高海拔环境中压开关柜设计思路

高海拔环境中压开关柜设计思路

随着国家工业的迅猛发展和西部大开发进程的不断加快，越来越

多的中压电器设备在西部高海拔地区有了更广泛的应用，海拔高度的增加对中压电器设备在设计、制造、安装和使用上与平原地区有着很大的区别。如何使中低压开关柜突破上述海拔高度的限制，这是摆在各电气成套厂家及元件制造商家需要解决的问题。

为了保证中压电器设备能在高海拔环境下安全、可靠的运行，我们必须要对高海拔环境对中压电器设备有那些影响规律要有一个全面的了解。

一、高原海拔条件对电工产品的影响

一般来说，海拔高度在1000m以上的地区统称为高海拔地区。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％。高海拔地区具有较恶劣的自然气候条件，其特征为：

a.空气压力及空气密度较低； b. 空气温度较低，温度变化较大； c.空气绝对湿度小； d.太阳辐射照度较高； e.降水量较少； f. 年大风日多；

g.土壤温度较低，且冻结期长。

这些特征对电工产品性能有下面四大影响规律，列出如下：

1、空气压力或空气密度降低的影响

1）对绝缘介质强度的影响

空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，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%.

低气压对输配电设备的影响主要表现在对输配电设备的外绝缘性能下降上：

当海拔升高时，空气密度降低，散热条件变差，高压元器件在运行中温升要增加。其额定电流可以保持不变，但空气绝缘强度在减弱，这就使得元器件外表绝缘强度也随之减弱，极易发生绝缘击穿或闪络等破坏性放电事故。

我们知道输配电首先要考虑的问题之一是绝缘问题，绝缘水平对运行的安全至关重要，也是影响线路和设备造价的一个主要因数。随着海拔高度的增加，外绝缘放电电压会相应降低，这不仅影响输配电变电设备外绝缘的选择，而且影响线路绝缘子型式和片数的选择，影响线路杆塔塔头和变电构架的尺寸大小。高海拔的影响实际是大气参数，主要是空气密度和湿度的影响，空气密度减少引起热传递效率降低，外绝缘会随着空气密度的减小和湿度的降低而降低，使通常正常的绝缘距离显得不足，从而使绝缘强度受到影响 。 2)对电气间隙击穿电压的影响

对于设计定型的产品,由于其电气间隙已经固定,随空气压力的降低,其击穿电压也下降.为了保证产品在高原环境使用时有足够的耐击

穿能力,必须增大电气间隙.高原用电工产品的电气间隙可按下表进行修正. 电气间隙按海拔每上升1000米增加10%； 使用地点的海拔高度/m 0 相应大气气压/kPa 101.3 电气间隙 以零海拔为基准 1.00 修正系数 以1000mm海拔为基准 0.89 以2000mm海拔为基准 0.78 1000 90.0 1.13 1.00 0.88 2000 79.5 1.27 1.13 1.00 3000 70.1 1.45 1.28 1.13 4000 61.7 1.64 1.46 1.29 5000 54.0 1.88 1.67 1.47 3)对电晕及放电电压的影响 a、高海拔低气压使高压电机的局部放电起始电压降低，电晕起始电压降低，电晕腐蚀严重； b、高海拔低气压使电力电容器内部气压下降，导致局部放电起始电压降低； c、高海拔低气压使避雷器内腔电压降低，导致工频放电电压降低。 d、电晕和无线电干扰是高海拔输配电的又一突出问题。电气设备和线路导线的起晕电压会随海拔的升高而降低，高度越高，起晕电压越低。例如昆明地区，海拔近2000m，相对空气密度为0.8左右，如果直接采用平原地区使用的导线、绝缘子和金具等产品，运行电压下电晕问题将十分突出，它会加大线损和无线电干扰，严重时还可能发生线路电晕舞动，对线路的安全经济运行造成威胁。电晕不但增加电能损耗，而且会加速绝缘老化。 4）对开关电器灭弧性能的影响 空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短。a）、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长；b）、直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。

5）对介质冷却效应，即产品温升的影响

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。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,温升增加3%~10%.

