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高海拔对中压开关柜影响的探讨

1概况

海拔是指所在地(产品安装处)对海平面的高度,其高低对产品运行性能有重要影响,国内外标准都规定产品使用基准海拔高度为1000m。据测算,我国1000m以上高海拔地区面积占全国总面积65%,而1000m以下国土面积仅占35%;另外,我国水电资源约3/4在西南、西北地区,而煤炭资源大部分在新疆、陕西、山西、内蒙、宁夏等西北部地区,随着我国西部大开发战略的实施,这些地区经济发展明显加快,开发西部水电资源、建设大型坑口发电厂,西电东送及北电南送等大电力工程,加上与东南亚及非洲高原地区的国际合作项目和贸易往来不断地增多,这些地区所需要的适合高海拔地区使用的开关设备也相应的增多,不可避免地会遇到高海拔问题。高海拔地区具有较恶劣的自然气候条件,其特征为:

气稀薄或真空状态下又随着真空度的提高而提高,中间有一个绝缘强度的最低点(如图1约6Torr-cm,Torr=

133.3224Pa)。这种介质绝缘强度随着气压变化成凹形曲线

的关系现象叫巴森定律,详见图1。也就是说在1Torr较低气压下击穿强度具有最低值约67  V/cm。高海拔处于曲线右侧,随着气压降低(即海拔提高),击穿电压降低,近指数曲线,也接近线性。

1)空气压力及空气密度较低;2)空气温度较低,温度变化较大;3)空气绝对湿度小;4)太阳辐射照度较高;5)降水量较少;6)年大风日较多;

7)土壤温度较低,且冻结期长。


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图1

击穿电压和气体压力距离关系



在高压开关中,为了提高绝缘和灭弧性能,以往压缩空气断路器空气压力提高到2.0~2.5MPa(表压),就是利用曲线右侧。而真空断路器利用曲线左上侧,在10-7~10-10τ真空度下,每厘米击穿强度可以提高到交流50kV以上。而高海拔环境处于曲线右侧下部,绝缘击穿强度较低范围。试验表明,海拔每升高1000m,即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%

2高海拔对户内中压开关柜影响的分析

2.1空气压力及空气密度的降低,引起了外绝缘强度的降低

1)对绝缘介质强度的影响

空气的介质绝缘强度是随着气压的提高而增加,在空

[1]


经验交2)对电气间隙击穿电压的影响

对于设计定型的产品,由于电气间隙已固定,随着空气压力的降低,击穿电压也下降。为了保证产品在高海拔使用时足够的耐击穿能力,必须增大电气间隙。

外壳容易变形、龟裂、密封结构容易破裂。

3中压开关柜使用于高海拔地区的技术对策

随着海拔高度的增加,中压开关柜在设计、制造、安装和使用上与平原型地区产品有着较大的区别。为了保证中压开关柜在高海拔地区安全、可靠地运行,对中压真空开关柜的设计、制造采取以下相应技术措施。

2.2空气绝对湿度减少的影响

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。在给定地点,不论作何用途,对所采用的校正中,湿度和周围温度的变化可能会相互抵消。因此,通常可根据安装处的平均周围条件估算绝缘强度。

3.1增大空气间隙

根据DL/T404-1997,以空气作为绝缘介质,柜内各相导体间及对地净距见表2

表2

[3]



2.3空气温度降低及温度变化增大的影响

1)对产品性能的影响

在海拔较高且环境温度较低的地区,环境温度对开关柜中一、二次元器件(如断路器等)的可靠性有一定的影响,必要时还要经过低温试验验证产品的性能。

以空气作为绝缘介质柜内各相导体间及对地净距

cm

2)对产品温升的影响

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。电工产品散热主要有对流、传热及辐射三种方式,空气作为散热介质情况下,空气密度主要影响对流和传热,空气密度小对对流和传热都不利,在真空状态下(如真空开关),就难于散热,一般通过真空灭弧室的导电杆传导散热。高海拔对散热影响及温升要求在《GB763-1990交流高压电器在长期工作时的发热》标准的技术要求中有明确规定,

“当电器设备在海拔高度超过1000m时,其温

升应按每超过300m(以海拔高度1000m为起点)降低

高海拔用电工产品的电气间隙可按表3修正。

表3

海拔用电工产品的电气间隙修正系数

0.9%计算”,例如在海拔3000m时,则降低温升为6%,而

在GB/T11022-1999规定的高压开关各部件、绝缘材料在空气中允许温升范围,零部件为30K~75K。F级至H级绝缘材料允许温升115K~140K,则要求降低零部件温升

3.2采用复合绝缘

当海拔高度2000m≤H≤4000m时,通常情况下中压开关柜外形均应增加以满足空气间隙的要求。但在具体的工程中,开关柜的外形尺寸受实际条件的限制无法增加时,应该采用复合绝缘,如母线采用套绝缘护套或硫化,搭接头加绝缘包盒,金属活门对静触头一侧和活门上下边缘作硫化处理等加强绝缘型工艺措施获得解决。复合绝缘的空气距离建议按表4选取。

表4

复合绝缘的空气距离

1.8K~4.5K,F至H级绝缘材料6.9K~8.4K

要求,附表1中。

表1

[2]



