和导电体以及线圈等局部的温度随海拔高度的增加而递增。其温升递增率为海拔每升高100M，温升增加0.1-0.5K，但大多数产品均小于0.4K。而高原 地区气温随海拔高度的增加而降低，其递减率为海拔每升高100M，气温降低足够补偿由海拔升高对电器温升的影响。因此，低压电器的额定电流值可以保持不变，对于连续工作的大发热量电器，可适当降低电源等级使用。

2、绝缘耐压：普通型低压电器在海拔2500米时仍有60%的耐压裕度，且通过对国产常用继电器与转换开关等的试验说明，在海拔4000M及以下地区，均可在其额定电压下正常运行。

3、动作特性：海拔升高时，双金属片热继电器和熔断器的动作特性有少许变化，但在海拔4000M

大气压力和海拔对电气元件的影响

大气压力和海拔对电气元件的影响

大气压力和海拔对电气元件的影响不同海拔高度的大气压、空气密度和湿度

海拔高度(m) 0100015002000250030003500

相对大气压10.8880.8350.7860.7410.6950.655

相对空气密度10.90850.8650.8240.7840.7450.708

绝对湿度(g/m3) 117.646.375.334.423.683.08

海拔高度超过1000m的地区称为高原地区。高原地区气候的主要特征是:气压、温度、湿度随海拔的增高而减小,太阳幅射随海拔增高而增高。

于是给电器元件的运行带来了许多不利的影响。而我国的一般电器元件则是按海拔≤1000m的环境条件设计的。

因此研究高原环境对采金船电气产品及设备的影响及其所采取的措施,对今后指导采金船电气设计和低压电器元件的选型是有着一定的意义。

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%。

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。

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。

高海拔对电气设备的影响

高海拔对电气设备的影响

海拔高度对电气产品的影响随着海拔高度的增加，大气的压力下降，空气密度和湿度相应地减少，其特征为：a、空气压力或空气密度较低；b、空气温度较低，温度变化较大；c、空气绝对湿度较小；d、大阳辐射照度较高；e、降水量较少；f、年大风日多；g、土壤温度较低，且冻结期长。这些特征对电工产品性能有下面四大影响规律，列出如下： 1、空气压力或空气密度降低的影响 1）对绝缘介质强度的影响 空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%. 2)对电气间隙击穿电压的影响 对于设计定型的产品,由于其电气间隙已经固定,随空气压力的降低,其击穿电压也下降.为了保证产品在高原环境使用时有足够的耐击穿能力,必须增大电气间隙.高原用电工产品的电气间隙可按下表进行修正. 3)对电晕及放电电压的影响 a、高海拔低气压使高压电机的局部放电起始电压降低，电晕起始电压降低，电晕腐蚀严重； b、高海拔低气压使电力电容器内部气压下降，导致局部放电起始电压降低； c、高海拔低气压使避雷器内腔电压降低，导致工频放电电压降低。 4）对开关电器灭弧性能的影响 空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短。a）、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长；b）、直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。 5）对介质冷却效应，即产品温升的影响 空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,温升增加3%~10%. a、 静止电器的温升随海拔升高的增高率，每100m一般在0.4K以内,但对高发热电器,如电炉、电阻器、电焊机等电器，温升随海拔升高的增高率，每100m达到2K以上。 b、 电力变压器温升随海拔的增高与冷却方式有关，其增加率每100m为：油浸自冷，额定温升的0.4%；干式自冷,额定温升的0.5%；油浸强迫风冷，额定温升的0.6%；干式强迫风冷,额定温升的1.0%； c、 电机的温升随海拔升高的增高率每100m为额定温升的1%。 6）对产品机械结构和密封的影响 a、引起低密度、低浓度、多孔性材料（例如：电工绝缘材料、隔热材料等）的物理和化学性质的变化； b、润滑剂的蒸发及塑料制品中增塑剂的挥发加速； c、由于内外压力差的增大，气体或液体易从密封容器中泄漏或泄露率增大，有密封要求的电工产品，间接影响到电气性能； d、引起受压容器所承受压力的变化，导致受压容器容易破裂。 2、空气温度降低及温度变化（包括日温差）增大的影响 1）高原环境空气温度对产品温升的补偿 平均空气温度和最高空气温度均随海拔升高而降低，电工绝缘材料的热老化寿命决定于平均空气温度。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起电工产 品运行中温升的增加。环境空气温度的补偿值为0.5K/hm。 