試論高海拔對電氣設(shè)備的特殊要求

汪國祥

摘? 要：電氣設(shè)備對工作環(huán)境有一定的要求，如果沒有結(jié)合氣候、環(huán)境的特點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)碾姎庠O(shè)備，不僅會縮短使用壽命，而且容易在使用過程中發(fā)生電氣事故，對工人的健康安全構(gòu)成威脅，也影響了礦業(yè)公司的正常生產(chǎn)活動。高海拔地區(qū)具有空氣密度低、晝夜溫差大、陽光輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，對電氣設(shè)備提出了很多特殊要求。文章結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在概述高海拔環(huán)境對電氣設(shè)備帶來多方面影響的基礎(chǔ)上，分別從高壓電氣設(shè)備、低壓電氣設(shè)備、變壓器、電纜電線等方面，就如何結(jié)合高海拔地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)科學(xué)進(jìn)行電氣設(shè)備選擇展開了簡要分析。

關(guān)鍵詞：高海拔地區(qū);電氣設(shè)備;空氣絕對濕度;油浸式變壓器

中圖分類號：TM501+.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）11-0056-02

Abstract： Electrical equipment has certain requirements for the working environment. If the appropriate electrical equipment is not selected in combination with the characteristics of climate and environment， it will not only shorten the service life， but also will be prone to electrical accidents in the process of use. It poses a threat to the health and safety of workers and affects the normal production activities of mining companies. High altitude area has the characteristics of low air density， large diurnal temperature difference， strong sunlight radiation and so on， which has posed many special requirements for electrical equipment. On the basis of summarizing the influence of high altitude environment on electrical equipment in many aspects， and the practical working experience from the aspects of high voltage electrical equipment， low voltage electrical equipment， transformer， cable and wire， etc.， this paper briefly analyzes how to scientifically select electrical equipment in combination with the environmental characteristics of high altitude areas.

Keywords： high altitude area; electrical equipment; absolute humidity of air; oil-immersed transformer

引言

高原地區(qū)的礦業(yè)公司在日常生產(chǎn)活動中需要使用大量的電氣設(shè)備，由于高原環(huán)境的特殊性，對這些電氣設(shè)備也提出了特殊要求。例如高原地區(qū)晝夜溫差可以達(dá)到40℃以上，電氣設(shè)備必須要有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力，才能防止在低溫環(huán)境下出現(xiàn)凍裂問題，在高溫環(huán)境下也能夠正常運(yùn)行。除了溫度適應(yīng)能力外，像設(shè)備殼體的抗輻射能力、絕緣性能等，也都是選擇高壓電氣設(shè)備需要重點(diǎn)關(guān)注的一些要求。對于高原地區(qū)的礦業(yè)公司來說，堅(jiān)持因地制宜、按需采購的原則，是提高電氣設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 高海拔環(huán)境對電氣設(shè)備帶來的影響

1.1 空氣壓力的影響

海拔高度的提升會導(dǎo)致氣壓降低，兩者之間的關(guān)系大體是每升高1km，氣壓降低10kPa。高海拔環(huán)境下，空氣密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常環(huán)境，造成電氣間隙降低，同樣的電氣設(shè)備，在高海拔地區(qū)更容易發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象。在額定電壓下，電氣設(shè)備負(fù)載運(yùn)行時(shí)絕緣材料被瞬時(shí)擊穿，出現(xiàn)熔斷甚至?xí)鹚芰辖^緣材料的燃燒，由此引發(fā)電氣安全事故。另外，一些設(shè)備是在低海拔地區(qū)生產(chǎn)制造，但是如果在高海拔地區(qū)使用，容易在設(shè)備內(nèi)外形成空氣壓力差。設(shè)備內(nèi)部的氣體或液體，在壓力作用下更容易向外滲漏，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后還會發(fā)生爆炸事故。

1.2 空氣溫度變化的影響

高海拔地區(qū)由于空氣稀薄，白天由于直接接受光照，升溫較快;而夜晚由于保溫能力差，地溫也比平原地區(qū)更低，兩點(diǎn)對電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響有：首先，溫度變化快，導(dǎo)致電氣設(shè)備的表面容易凝結(jié)水滴，加快金屬外殼或金屬材料的腐蝕;夜晚溫度較低時(shí)，可能會造成電氣設(shè)備內(nèi)部的液體凝固，并且因?yàn)轶w積膨脹導(dǎo)致電氣設(shè)備的管路出現(xiàn)破裂。其次，低溫環(huán)境下陶瓷、金屬以及高分子材料的脆性會明顯增加，這些電氣設(shè)備如果在夜晚還繼續(xù)使用，很容易出現(xiàn)開裂、碎裂等問題。最后，長期處于溫差較大的環(huán)境下，電氣設(shè)備的老化速度更快，使用壽命會嚴(yán)重縮短。

