浅析高海拔地区电源系统设计的特殊性(bd)

浅析高海拔地区电源系统设计的特殊性

浅析高海拔地区电源系统设计的特殊性

摘 要

本文分析了高原地区环境条件对电源系统性能的影响，重点是元器件及电源设备的降容，并提出了高原地区的电源系统设计应注意的问题。

关键词：

低压元器件，电源系统，海拔高度，气压，温度

ABSTRACT

The paper analyses the effects of some meteorological plateau on the performance of the power system， especially for derating of components and power supplies， proposes some issues to be concerned in power system design.

KEY WORDS:

Low voltage components, Power systems, altitude, air pressure, temperature

1 概述

海拔超过1000m的地区称为高原地区，在电源设计中，我们所能参照的电气参数及设备数据均是在常规海拔的使用环境下得到的，但不同的使用环境会对电气设备的性能产生影响，因此，研究高原地区设计及选型的特殊性是很有必要的。

本文分析了高原地区环境条件对电源系统性能的影响，重点对元器件及电源设备的降容进行了研究，并提出了高原地区的电源系统设计应注意的问题。

2 高原环境的主要特征

根据GB/T14597-2010《电工产品不同海拔的气候环境条件》，高原环境条件参数见表 1。

表 1 海拔高度和气温、气压及湿度的关系

海拔高度/m 最高温度/℃ 气压/kPa 0 101.3 1000 90 2000 3000 4000 5000 30 25 20 54 79.5 70.1 61.7 45，40 45，40 35 注：

1.本文主要研究室内环境对设备的影响，太阳直接辐射强度、最大风速、降水量及1m深土壤最高温度与本文没有直接关系，表格不体现。

2.由上表可知，高原气候的特点:

(1)海拔每升高100m大气压力下降约1%。

(2)海拔每升高100m空气的最高温度和平均温度均下降0.5℃。

3 设计关键问题

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3.1 低压成套配电柜 3.1.1

低压配电柜系统结构

海拔升高，空气密度降低，空气的介电强度也相应下降，根据 20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品 第1部分 通用技术要求》，由设备厂家对低压设备的电气间隙以及工频耐压、雷电冲击耐压试验值进行修正。因此对较大容量或结构紧凑的柜体，设计人应考虑配电柜体积增加对机房工艺布局的影响。

3.1.2

低压元器件的要求

成套设备内装的开关器件和元件应符合GB7251中对应的产品标准规定的开关电器和元件选择要求。有以下两种选择方法：①选用高原型开关器件和元件，按高原型标定的额定参数进行成套设备设计；②选用常规开关器件和元件，充分考虑高海拔对常规型产品影响进行设计。受高原型低压元器件产品的订货及采购周期等影响，常常选用常规元器件，但目前大部分低压元器件都是按海拔不高于2000m（或1000m）的使用环境条件设计的，需要测算高原环境对低压电器产品的影响，主要体现在对额定电压（额定工作电压、短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压）、额定工作电流、分断能力及动作特性的影响。

（1）工作电压的选择

海拔升高，空气密度降低，空气的介电强度也相应下降，使空气间隔的放电电压明显降低，造成不利影响：①导致低压元器绝缘强度降低，导致额定工作电压降低；②低压元器件内部不同电位的带电间隙容易击穿，导致额定耐受电压降低。

若在高原地区采用通用低压断路器，如何确定工作电压呢？通过查阅资料，著名帕申定律描述了压力与气体击穿电压的关系：当气体材料和电气材料一定时，电气间隙的击穿电压与电气间隙长度和气体压力的乘积有关，即U=f（Pδ），典型曲线见图3-1。

击穿电压（kV）

U

图3-1 U=f（Pδ）曲线图

该曲线表明，当电气间隙一定时，击穿电压只与气压有关。在大气条件下，主要应用谷底右侧部分，这说明空气的击穿电压近似与大气压成正比。在高海拔地区，以空气为绝缘的电气设备的电气绝缘强度将下降，其下降程度约为海拔每升高100m，绝缘强度下降1%。因此对于常规低压元器件，在超过2000m使用时应降低额定工作电压使用，系数取Ku=1-(χm－2000m)/100m×1%，其中χ表示海拔高度。

