高低壓柜在高海拔地區的應用研究與探討

華電（那曲）新能源有限公司 郭海東 中國華電科工集團有限公司 王 波 尉若帥

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，電力設施在各行各業中的應用越來越廣泛。然而，高海拔地區的特殊環境卻給電力設施的設計、制造、安裝和運維等工作帶來挑戰。高低壓柜作為電力系統中的重要組成部分，其在高海拔地區的應用面臨著更為嚴峻的考驗。高海拔地區的氣壓、氧氣含量、溫度等環境因素都會對高低壓柜的電氣性能和安全性能產生影響，甚至會導致高低壓柜的失效和事故的發生。對于高海拔地區的電力設施建設和運維工作，研究高低壓柜在高海拔地區的應用問題，提出適應高海拔環境的設計要求和技術措施，具有重要的現實意義和科學價值。本文旨在探討高低壓柜在高海拔地區的應用問題，為相關工作提供參考和借鑒。

2 高壓柜部分

海拔超過1000m的地區稱為高海拔地區。高海拔地區，因空氣稀薄，氣壓降低和大氣密度的減少，會使空氣的絕緣強度和散熱能力降低。海拔為1000～5000m，每增高100m，氣壓約降低0.8～1kPa；氣壓降低容易使空氣電離而降低介電強度，導致開關滅弧困難。

根據GB/T11022標準中絕緣試驗部分的要求，對于處于大氣中的外絕緣是主要絕緣的開關設備均應使用修正因數，對于只有內絕緣的開關設備，周圍的大氣條件不產生影響，不應該使用修正因數。故對于安裝在高海拔地區采用空氣作為絕緣介質的開關柜必須對絕緣試驗電壓作適當修正，而SF6氣體絕緣開關柜的一次部分均安裝在SF6氣室內，不受周圍大氣條件的影響，屬于只有內絕緣的開關設備，海拔高度增加不影響其絕緣性能，不需要對絕緣試驗電壓進行修正，只需要提高氣箱強度即可滿足高海拔應用的要求[1]。

SF6表面傳熱系數是空氣的2.5倍，散熱性能優于空氣，且海拔每升高1000m，氣溫約降低-266.65℃，所以海拔高度增加，不會降低其散熱性能，故海拔高度增加不需要對SF6氣體絕緣開關柜的額定電流進行降容。為保證高海拔環境下的氣箱強度，DQC-40.5產品采取以下措施。一是整體采用3mm 304不銹鋼板焊接，氣箱內部采用大量20×30不銹鋼方鋼管焊接加固，在此基礎上再焊接一層3mm腹板再次加固。二是三工位一次部分與操作機構采用加強板焊接，斷路器一次與機構之間采用22mm厚硬鋁合金板，充分保證三工位隔離開關和斷路器在高海拔低氣壓環境下的機械性能。

3 低壓柜部分

3.1 加大電氣間隙及爬電距離

由于高海拔地區空氣稀薄，擊穿電壓隨之變小，根據國家規范GB/T16935.1)—1997 《低壓系統內設備絕緣配合》中表A2的海拔修正系數表，對所在海拔高度的低壓柜內電氣間隙進行驗證。相應的電氣間隙與爬電距離見表1。MNS型低壓抽出式開關柜如圖1所示。

表1 電氣間隙及爬電距離

圖1 MNS型低壓抽出式開關柜

3.2 電線與電纜

由于電線電纜靠固體絕緣，導電體不與大氣接觸，不受海拔高度的影響。

3.3 高海拔對溫升的要求應隨環境溫度設定值而定

無論是低壓還是高壓，由于海拔高度越高，環境溫度越低，因此有人認為允許的溫升應當相應增加，例如：低壓柜的某部件允許的溫升是-218.15℃，是在環境溫度為40℃時而言，也就是該部件最高溫度為40+55=95（℃）。當海拔3000m時，比標準海拔高度2000m高出1000m。按1000m以上每高100m溫度降0.5℃計，環境溫度比海拔2000m低5℃，有人認為當該部件同樣允許運行在95℃時，溫升應為-213.15℃[2]。認為這種認識不對的，溫升是在指某設定標準環境下升高的度數。允許的實際溫度是標準環境溫度加溫升值。不論當地環境溫度有多低，只要取設定的基準值不變（如取40℃作基準），溫升值亦不變。這樣各部件允許承受的最高溫度也不變，即在海拔1000m處承受95℃，在海拔5000m處也是能承受95℃。