1.3 空氣絕對濕度變化的影響

高海拔地區(qū)由于光照時(shí)間長，空氣濕度相對而言更低。空氣濕度變化對于電氣設(shè)備的影響主要是降低了介電系數(shù)。介電系數(shù)越低，對電氣設(shè)備材料、性能等方面提出的要求就更高。例如正常電氣設(shè)備的介電系數(shù)在2.7-3.1之間。而高海拔地區(qū)由于空氣濕度較低，介電系數(shù)往往只能達(dá)到1.5左右。受此影響，電氣設(shè)備要想保持正常狀態(tài)工作，必須要具備更高的機(jī)械強(qiáng)度、更高的擊穿電壓和更低的熱漲系數(shù)。目前來看，許多高海拔地區(qū)的礦業(yè)公司在選擇工業(yè)電氣設(shè)備時(shí)，并未考慮到這一方面的影響，因此電氣設(shè)備發(fā)生故障的概率也會明顯增加。空氣壓力、空氣溫度、空氣絕對濕度三者與海拔高度的關(guān)系如下表1所示。

2 高海拔地區(qū)高壓電氣設(shè)備的選擇

2.1 高壓元器件的選擇

在選擇高壓電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮兩方面的選擇標(biāo)準(zhǔn)：其一，高海拔地區(qū)所用的高壓電氣設(shè)備，應(yīng)當(dāng)比普通設(shè)備具備更強(qiáng)的外部絕緣性能，以降低因?yàn)榭諝饷芏冉档蛶淼慕^緣擊穿等問題的發(fā)生概率。例如，對于同一品牌的設(shè)備，如果在高海拔地區(qū)使用，那么其絕緣強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)要比低海拔地區(qū)設(shè)備高出5%-10%。在選購高壓電氣設(shè)備時(shí)，除了要檢查其性能和質(zhì)量外，對于外部絕緣性能的檢查也是必不可少的環(huán)節(jié)。要重點(diǎn)檢查空氣間隙是否符合高海拔地區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)，另外像一些裸露在外的管路、線纜等，是否有專門的熱縮材料進(jìn)行包裹。只有均滿足上述要求，才可以在高海拔地區(qū)正常使用。

2.2 高壓開關(guān)柜的選擇

開關(guān)柜是礦區(qū)電力系統(tǒng)輸配電和保護(hù)電路安全的重要設(shè)備，開關(guān)柜內(nèi)部組成設(shè)備復(fù)雜，例如有斷路器、隔離開關(guān)等，這些設(shè)備的工況也會受到海拔的影響。例如，熔斷器是開關(guān)柜中的核心部件之一，其作用是當(dāng)線路超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了保障整個(gè)電力系統(tǒng)不會出現(xiàn)崩潰，而自動熔斷以切斷電路，將故障設(shè)備自動從電力系統(tǒng)中隔離開來。在高海拔地區(qū)，由于溫差較大，導(dǎo)致熔斷器的反應(yīng)不靈敏，不能對電路溫度變化做出及時(shí)的動作響應(yīng)，也就失去了保護(hù)作用。因此，在進(jìn)行高壓開關(guān)柜選擇時(shí)，也要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行科學(xué)選擇。

3 高海拔地區(qū)低壓電氣設(shè)備的選擇

3.1 絕緣耐壓性

通常情況下，在海拔2000m時(shí)使用常規(guī)型低壓電氣耐壓裕度為80%，加上相關(guān)的試驗(yàn)，我國常規(guī)型低壓電氣設(shè)備在海拔4000m以下的地區(qū)都可以在其額定電壓之下正常工作。需要注意的是，這些電氣設(shè)備在高海拔地區(qū)運(yùn)行，除了會受到氣壓等方面的影響外，與溫度、濕度等因素也有一定關(guān)系。因此，為了進(jìn)一步提高電氣設(shè)備的絕緣耐壓性，保證礦區(qū)作業(yè)安全，在選購低壓電氣設(shè)備時(shí)，還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高電氣設(shè)備的額定工作電壓等級。這樣一來，就可以保證電氣設(shè)備始終在額定電壓以下運(yùn)行，降低了發(fā)生絕緣擊穿或線路熔斷的概率。但是具體的提高電壓等級幅度，應(yīng)當(dāng)參照礦區(qū)海拔高度以及產(chǎn)品使用說明。