例如电压400V的系统，在4000m使用时，施耐德公司NSX低压开关工作电压计算为：690×[1-(4000m－2000m)/100m×1%]=552V＞400V，断路器额定工作电压大于系统电压，该型号断路器满足系统使用。同样短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压也是根据以上方法计算。

（2）工作电流修正

Pδ

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高海拔地区大气压力低，空气的热传导能力和对流换热能力降低，电气设备的温升相应增加，由此可见低压器件必须降低额定工作电流。根据我国高海拔地区的环境条件，部分厂家提供的额定工作电流降容数值表3-1~3。

表 3-1 XX元器件厂高海拔地区不同海拔高度的电流降容系数 H/km △H/km Ki

2 0 1.00

3 1 0.97

4 2 0.93

5 3 0.89

表3-2 ABB公司Tmax系列塑壳断路器降容系数 海拔高度（m）

<=2000 3000 4000 5000

额定电流（A） 100--630 100--630 100--630 100--630 额定工作电压（V） 690 600 500 440 电流降低系数 K 1 0.98 0.93 0.9

表 3-3 施耐德公司NSX 系列塑壳断路器降容系数 海拔高度（m）

<=2000

3000

4000

5000

额定电流（A） 100--630 100--630 100--630 100--630 额定工作电压（V） 690 550 480 420 电流降低系数 K 1 0.96 0.93 0.9

根据大量数据采集，断路器额定工作电流下降率不大于0.5%/100m。对于常规低压元器

件，在超过2000m使用时应降低额定电流使用，系数Ki=1-(χm－2000m )/100m×0.5%，其中χ表示海拔高度。

（3）分断能力的修正

高海拔地区大气压力低，空气密度下降，低压电弧散热慢，电弧不易熄灭。因此，在高海拔地区，电器的分断能力应降低，电器的不同，分断能力降低的选择也不同。零点熄弧式断路器，触头压力和回路电动力是由额定电流决定的，故该断路器的短路分断能力随海拔的升高按工作电流的降容系数 Ki 而减小（Ki为电流降容系数）；限流型断路器的分断能力随海拔的升高按额定工作电压的降容系数 Ku 而减小（Ku为电压降容系数）。

（4）动作特性调整

由热元件作为主要脱扣元件的产品：如热磁式断路器保护特性会受到影响。海拔升高后，对流散热能力减弱，致使热元件的动作时间加快，从而使产品的脱扣时间提前，即在高海拔

2

的条件下，应调整反时限过载保护的动作时间T高原= T标准/ Ki（Ki为电流降容系数）。

带电子脱扣器的产品：高原环境对带电子脱扣器的产品性能几乎没有影响。

3.2 通信电源 3.2.1

不间断电源

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根据 YD/T 1095-2008《通信用不间断电源(UPS)》要求，UPS电源在超过1000m使用时，输出容量应依据GB/T3859.2《半导体变流器应用导则》附录B“变流器在高海拔地区使用时电流容量的修正图”修正，详见图3-2。

图3-2 变流器在高海拔地区使用时电流容量的修正图

该图表示，海拔超过1000m，电源输出电流与海拔高度近似成反比。随海拔升高，额定工作电流下降，其下降程度约为海拔每升高100m，输出电流下降0.4%。如在4000m时需要输出为400A，实际要求该设备在1000m海拔额定输出电流不小于：400A×[1+（4000m－1000m)/100m×0.4%]=545A。

3.2.2

高频开关电源

根据YD/T1058-2007《通信用高频开关电源系统》要求，电源在超过1000m使用时应降容。高频开关电源整流部分由半导体材料构成，因此也可按 “图3-2”对输出电流进行修正。计算方法与UPS电源相同，在此不再赘述。