2）日温差或温度变化对产品结构的影响 高原空气温度的日温差大。较大的温度变化使产品外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。 3、空气绝对湿度减小的影响 1）、绝对湿度对外绝缘强度的影响 平均绝对湿度随海拔升高而降低。绝对湿度降低时，电工产品的外绝缘强度降低，因此要考虑工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。 湿度修正以零海拔时的平均绝对湿度：11g/m3为基准，具体修正按GB311.2中有关规定。 2）、绝对湿度对电机换向及炭刷磨损的影响 绝对湿度的降低使换向器电机的换向火花增大，同时使电机炭刷的磨损率增加。 4、太阳辐射照度，包括紫外线辐射照度增加的影响 1）高原热辐射增加的影响 海拔5000m时最大太阳辐射度为低海拔时相应值的1.25倍，热辐射对物体起加热作用。对于户外用电工产品，太阳热辐射的增加引起较大的表面附加温升，降低有机绝缘材料的材质性能，使材料变形，产生机械热应力等影响。 2）高原紫外线辐射增加的影响 紫外线辐射照度随海拔升高的增加率比太阳总辐射照度的增加率大得多，海拔3000m时已达低海拔时相应值的2倍。紫外线引起有机绝缘材料的加速老化，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。 从上述四大影响看出，高、低压成套开关设备使用在高原环境上的设计应该减低这些影响，提高绝缘配合，同时增大电气间隙，在选择材料上和器件上综合考虑，从结构设计和选择高原型器件入手，解决相关技术问题，其主要实现手段就是要从产品设计层面考虑。 高海拔对电气设备主要的影响是绝缘和温升两方面。可以从两个方面思考：1、海拔高了后，容易放电，因此绝缘等级要升高。由于空气稀薄，对于空气冷却的部件散热降低，因此要降低功率使用，这个要根据具体的海拔和散热条件进行计算。对不同的电气设备影响的侧重点不同，因此设计时侧重点不同。一、高压开关设备 海拔升高，气压降低，空气的绝缘强度减弱，使电器外绝缘降低而对内绝缘影响很小。由于设备的出厂试验是在正常海拔地点进行的，因此，根据IEC出版物694对于开关设备以其额定工频耐压值和额定脉冲耐压值来鉴定绝缘能力，对于使用地点超过1000M以上时，应作适当的校正。对于10KV开关柜来说，其额定电压为12KV；额定工频耐压值（有效值）为32KV（对隔离距离）和28KV（各相之间及对地）；额定脉冲耐压值（峰值）为85KV（对隔离距离）和75KV（各相之间及对地）。而随着海拔的升高，空气密度降低，散热条件变差，会使高压电器在运行中温升增加，但空气温度随海拔高度的增加而逐渐降低，基本可以补偿由海拔升高对电器温升的影响。 但对于阀式避雷器来说，情况就较为复杂。由于避雷器自身并不密封，其阀片的间距不可调，因此其火花间隙的放电电压易受空气密度的影响，所以应向设备厂商注明海拔高度，或使用高压型阀式避雷器。二、干式变压器 环氧树脂干式变压器，国家标准关于以上两个因素有着明确的校正方法。根据GB6450） 《干式变压器》中第3.2.3条和4.2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，温升限值接自冷变压器2.5%、风冷变压器5%减小；额定短时工频耐受电压值同时增加6.25%。 三、低压电气设备 对于低压电气设备，情况要稍好一些。根据JB/Z0103-11标准及科研部门的调查研究，现有普通型低压电器在高原地区的使用如下：1、温度：现有一般低压电器产品，使用于高原地区时，其动、静触头和导电体以及线圈等部分的温度随海拔高度的增加而递增。其温升递增率为海拔每升高100M，温升增加0.1-0.5K，但大多数产品均小于0.4K。而高原 地区气温随海拔高度的增加而降低，其递减率为海拔每升高100M，气温降低足够补偿由海拔升高对电器温升的影响。因此，低压电器的额定电流值可以保持不变，对于连续工作的大发热量电器，可适当降低电源等级使用。2、绝缘耐压：普通型低压电器在海拔2500米时仍有60%的耐压裕度，且通过对国产常用继电器与转换开关等的试验表明，在海拔4000M及以下地区，均可在其额定电压下正常运行。 3、动作特性：海拔升高时，双金属片热继电器和熔断器的动作特性有少许变化，但在海拔4000M下时，均在其技术条件规定的特性曲线"带"范围内RTO等国产常用熔断器的熔化特性最大偏差均在容许偏差的50%以内。而国产常用热继电器的动作稳定性较好，其动作时间随海拔升高有显著缩短，根据不同的型号，分别为正常动作时间和40%-73%。也可在现场调节电流整定值，使其动作特性满足要求。通过对低压熔断器非线性的环境温度对时间-电流特性曲线研究表明，熔体的载流能力在同样的较小的过载电流倍数情况下（即轻过载）熔断时间随环境温度减小而增加，在20度以下时，变化的程度则更大；而在同样的较大的过载电流倍数情况下（即短路保护时），熔断时间随环境温度的变化可不作考虑。因此，在高原地区的使用熔断器开关作为配电线路的过载与短路保护时，其上下级之间的选择性应特别加以考虑。在采用低压断路器时，应留有一定的断路与工作余量。由此可见，熔断器在高原的使用环境下可靠性和保护特性更为理想。