當然環境溫度的設定應與實際情況相等，如果海拔4000m處最高持續環境溫度為25℃，則上述元件允許溫升為-203.15℃，總之，溫升離開環境溫度的設定值無意義。

3.4 導體及低壓電器元件

3.4.1 導電回路

雖然海拔高、空氣稀薄，造成散熱不良而影響載流能力。與中壓電器同樣道理，高海拔環境溫度低，由此對載流能力又進行補償，綜合兩種因素后，可認為海拔高度對載流沒有影響。

對于斷路器及其他控制電器，其內部帶電主回路是有空氣絕緣部分，因此耐受電壓的能力是受海拔高度影響的。至于對載流量的影響，不同的廠家給出不同的參數，不能一概而論。由于高海拔空氣稀薄，斷路器的觸頭系統是與大氣相通的，這樣斷流能力肯定受到影響，但廠家許諾是斷流能力保持不變，在相應的工作電壓下這一條件作前提的。例如，在2000m處，工作電壓為690A能分斷50kA。同一臺這種斷路器在5000m處，在工作電壓降為420V情況下，也能分斷50kA。

3.4.2 熔斷器及熱繼電器

在高海拔地區也會受到影響，但高度在4000m及以下范圍內，受影響的范圍還在允許范圍之內。也就是動作特性曲線允許誤差帶的范圍內。對于密封式熔斷器，若與大氣不聯系，對特性曲線應無影響，若封閉不嚴，就受海拔高度影響，對全范圍保護的熔斷器，由于高海拔環境氣溫低，過載動作時間偏大。對于短路保護，動作時間不受影響。

對于過載保護的熱繼電器，即使受到輕微影響，由于動作值是在現場整定，因此可根據現場實際運行情況，隨時進行更改。

3.4.3 受絕緣強度的影響，要區分不同情況

如果全固體絕緣，不靠空氣附加絕緣，則海拔高度對絕緣強度無任何影響。如果采取空氣絕緣或固體絕緣與空氣附加絕緣的話，則受海拔高度影響。例如NS100斷路器在海拔不超過2000m時，介電強度為3000V，而在海拔4000m處，介電強度只有2100V。

3.4.4 繼電器及轉換開關測試

對繼電器及轉換開關等二次元器件，有人測試且實際運行表明在4000m及以下可不作任何處理。

高壓部分：SF6氣體絕緣開關柜的一次部分均安裝在SF6氣室內，在應對高海拔項目時，只需要提高氣箱強度即可滿足高海拔的要求。

低壓部分：包含高壓柜的低壓操作部分，以及低壓柜，在應對高海拔項目時，從兩個方面考慮，第一高海拔地區空氣稀薄，需加大主回路的電氣間隙及爬電距離，同時加大二次端子間的間隙；第二斷路器考慮降容，加大電流等級，同時二次元器件選用需考慮到高海拔影響，選用絕緣性能較高的產品，有高海拔業績的產品。

4 高低壓柜的制造工藝和材料選擇

高低壓柜是電力系統中的重要組成部分，其在高海拔地區的應用面臨著更為嚴峻的考驗。高海拔地區的氣壓、氧氣含量、溫度等環境因素都會對高低壓柜的電氣性能和安全性能產生影響，甚至會導致高低壓柜的失效和事故的發生。因此，對于高海拔地區的電力設施建設和運維工作來說，研究高低壓柜在高海拔地區的應用問題，提出適應高海拔環境的設計要求和技術措施，具有重要的現實意義和科學價值[3]。