3.3 柴油发电机组 3.3.1

柴油发电机组容量

柴油发电机组主要由柴油机、发电机、配电系统、机械结构件等组成。柴油发电机的标准工况是：环境温度25℃、相对湿度30%、大气压强为100kPa。

由于高原地区的空气稀薄，含氧量低，柴油燃烧很不充分，柴油发电机输出功率将大大下降，因此建议采用涡轮增压机组，并对柴油发电机的工作效率进行纠正，或直接采用高原型的柴油发电机。

按照GB1105.1《内燃机台架性能试验方法 标准环境状况及功率、燃油消耗和机油消耗的标定》计算方法，需将在高原地区使用常规柴油发电机组功率进行修正，公式简化如下：

P=(NeC-Nf）K1?

P——油机在非标准大气压的输出功率（kW）； Ne——油机在标准大气压的输出功率（hp）（1hp=0.735kW）；

C——油机在非标准大气状况下的温度、湿度和大气压力的综合修正系数； Nf——风扇消耗功率（hp）； K1——功率换算常数0.735； ?——发电机效率。 其中C见表3-4

海拔 环境温度/℃ 第 4 页

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/m 0

0 --

5 --

10 --

15 --

20 --

25 1

30

35

40

45

0.96 0.94 0.91 0.88

1000 0.94 0.92 0.9 0.89 0.87 0.85 0.83 0.8 0.78 0.76 2000 0.81 0.79 0.77 0.76 0.74 0.73 0.71 0.69 0.67 0.64 3000 0.69 0.68 0.66 0.65 0.63 0.62 0.6 0.58 0.56 0.54 4000 0.59 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.5 0.48 0.46 0.44 3.3.2

提高机组功率的方法

由上表可知，高原地区柴油发电机输出功率将大大下降，因此建议采用恢复性增压及中冷技术，同时提高水冷系统的预压力，并改善冷却液的散热效果及空滤器结构来提高效率。

3.4 变压器 3.4.1

变压器温升要求

对于常用的环氧树脂干式变压器来说，国家标准对于温升及额定短时耐受电压有着明确的校正方法。根据GB1094.11-2007《电力变压器 第11部分 干式变压器》中第11.1条~11.3条的规定，对于在正常海拔进行试验，但在超过1000m海拔处运行的变压器，其温升限值应相应递减，超过1000m海拔部分以第500m为一级，按下列数据相应降低：对自冷变压器2.5%；对于风冷变压器5%。

例如，自冷变压器安装的海拔高度是4000m，要求该环树脂干式变压器在4000m允许温升为80K，经计算温升限值校正为4000-1000/500× 2.5% =15%，实际要求该设备在1000m海拔进行试验温升不大于80 K×115%=92 K。

3.4.2

额定短时耐受电压试验

当变压器被规定在海拔1000米~3000米之间运行，而其试验却在正常海拔处进行时，其额定短时耐受电压应根据安装地点的海拔超过1000m的部分，以每增加100m增加1%的方式来提高。当海拔超过3000m处运行时，其绝缘水平应由供、需双方协商确定。

3.5 防雷与接地 3.5.1

防雷系统

雷暴活动与地理位置、气候特点有着密不可分的联系。根据我国高海拔地区的环境及气象资料，详见高原地区雷暴日统计表3-5。

表3-5 高原地区雷暴日统计表

地点 近10年平均雷暴日（d/a）

五道梁 沱沱河 36.7

47.8

安多 73

那曲 79

拉萨 68.1

当雄 74

由上表可知，高原地区年平均雷暴日多，电涌防护应重点考虑其残压对设备的影响。由于阀型避雷器火花间隙的放电电压易受空气密度的影响，如在高原地区选用的放电管型SPD应换为限制电压型SPD，并严格按照YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》进行配置。避雷器有以下两种选择方法：⑴ 使用高原型避雷器。⑵ 低海拔地区使用的电涌

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保护器在高海拔条件下使用会发生爆炸或失效问题，因此高原地区使用的SPD应通过GB/T 2423.21-2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验M：低气压》标准中规定的低气压实验，按海拔高度校正电气装置外绝缘爬电距离和空气间隙。

