高海拔地區中壓成套開關設備設計與選型

李海峰，王幫田，孫鵬程，孫廣濤，王軍委

(許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展，廣大高海拔地區中壓成套電氣設備的需求量也逐年增加，而目前市場上按照IEC62271、GB3906 設計的中壓成套開關設備是按照海拔高度1 000 m 及以下使用條件設計制造的，市場上暫無海拔3 000 m 及以上標準產品［1］。通過采用增大電氣間隙、增加爬電距離、采用復合絕緣等方法能夠滿足高海拔地區的中壓開關設備外絕緣強度的要求，但過多的采用復合絕緣或加大爬電距離的方法，隨著時間推移及長期處于強烈的紫外線環境下，絕緣件老化速度較快，設備的可靠性也會大打折扣［2］。

本研究從現有技術文獻著手，在充分考慮高海拔地區環境對產品電氣性能的影響基礎上，通過產品試驗的驗證，對高海拔地區中壓成套開關設備的設計及選型問題進行進一步的分析。

1 高海拔環境對開關設備電氣性能的影響

在高海撥地區，海拔高度每上升1 000 m，相對空氣壓力大約降低12%，空氣密度降低約10%，絕對濕度隨海拔高度的升高而降低［3］?？諝鈮毫涂諝饷芏鹊南陆?，引起設備外絕緣強度的降低;空氣密度降低導致設備散熱性能下降而影響溫升效果;平均絕對濕度降低時，設備外絕緣強度隨之降低;太陽日間輻射強度較大，加快了電氣設備絕緣材料的老化速度;環境溫差加大，電氣設備表面易形成凝露，容易發生沿面閃絡放電的現象，導致絕緣件強度及機械性能大大減弱，并對產品的機械性能產生不良的影響［4-5］。

1．1 對絕緣水平的影響

在工況條件下，電氣設備的可靠運行的主要表現為，其帶電導體與接地部件之間的電氣間隙(空氣或復合絕緣間隙)不被擊穿。由巴申定律(Paschen's Law)可知，兩平行導體間的擊穿電壓與導體間氣體的壓力和距離的乘機有關，見下式［6］:

式中:a，b—實數;p—壓力;d—極間距離。

試驗表明:海拔每升高1 000 m，平均氣壓則降低7．7 kPa～10．5 kPa，由公式可知，電氣間隙一定時，隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，擊穿電壓也隨之下降，當氣壓下降到臨界值時，擊穿電壓開始上升，絕緣水平增加。

巴申曲線如圖1 所示。對采用真空滅弧的開關設備，其電氣間隙一定，應用于海拔高度低于4 000 m 及以下時，由圖1 可知，其外絕緣水平隨空氣壓力下降而降低。內絕緣水平隨著氣壓降低，真空度上升，擊穿電壓大幅提高，因此可忽略外部大氣條件對其的影響，無需采用特別的措施。

圖1 巴申曲線

因此，開關設備安裝在高于海拔1 000 m 時，其外絕緣耐受水平應為額定絕緣水平乘以修正系數，目前，修正系數計算有兩個主要標準可以參考。

1．1．1 GB/T 11022—2011

修正系數Ka可由圖2［7］查詢確定。

圖2 海拔修正系數

也可按照公式(2)［7］計算:

式中:H—海拔高度;對于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓，m=1，對于縱絕緣操作沖擊電壓，m =0．9，對于相對地操作沖擊電壓，m=0．75。

1．1．2 GB/T 311．1—2012

新的國家標準不再沿用以線性化方程來處理的計算方法，而采用與IEC 標準相同的曲線查找或公式計算的方式［8］，使得國家標準中，對海拔修正系數的計算得到統一。

1．2 對溫升的影響

采用空氣作為散熱介質的中壓開關設備，空氣壓力或空氣密度的降低引起空氣介質冷卻效應的降低，對于以自然對流、強迫通風或空氣散熱器為主要散熱方式的電工產品，因散熱能力的下降，導致設備溫升增加。

交流系統的設備溫升按式(3)［9］進行修正:

式中:Kτ—溫升的高海拔校正系數，H—海拔高度。

由式(3)計算可知，在海拔1 000 m～5 000 m 范圍內，每升高1 000 m，溫升修正系數如表1 所示。

表1 溫升隨海拔高度增加修正系數

本研究取開關設備溫升最嚴酷部位-動、靜觸頭嚙合處的溫升指標，通過查詢GB/T 1100—2011 可知，在空氣中，采用鍍銀銅觸頭的溫升允許值為65 K，按照表1 由式(3)確定的系數修正，海拔高度每升高1 000 m，溫升增加約2 K。