但据JB/2102-71高压电器使用于高海拔地区的技术

我国高海拔地区最高气温及最低气压的关系

海拔高度/m最高温度/℃最低气压/mHg

100040656

200035581

300030514

400025



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452

mm

从表中1中可看出,由海拔1000m上升到3000m时,最高环境温度从40℃降为30℃,即降低了10K。这足以抵消因海拔提高,要求降低温升的的指标(零部件1.8K~

4.5K及F~C绝缘材料6.9K~8.4K)。因此在目前高压电器

各类标准中并不规定高海拔对温升影响。一般在进行产品设计时可不考虑高海拔对温升影响。

3.3采用固封绝缘技术

对于小型化中压开关柜,以环氧树脂等固体绝缘材料整体浇注的电器设备,由于将部分或全部外绝缘变为内绝缘,也可以用于高海拔地区,但一般固封工艺要求高,成本显著增加。

3)日温差或温度变化对产品结构的影响

高海拔空气温度的日温差大。较大的温度变化使产品
3.4改进母排及导电体的形状,均匀电场分布,防

止尖端放电

一般来说,电极的曲率半径越大,周边的电场分布越均匀,空气间隙的击穿电压就越高。因此,在设计和制造中,铜排尽量选用圆角母排或D型母排,同时尽可能地消除电极上的锐缘、棱角、焊缝、飞边毛刺等,提高电极表面的光洁度,改善电场分布,避免尖端放电。

下:

将已知数据代入公式计算出开关设备在海拔2500m运行条件下,在地处海拔1000m以下地区出厂试验电压值如

··PFWV:U2=U1Ka=42kV1.176=49.4kV,··BIL:U2'=U1Ka=75kV1.176=88.2kV。

2)根据GB/T11022-1999规定高海拔修正系数Ka,

该标准规定对于安装在海拔高于1000m处的设备,外绝缘在标准参考大气条件下的绝缘水平应该将使用场所要求的绝缘耐受电压乘以系数Ka来校正,系数Ka按标准中图2的曲线选取,或按公式em(H-1000)/8150核算Ka均为1.202。

3.5辅助要求

真空断路器为了保证足够的空气绝缘距离需在每相靠近绝缘筒顶部的铝支架周边平面15mm宽及侧面10mm位置硫化处理,每相的绝缘拉杆选用大爬距的产品,以弥补绝缘距离不足,真空灭弧室采用适用高海拔地区使用的特制产品。电流互感器选用适用高原地区的定型产品。绝缘件(指以DMC、SMC及环氧树脂为原料制成的部件)选用加强绝缘型(亦称全工况)产品。由于高海拔地区特殊的气象条件在容易产生凝露的地区,除了采用加大元器件的外爬距外,开关柜设计中采用温湿度控制器和加热器相结合的方法降低凝露的发生现象

[4]



3.6低温环境要求

在环境温度较低的高海拔地区,开关柜内的一、二次元器件除了满足高海拔的要求外,还必须满足低温环境的要求。传动组件的润滑方式必须满足低温环境的要求。

3.7试验电压

根据DL/T404-1997,一般气候条件下的工频及冲击耐压试验值如表5所示。

表5

一般气候条件下的工频及冲击耐压试验值

kV

图2海拔修正因数

将已知Ka系数代入公式计算:

··PFWV:U2=U1Ka=42kV1.202=50.4kV,··BIL:U2'=U1'Ka=75kV1.202=90kV。图2中:H———海拔,单位为米;

——为了简单起见,取下述确定值:m=1m—

对应于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压;m=0.9对应

1)根据GB311.1-1997规定:“当高压电器用于海拔

于纵绝缘操作冲击电压;m=0.75对应于相对地操作冲击电压。

1000m以上,但不超过4000m时,其外绝缘试验电压为耐

受电压乘上系数Ka。其公式为Ka=1/(1.1-H·10-4),式中——海拔校正H为使用地点的海拔(假设H=2500m),Ka—因数

[5]

3)按GB311.1-1997规定的计算方法和GB/T11022-1999规定的计算方法相比,两者计算结果比较接近,综合

考虑,建议按GB11022-1999进行修正(对海拔2500m,

。”

现将已知数据代入公式进行验算:

·Ka=1/(1.1-H10-4)=1/(1.1-2500×10-4)=1.176。已知开关设备按DL/T404-1997规定额定电压12kV的额定短时(1min)工频耐受电压值U1:PFWV=42kV/PFWV取51kV,BIL取91kV作为型式试验根据[6])。

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4结语

综上所述,由于我国国土面积大部分在1000m以上高海拔地区,应认真研究和解决高海拔对电器设备性能影响。尽管高海拔时影响产品散热,但海拔提高,环境温度

经验交也降低,足以抵消产品散热不利影响,因此一般不考虑高海拔对温升影响。高海拔主要影响开关柜的绝缘和产品的可靠性。所以,在产品结构设计和工程执行过程中应该注意一、二次元器件的选用,制造中尽可能地消除电极上的锐缘、棱角、焊缝、飞边毛刺等,以较好地解决高海拔电器的使用问题。

点击次数:  更新时间:2016-05-21 10:58:31  【打印此页】  【关闭

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