3.5.2

接地系统

高原地区的冻土属于多年冻土，在冻土区进行基础接地施工首先面临的就是土壤高电阻率和冻胀灾害。高原冻土的平均土壤电阻率都在3000-5000Ω.m之间。《工业与民用用配电设计手册》第三版中指出，在永久冻土地区，除可采取高电阻率区的降阻措施外，还可采取下列措施：

（1）将接地极敷设在溶化地带或溶化地带的水池水坑中。

（2）敷设深钻式接地极，或充分利用井管或其他深埋在地下的金属构件作为接地极。 （3）除深埋式接地极外，还应敷设适当深度（约0.5m）的伸长式接地极。 （4）在接地极周围人工处理土壤，以降低冻结温度和土壤电阻率。 （5）对于土壤高电阻率地区可根据实际需要增大接地电阻值。

3.6 电力电缆

不同海拔地区的室内环境温度相近，因此主要考虑室外环境温度及敷设方式对电缆的影响。电缆的设计应考虑耐寒防冻，即电缆材质的柔韧性、耐寒防裂性。因此要选择能适应较大温差的电缆，如交联聚乙烯绝缘耐寒电力电缆（电缆最低长期使用温度为-40oC，最高工作温度为90oC）等。由于高原地区多为岩石层，泥土少，室外电缆敷设时还应考虑磨损防护，建议采用沿管沟敷设的方式。

4 高原地区工程设计方法

综上所述，工程设计中选用常规电源设备（低压元器件）在高于2000m使用，需要考虑以下几个方面：

1、应对断路器额定工作电压、短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、分断能力进行计算，考察其是否能满足系统要求；建议在不考虑工程投资时，为提高可靠性，尽量采用电子脱扣器。当投资或其他因素影响必须采用热磁式脱扣器时，需调整脱扣时间，否则断路器不能及时分断故障电流，影响系统正常运行。同时，厂家应按照国标等规定对成套配电柜的电气间隙进行调整，导致配电柜体积有可能增加，设计人应考虑配电柜体积增加对工艺布局的影响，宜在常规设计的基础上留有15%-25%的空间裕度。

2、在超过1000m海拔处运行的通信用不间断电源、高频开关电源输出电流可按照GB/T3859.2要求进行修正，修正系数k=1+（χm－1000m)/100m×0.4%，其中χ表示海拔高度。柴油发电机组可根据公式P=(NeC-Nf）K1?进行修正。

3、在超过1000m海拔处运行的变压器，温升应按照GB1094.11-2007要求进行修正，常用的自冷型变压器修正系数k=1+（χm－1000m)/500m×2.5%，其中χ表示海拔高度。因此如果在常规海拔选用F级的变压器，在高原地区可能要选用C级的变压器。

4、高原地区选用的放电管型SPD应换为限制电压型SPD，并严格按照YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》进行配置。

5、高原地区的电力电缆仅需考虑室外恶劣环境对电缆的影响，宜采用耐寒电力电缆并采用沿管沟敷设的方式。

5 结论

目前大部分低压电源设备（元器件）都是按常规海拔的使用环境条件设计的，本文从设计的角度出发，依据中华人民共和国国标、通信行业等标准，研究了常规设备用于高原地区

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参数变化及换算率，提出常规电源设备在高原地区的降容数据，有利于产品选型。又由于国标及行标是设备厂家生产最低要求，因此提请设计人员还应查阅产品资料或用户手册，了解电源产品在不同海拔高度的适用性能及输出能力，给建设方设备选用提供最优参考数据。

6 参考文献

1、中华人民共和国国标GB20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品 第1部分 通用技术要求》

2、中华人民共和国国标通信行业标准YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》

3、《工业与民用用配电设计手册》第三版

4、朱雄士.通信电源设计与应用.中国电力出版社.2006 5、赖广显主编 新型柴油发电机组.人民邮电出版社.2003

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/95ld.html