a、 静止电器的温升随海拔升高的增高率，每100m一般在0.4K以内,但对高发热电器,如电炉、电阻器、电焊机等电器，温升随海拔升高的增高率，每100m达到2K以上。

b、 电力变压器温升随海拔的增高与冷却方式有关，其增加率每100m为：

油浸自冷，额定温升的0.4%；干式自冷,额定温升的0.5%；油浸强迫风冷，额定温升的0.6%；干式强迫风冷,额定温升的1.0%； c、 电机的温升随海拔升高的增高率每100m为额定温升的1%。 6）对产品机械结构和密封的影响

a、引起低密度、低浓度、多孔性材料（例如：电工绝缘材料、隔热材料等）的物理和化学性质的变化；

b、润滑剂的蒸发及塑料制品中增塑剂的挥发加速；

c、由于内外压力差的增大，气体或液体易从密封容器中泄漏或泄露率增大，有密封要求的电工产品，间接影响到电气性能；

d、引起受压容器所承受压力的变化，导致受压容器容易破裂。 2、空气温度降低及温度变化（包括日温差）增大的影响 1）高原环境空气温度对产品温升的补偿

平均空气温度和最高空气温度均随海拔升高而降低，电工绝缘材料的热老化寿命决定于平均空气温度。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起电工产品运行中温升的增加。环境空气温度的补偿值为0.5K/hm。

2）日温差或温度变化对产品结构的影响

高原空气温度的日温差大。较大的温度变化使产品外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。如高压开关柜内的环氧树脂浇注产品，如电流电压互感器、绝缘件 3、空气绝对湿度减小的影响 1）、绝对湿度对外绝缘强度的影响

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，因此要考虑工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。

2）、绝对湿度对电机换向及炭刷磨损的影响

绝对湿度的降低使换向器电机的换向火花增大，同时使电机炭刷的磨损率增加。

4、太阳辐射照度，包括紫外线辐射照度增加的影响 1）高原热辐射增加的影响

海拔5000m时最大太阳辐射度为低海拔时相应值的1.25倍，热辐

射对物体起加热作用。对于户外用电工产品，太阳热辐射的增加引起较大的表面附加温升，降低有机绝缘材料的材质性能，使材料变形，产生机械热应力等影响。

2）高原紫外线辐射增加的影响

紫外线辐射照度随海拔升高的增加率比太阳总辐射照度的增加率大得多，海拔3000m时已达低海拔时相应值的2倍。紫外线引起有机绝缘材料的加速老化，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。

从上述四大影响看出，高、低压成套开关设备使用在高原环境上的设计应该减低这些影响，提高绝缘配合，同时增大电气间隙，在选择材料上和器件上综合考虑，从结构设计和选择高原型器件入手，解决相关技术问题，其主要实现手段就是要从产品设计层面考虑。

二、基于高海拔特殊环境因素下高、低压成套开关设备设计和制造的几个关键点

从高海拔环境因素对设备产品造成的影响来进行实际产品的研发设计，必须要注意以下几个关键点，其设计的关键点主要涵盖三大部分，一是，开关器件和控制器件的选型；二是，一次、二次线路的布置和导体的防护措施；三是，采用不同结构设计。 （一）开关器件和控制器件的选型

高原型中压成套开关设备开关器件的选型很重要，现在常用采取的方法是选择为高海拔地区专门研制的专用电气设备，如采用高原型变压器，高原型真空断路器等，对于柜内导体间、导体对地间的空气

间隙按高海拔地区绝缘距离要求处理，防止绝缘击穿，或采用更高电压等级的电气设备，如电压、电流互感器及绝缘子套管等，其电气间隙和爬距等来满足上述海拔高度升高而需修正的系数。而对于控制器件，一般为电子器件，弱电控制，可靠性较高，受海拔高度的影响较小，容易解决高海拔的影响问题。

以上是高原型成套设备对于器件一些选型设计的经验方法，关键点在于要满足和考虑以下四点要求：

1、 外绝缘强度裕度要足够大，必须满足高海拔空气密度下降造成的外绝缘强度下降而进行修正的要求，从而产品的耐冲击电压和工频耐受电压达到高海拔使用的要求；

2、 对于成套器件内部机械传动件，如操作手车、脱扣器等要考虑高原温度变化大而造成材料变形对公差的影响，这些在设计对应器件时要加以考虑；

3、 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，造成温升升高的影响，尤其大电流器件，需考虑降容使用，其降容系数根据海拔高度不同而确定，具体要参看器件生产厂家的技术说明。 4、 绝缘材料的选择，应尽量选用受温差变化不大和防老化程度高的绝缘材料（如DMC或SMS模塑料等），在保证高强度的同时，变形量和老化程度较小，适应其对绝缘配合要求较高的地方，如低压的母线框等，同时应注意海拔高度修正系数要求的爬电距离、电气间隙尺寸要求。