高海拔地區，在無外部熱源及遮護的情況下，空氣溫度隨海拔高度的增高而降低，一般研究所采集的溫度與海拔高度的關系如表2 所示。

表2 環境溫度與海拔高度的關系

從表2 中可以看出:一般情況下，海拔高度每升高1 000 m，最高環境溫度會下降5 ℃，平均溫度也降低5 ℃。

1．3 對開斷能力的影響

空氣壓力或空氣密度的降低，使得以空氣為絕緣介質的開關設備滅弧性能降低、開斷能力下降及電壽命縮短。對于采用真空滅弧的開關設備，是使用旋弧觸頭產生的磁場吹滅電弧，海拔高度對其開斷能力的影響較小，但隨著海拔高度的增加，應選用有較大爬距的滅弧室，并對其外絕緣進行加強。

1．4 對機械性能的影響

高海拔地區晝夜溫差較大，對成套設備內部機械傳動部件，如斷路器操作機構、接地開關、脫扣器等，需要考慮因溫度變化而造成的材料變形對公差的影響。在結構尺寸關系上，要考慮和預留出基于海拔因素下的更大的尺寸。同時絕緣件、互感器外殼容易龜裂以及密封結構也易破裂，選型時要多加注意，盡量選擇通過環境試驗的元器件。

2 高海拔中壓成套設備的設計要點

針對高海拔環境對電氣性能的影響，本研究在目前市場上成熟的KYN61-40．5 開關設備的基礎上，完成了應用于海拔高度3 000 m 的開關設備的試制，其主要技術參數及設計要點如下。

2．1 電氣間隙確定

電氣間隙是以開關設備所能承受的耐壓水平來確定的，對于定型的中壓成套設備而言，其電氣間隙已經確定，以空氣作為絕緣介質開關設備內各相間及對地空氣凈距如表3 所示。

表3 開關設備內空氣凈距

隨著海拔高度的增加，設備擊穿電壓降低，要想使開關設備在高原環境使用時有足夠的耐擊穿能力，必須增大電氣間隙，對應用于高海拔地區的開關設備，電氣間隙的確定需要考慮的因數較多，如滿足絕緣要求、銅排的加工工藝、是否絕緣包封、污穢等級等，按照理想狀態下，裸導體的空氣凈距一般按照海拔高度每增加1 000 m，電氣間隙增加10%考慮，電氣間隙修正系數如下式:

式中:KD—電氣間隙修正系數，H—海拔高度。

例(16)是見證過勤業中學與眾不同的課堂活動后對其新穎的教學方式的稱贊，其首創的展評學習法、炸蝦餅、學沙畫、甩響鞭等“十八般武藝”讓記者震撼；例(17)是網友稱贊“在 C 羅罰球前，看他的眼神就知道此球必進！”，因而就有了“確認過眼神”來稱贊C羅的厲害球技；例(18)中四川省某派出所輔警在成都陪妻子逛街時，只因在茫茫人海中多看了一眼，竟發現了一名犯罪嫌疑人，并最終將其抓獲，該構式形象地表達了“確認過眼神”，并稱贊警察的盡職盡責；例(20)在看過視頻之后，才確定是甘肅，借助宣傳片似乎已能身臨其境地感受到甘肅之美。

應用于海拔高度3 000 m 時，由式(4)計算可得，修正系數為1．21，修正后設備最小電氣間隙如表4 所示。

表4 修正后最小電氣間隙

2．2 爬電距離確定

爬電距離與除了與絕緣類型有關外，還與微環境污染等級(污穢等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)、材料的絕緣性能、工作電壓等密切相關，對純瓷及有機絕緣件的外絕緣爬電比距及相應值的應用范圍規定如表5［10］所示。

表5 爬電比距

應用于高海拔環境下時，必須對爬電距離進行修正，目前國標對如何計算修正沒有明確規定，長期的試驗研究發現，絕緣介質的濕閃或污閃電壓與其爬電距離有接近線性的關系，且通過反復試驗驗證，發現海拔每升高100 m，爬電距離增加1%可以有效降低沿面的閃絡發生，保證絕緣件的絕緣性能。

在一般情況下，當海拔高度在1 000 m～2 000 m時，開關柜柜內的一次元件可以按照II 級污穢條件來設計其外絕緣爬電比距，即瓷質為18 mm/kV;有機絕緣為20 mm/kV(個別污穢較重地區可按有機絕緣25 mm/kV考慮)，目前市場上的中壓成套設備采用的全工況、加強絕緣型絕緣產品產品，其外絕緣尺寸相對來說有一定的裕度，基本上能滿足海拔高度3 000 m條件下的運行要求。

2．3 復合絕緣方案

針對海拔高度不大于1 000 m 而設計的成套設備，其配套元器件尺寸受安裝條件限制，電氣間隙往往不能滿足高海拔的絕緣要求，而重新設計柜型的成本較大，這時可以采用復合絕緣等加強絕緣型工藝措施來解決絕緣問題:

(1)采用進口制作的自粘硅膠帶對導體搭接處進行包封，防止出現僅靠熱縮套盒包封出現的問題。

(2)母排搭接處采用絕緣包封護套，且要求與母排緊貼、無氣泡。

(3)金屬活門對帶電體一側和活門上下邊緣硫化處理或采用絕緣材料活門。

(4)相間或相對地之間增加絕緣隔板。

(5)選用帶雙屏蔽的穿墻套管，改善套管安裝位置的電場分布，提供局部放電電壓，應盡量選用受溫差影響變化不大及防老化程度高的絕緣材料(如SMS 或DMC 模塑料)。

(6)斷路器采用加強絕緣型固封極柱，增大爬電距離，提高絕緣水平。

DL/T 404—2007 5．106 要求:“以空氣和絕緣板組成的復合絕緣作為絕緣介質的金屬封閉開關設備和控制設備，帶電梯與絕緣板之間的最小空氣間隙應滿足上述要求:對3．6 kV、7．2 kV 和12 kV 設備應不小于30 mm;對24 kV 設備應不小于45 mm;對40．5 kV 設備應不小于60 mm?！北狙芯拷Y合高海拔地區產品制造和運行經驗，提出了表6 所列數據，且選用的絕緣材料厚度不應小于3 mm，并需考慮絕緣件固定件的位置及材料，并優先選用老化后的絕緣材料。

表6 復合絕緣的空氣間隙 (單位:mm)

2．4 輔助措施應用

針對高海拔地區氣溫低、個別地區濕度大的氣候特性，開關設備常采用溫濕度控制器和加熱元件來降低凝露，溫濕度控制區可以控制加熱元件長期投入或自動投入，對開關設備進行除濕和防潮，并在溫度過低時，通過升溫對開關設備內其他元器件起到加熱作用。

2．5 導體及柜體加工工藝

一般說來，均勻電場和稍不均勻電場的平均擊穿場強比極不均勻電場間隙的要高的多，因此，通過改進導電體的形狀、增加電極的曲率半徑來改善帶電導體周邊的電場分布，提高氣隙的擊穿電壓是非常有效的方案，導體的選擇及加工工藝尤其重要，導體應盡量選用R 型、D 型或圓角等邊緣帶圓角外形結構，同時還須盡可能地消除電極上的飛邊毛刺、銳緣、焊縫、棱角等，提高電極表面的光潔度，消除局部場強，避免尖端放電。

開關設備柜體，特別是與帶電導體距離較近的部位，應采用多重折彎工藝，避免板材切割及制作過程中形成的毛刺、尖端及焊縫，改善電場分布，盡量避免不均勻電場的形成。

3 試驗及結果分析

2013年12月，筆者所在公司進行了KYN61-40．5開關設備的樣機試制，并按照表7 所示的試驗參數進行了絕緣試驗，試驗參數按照式(2)計算的系數進行修正。

表7 絕緣試驗參數

在試驗過程中發現，僅靠在現有成型柜的基礎上部分改動來滿足高海拔環境下的絕緣要求，需要大量采用復合絕緣來彌補電氣間隙不足帶來的絕緣問題，但隨著絕緣材料老化的增加，對產品的可靠性也留下很大的隱患。

對12 kV 開關柜而言，產品經過了國內幾十年的設計改進及運行，元器件及加工工藝已較成熟，應用于海拔3 000 m 時，其也能可靠運行，而40．5 kV 開關設備，通過本次試驗發現還需進一步提高絕緣水平的薄弱環節，特別是絕緣件爬距小及互感器的絕緣水平較低，接地開關的開距小及刀頭電場不均勻等，還需進行大量的設計研究工作。

4 結束語

本研究從現有的技術文獻著手，根據國內高海拔中壓開關設備的設計制造經驗，設計制造了樣機一臺，為今后高海拔地區中壓成套開關設備的設計選型提供了依據。試制過程中，發現導體的加工工藝、絕緣件的選擇、接地開關的空氣凈距等是影響樣機成敗的關鍵因素，因試驗條件的限制，無法模擬高海拔的環境條件，對產品的其他性能未能進一步驗證。

目前高海拔環境下中壓成套設備存在的問題，需要各個學科共同努力，還需總結行業設計及運行經驗，加快研究適用特殊環境條件下的技術措施，研發新材料、新工藝、新技術應用于產品生產，建立統一的技術標準和完善的試驗方法，為高海拔地區提供更多優質、可靠的開關設備。

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［6］張一塵．高電壓技術［M］．2 版．北京:中國電力出版社，2007．

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［8］中國國家標準化管理委員會．GB/T 311．1—2012 絕緣配合第一部分:定義、原則和規則［S］．北京:中國標準出版社，2012．

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