4.1 高低壓柜的制造工藝

4.1.1 高低壓柜的外殼制造工藝

高低壓柜的外殼是保證其安全性能的重要部分，因此，制造過程中應選擇高質量的材料，并嚴格按照相關標準和要求進行制造。在高海拔地區，由于氧氣含量低、環境溫度低等因素，高低壓柜的外殼容易受到氧化和腐蝕，因此，在材料選擇上應考慮防腐蝕性能好的材料，如不銹鋼、鋁合金等，并采用先進的防護涂料進行表面處理，以提高其耐腐蝕性能和使用壽命。

4.1.2 高低壓柜的內部結構制造工藝

高低壓柜的內部結構是保證其電氣性能和機械性能的關鍵部分。在高海拔地區，氣壓低、氧氣含量低等因素容易對高低壓柜的內部電氣設備造成損害，因此，在制造過程中應特別注意內部結構的防護性能。具體措施包括：加強內部結構的密封性能、采用優質的電氣元器件、選用高耐溫、高抗輻射材料等。

4.2 高低壓柜的材料選擇

4.2.1 外殼材料選擇

在高海拔地區的惡劣氣候條件下，高低壓柜的外殼材料應選擇抗腐蝕性能好、抗氧化性能強的材料，如304、316不銹鋼和鋁合金等。在選擇材料時，應考慮其密封性、隔熱性、機械強度和加工性等因素。

4.2.2 絕緣材料選擇

高低壓柜的絕緣材料是保證其電氣性能的重要因素，其選擇應根據高海拔地區的環境因素和電氣要求進行合理選擇。一般來說，選擇具有高絕緣強度、高耐壓能力、高耐熱性和低溫度系數的材料，如無機材料、氟塑料、硅橡膠等，以確保高低壓柜在高海拔地區的長期穩定運行。

4.2.3 連接器材料選擇

高低壓柜的連接器材料應具有高耐腐蝕性能和高可靠性，以保證連接的穩定性和安全性。在高海拔地區，由于溫度變化大，連接器容易受到環境因素的影響，因此在材料選擇上應優先考慮耐溫性好、耐腐蝕性能強的材料，如銅合金、不銹鋼等。

4.2.4 高低壓柜的維護保養

高低壓柜是電力系統中不可或缺的重要設備，設備的正常運行和安全使用對電力系統的穩定運行和可靠供電有著重要的作用。為了保證高低壓柜的長期穩定運行和安全使用，必須進行定期的維護保養工作。

一是外部清潔：高低壓柜的外殼經常受到外部環境的影響，如氣候、灰塵、腐蝕等，會導致外部污垢的積累。因此，對高低壓柜的外部進行定期清潔是非常必要的。清潔時應注意不損壞高低壓柜的表面涂層。

二是內部清潔：高低壓柜內部的電氣元器件也需要定期清洗，以確保電器的正常運行。在清洗時，應注意不損壞電氣元件和線纜，并應使用專門的清洗工具和清洗劑。

三是定期檢查：高低壓柜應定期進行檢查，以確保其正常運行和安全使用。檢查時應關注高低壓柜的電氣元件、線路連接、絕緣性能等方面，并進行必要的維護和更換。

四是維護記錄：對高低壓柜的維護保養應進行詳細的記錄，包括清潔、檢查、維護和更換情況。維護記錄可以幫助管理人員及時了解高低壓柜的維護情況，有助于及時發現問題并采取措施加以解決。

5 結語

高低壓柜在高海拔地區的應用面臨著更為嚴峻的環境考驗，需要制造工藝和材料選擇上的不斷創新和改進。本文就此展開探討，并提出了一些具有實踐意義的技術措施和建議，旨在為高海拔地區的電力設施建設和運維工作提供一定的參考和指導。希望本文能夠引起廣大電力工程師和科研人員的關注和重視，為高低壓柜在高海拔地區的應用研究和探索貢獻一份力量。