（二）一次、二次线路的布置和导体的防护措施

高原型成套设备对一、二线的布置要求较高，整个母线系统要进行重新设计。要考虑电气间隙和爬电距离必须按照高海拔的修正系数进行修正，整个空间布置要合理、美观和母排最短设计为原则，考虑温升散热情况，合理布局设计。

中压成套按1000m海拔高度为基准，海拔系数修正根据机械行业标准所确定的系数进行修正。不同海拔高度，其修正系数不同，只要不影响结构外形尺寸大太，可以尽量升高海拔高程，因为按其修正系数的规律，更高海拔的修正系数可以兼容下个等级的高度，这样可以减少设计种类，减少海拔高程所造成的多种类，方便标准化图纸。 （三）采用不同结构设计

高原型成套开关柜的结构设计关键地方在于布置有足够的空间位置来进行母线系统的安装，据于上述电气间隙，爬电距离和隔离距离等尺寸参数需要根据海拔修正系数进行修正，故有别于常规产品。在结构尺寸链关系上要考虑和预留出基于海拔因素下的更大些的尺寸，所以整个结构要作重新的设计。如今，结构设计都在三维软件上设计，给于尺寸干涉的检查可以直接使用修正后的数据。在选联母排四周的装配零件干涉检查，均按修正后的数据进行，这样设计仿真模拟便于保证相应电气间隙、爬电距离的尺寸满足修正要求；同时也要关注到飞弧距离受海拔因素的影响，布置器件安装位置时也应该适当考虑，飞弧距离要增加的情况，总之高原型成套开关柜的结构设计一定要综合考虑尺寸链关系变化的情形，设计出符合修正值要求的结构。

三、设计思路

对于高原型中压开关柜的产品设计思路主要不外乎四个方面： 1、采用GIS、C-GIS柜；GIS、C-GIS柜是一种气体绝缘开关设备，也就是将成套设备用高绝缘的SF6气体封起来置于密封金属外壳内，将各元件的外绝缘变为成套设备内绝缘，因高海拔对内绝缘不起作用，此种产品设计在特高海拔，超高压开关设备中优势明显，但也存在利用在中压设备中时成本过高和可能产生绝缘气体泄漏污染环境的危险，因此此种设计很多用户并不作为首选方案；

2、采用改造原有中压开关柜方案，加大柜体尺寸，对开关柜出厂试验参数进行修正，这样为满足试验要求，柜内元件及安装布置要为之相适应，如爬电距离、空气间隙，导体截面及有关保护整定也要随之调整，选用电气间隙和绝缘爬距较大的高原型专用电气元件，并作与之相应的出厂试验。此种设计成本低，安装运行也比较可靠，为国内大部分厂家接受和采用；

3、采用标准化产品，设计高海拔特殊产品，此种设计不仅能丰富产品序列，增加更多可选择性，在与同行竞争中能取得更大优势，但设计周期长、设计工作量大、生产成本高；目前国内只有少数厂家如厦门华电、天水长开、江苏大全采用此种设计方式；

4、采用高一电压等级的产品替代，不必设计非标产品，如用35KV开关柜代替10KV高原型产品等，此种设计在出现海拔过高，第二种方案满足不了的时候，作为替代或者主选方案，用以解决标准高海拔

产品缺失的难题，对开关厂来说有着有着重要的经济技术意义； 高、低压成套开关设备在电力系统中处于电网用户侧或电厂工业流程尾端，量大面宽，所以使用环境多种多样，其中就有市场需求面宽广的适用特殊环境（高海拔环境）下的产品发展方向。故本文根据这些需求和发展方向，简要介绍了高海拔环境对开关设备的影响，综合了高海拔特殊环境下对高、低压成套开关设备设计和制造的影响，提出了相应的解决方案和思路，同时也指明了基于特殊环境因素下高、低压成套开关设备设计和制造的几个关键点，并具体运用到实际的设计过程中，最终保障使用两类环境下的产品顺利开发和设计起到指导作用，同时保证产品质量，满足了社会的需求。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yef2.html