3.2 溫度適應(yīng)能力

在選擇低壓電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮溫度閾值較大的類型，電氣設(shè)備正常工作的溫度上下限越大，表明其溫度適應(yīng)能力越強(qiáng)，這樣即便是高海拔地區(qū)溫差偏大，也能夠保證電氣設(shè)備始終保持正常工況。例如，電氣設(shè)備正常運(yùn)行下會因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)而出現(xiàn)發(fā)熱、升溫現(xiàn)象。此時(shí)如果周邊溫度正常或偏低，就可以加快熱量對流，達(dá)到及時(shí)散熱的目的。但是如果外部環(huán)境溫度較高，就會降低熱對流，電氣設(shè)備不斷升溫，增加了發(fā)生故障的概率。因此，要結(jié)合高海拔地區(qū)的氣候特點(diǎn)，溫度變化幅度，作為重要的設(shè)備選擇依據(jù)。

3.3 動作和脫扣特性

高原環(huán)境下，一般低壓電器產(chǎn)品，其動、靜觸頭、導(dǎo)電線圈等部分的溫升會隨著海拔升高而遞減，海拔升高100m，溫升增加0.1～0.5℃，而高海拔地區(qū)的氣溫遞減率為海拔每升高100m，氣溫降低0.5℃，因此可認(rèn)為氣溫降低值全部補(bǔ)償。試驗(yàn)表明，對于低壓熔斷器，由于環(huán)境溫度的降低而增加過載熔斷時(shí)間，在20℃以下時(shí)，變化會更大;而短路熔斷時(shí)間基本不會隨環(huán)境溫度而變化，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高原地區(qū)選用的熔斷器作為配電線路的過載和短路保護(hù)時(shí)，應(yīng)特別注意其環(huán)境溫度對過載的影響。

4 高海拔地區(qū)變壓器的選擇

油浸式變壓器包括油浸式風(fēng)冷和油浸式自冷兩種，主要散熱方式為輻射散熱和對流散熱，散熱能力受到空氣密度的影響，尤其是對流散熱方式在高海拔環(huán)境中散熱作用有限。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)得出，在海拔1000-3000m范圍內(nèi)使用變壓器時(shí)，在正常海拔的試驗(yàn)，額定受電壓應(yīng)該以1000m為基準(zhǔn)，每增加100m就增加1%的外施耐受電壓值，而使用地點(diǎn)在海拔3000m時(shí)，需要供、需雙方對變壓器的絕緣水平進(jìn)行協(xié)商確定，而在海拔3000m處使用標(biāo)稱電壓10kV變壓器，其短時(shí)間以內(nèi)的外施耐電壓增長為：（3000-1000）/100×1%=28%。除此之外，在高海拔地區(qū)低溫達(dá)到-25℃使用變壓器時(shí)，需要選擇具有足夠抗寒能力的變壓器及相應(yīng)牌號變壓器油。

5 高海拔地區(qū)電纜電線的選擇

礦業(yè)公司在采購電纜電線時(shí)，需要分別從包裹材料和線芯兩方面進(jìn)行選擇。由于電纜電線長期暴露在空氣中，受到較大溫差和陽光暴曬的影響，容易出現(xiàn)過快老化的問題。因此對于線纜的外部包裹材料，應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的耐溫性、抗紫外線能力。目前一種適合高海拔地區(qū)的材料是交聯(lián)聚乙烯，在-40℃-60℃的溫度范圍內(nèi)，可以正常使用。對于線芯方面，應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的負(fù)載能力，以減少線纜絕緣擊穿問題的發(fā)生率。另外，對于電纜線纜的接頭部分，由于沒有絕緣保護(hù)，直接裸露在空氣中，因此對其導(dǎo)電性和耐腐蝕性也有更高要求。

6 結(jié)束語

電氣設(shè)備的使用在提升礦業(yè)公司工作效率和保障礦區(qū)安全等方面發(fā)揮了重要作用。但是隨著海拔高度的增加，電氣設(shè)備的運(yùn)行工況也容易受到環(huán)境因素的影響。這就需要礦業(yè)公司在采購電氣設(shè)備時(shí)，要結(jié)合礦區(qū)海拔高度和環(huán)境特點(diǎn)，選擇那些符合高海拔環(huán)境的電氣設(shè)備，以保證電氣設(shè)備正常發(fā)揮作用，保障電氣設(shè)備的操作安全。

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