低壓開關(guān)柜在高海拔地區(qū)的運用

摘要：關(guān)于低壓開關(guān)柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用，最重要的是與尺寸參數(shù)相關(guān)的影響，如電氣間隙和爬電距離，這是由于氣壓隨海拔升高而降低。在某些環(huán)境參數(shù)下，固體絕緣產(chǎn)生的電場負(fù)載取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)，并根據(jù)適用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)通過測試程序驗證，僅適用于2 000 m的應(yīng)用高度。海拔在2 000 m以上必須重新評估設(shè)備的規(guī)定參數(shù)，如額定工作電壓Ue、額定絕緣電壓Ui、額定沖擊耐受電壓Uimp和額定電流Ie等。通過應(yīng)用某些校正系數(shù)和附加措施，低壓開關(guān)柜可以在更高的海拔高度使用。

關(guān)鍵詞：高海拔；低壓開關(guān)柜；額定工作電壓；額定絕緣電壓；額定沖擊耐受電壓

中圖分類號：TM591? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0018-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.005

0? ? 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大和能源需求的日益增長，低壓開關(guān)柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛。然而，高海拔環(huán)境下的低壓開關(guān)柜運行存在一定的特殊性，由于空氣稀薄、大氣壓力低、溫度低等特點，低壓開關(guān)柜在高海拔環(huán)境下容易發(fā)生故障，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，研究高海拔低壓開關(guān)柜運用技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1? ? 高海拔地區(qū)的環(huán)境特征

開關(guān)設(shè)備的性能取決于環(huán)境變量，國家標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了最相關(guān)和最重要的環(huán)境參數(shù)。

1.1? ? 空氣壓力和空氣密度下降

高海拔地區(qū)空氣稀薄，大氣壓力降低，導(dǎo)致低壓開關(guān)柜內(nèi)部絕緣強(qiáng)度下降。同時，空氣介質(zhì)的損耗角正切值增大，使得絕緣性能降低，易導(dǎo)致?lián)舸┕收稀?/p>

1.2? ? 空氣溫度降低

高海拔地區(qū)溫度低，低壓開關(guān)柜的材料性能和使用壽命會受到影響。低溫環(huán)境下，設(shè)備的散熱能力降低，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱，縮短設(shè)備使用壽命。

1.3? ? 環(huán)境污染

污染程度是基于導(dǎo)電或吸濕灰塵、電離氣體或鹽的量以及相對濕度和發(fā)生頻率的狀態(tài)數(shù)。這些環(huán)境特性可能導(dǎo)致濕氣的吸濕吸收或冷凝，從而導(dǎo)致穿刺阻力或表面阻力下降。

1.4? ? 空氣絕對濕度相應(yīng)降低

高海拔地區(qū)濕度低，可能導(dǎo)致開關(guān)柜表面的水分蒸發(fā)加快，使得開關(guān)柜內(nèi)部容易產(chǎn)生塵埃，進(jìn)而影響設(shè)備的絕緣性能。此外，濕度低還可能導(dǎo)致開關(guān)柜的金屬部件容易產(chǎn)生靜電，增加設(shè)備故障的風(fēng)險。

1.5? ? 冷凝現(xiàn)象增加

高海拔地區(qū)氣溫較低，空氣中的水分容易凝結(jié)。冷凝水可能會沿開關(guān)柜表面滴落，進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致絕緣性能下降、設(shè)備損壞等問題。為防止冷凝現(xiàn)象，需要對開關(guān)柜進(jìn)行密封處理，并采取防潮、除濕措施。

2? ? 高海拔地區(qū)對低壓開關(guān)柜的主要影響

海拔高度的增加導(dǎo)致空氣密度和空氣壓力的降低，如在海平面0 m處的氣壓為101.3 kPa，而在2 000 m高度上的氣壓為78.5 kPa。低壓開關(guān)設(shè)備的設(shè)計和運用目前大多僅適用于2 000 m以下的海拔高度，為確保在海拔2 000 m以上至最高5 000 m的高度下可靠運行，設(shè)計驗證和測試需要考慮與海拔高度相關(guān)的如下因素和影響：

1）介電強(qiáng)度降低，空氣中的絕緣強(qiáng)度需要重新評估。若低壓開關(guān)柜制造商通過降低工作電壓Ue來補(bǔ)償降低的空氣絕緣強(qiáng)度，將導(dǎo)致額定沖擊耐受電壓Uimp的適當(dāng)降低。

2）空氣密度的降低導(dǎo)致了短路分?jǐn)嗄芰cu和Ics降低。若低壓開關(guān)柜制造商通過降低工作電壓Ue和額定工作電流Ie來補(bǔ)償減少的短路分?jǐn)嗄芰?，將?dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生短路時通過電流和通過能量的減少。

3）環(huán)境空氣的冷卻效果降低，需要保證載流部件的溫升極限。若低壓開關(guān)柜制造商通過降低額定工作電流Ie來補(bǔ)償降低的冷卻效果，將導(dǎo)致負(fù)載的功率損耗減少，且保持其允許的溫升極限。

3? ? 高海拔地區(qū)對低壓開關(guān)柜的參數(shù)校正分析

低壓開關(guān)柜安裝在2 000 m及以下環(huán)境時有其額定值（表1），如果在更高的海拔高度使用，設(shè)備的額定性能可能會發(fā)生變化。這是因為隨著海拔增加，大氣條件和成分將發(fā)生變化，介電強(qiáng)度、空氣的冷卻能力和大氣壓等技術(shù)值也會受到影響并降低。Paschen定律本質(zhì)上指出，在更高的壓力下，間隙的擊穿特性是氣體壓力和間隙長度乘積的函數(shù)，通常寫成：

V=? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：V為以伏特為單位的擊穿電壓；p為以大氣或巴為單位的壓力；d為以米為單位的間隙距離；常數(shù)a和b取決于氣體的成分。

因此，功能單元的性能、設(shè)備都會受到降額的影響。在確定開關(guān)設(shè)備功能單元的尺寸時，必須考慮以下額定值：額定工作電流Ie、額定工作電壓Ue、額定絕緣電壓Ui、額定沖擊耐受電壓Uimp、額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu、工頻電壓（爬電距離特性）、額定環(huán)境溫度T。

以低壓開關(guān)柜在海拔2 000 m及以下時的參數(shù)做案例分析，當(dāng)安裝高度在海拔4 000 m時，需要做如下校正評估。

3.1? ? 高海拔4 000 m處的額定工作電壓Ue校正評估

因低壓開關(guān)柜的額定工作電壓是一個電壓值，需要與額定工作電流相結(jié)合，決定設(shè)備的應(yīng)用。同時，由于不同廠家的產(chǎn)品參數(shù)并非完全一致，具體在項目上使用前需要以產(chǎn)品對應(yīng)廠家發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)進(jìn)行評估。舉例如下：

ABB的Emax2空氣斷路器在海拔2 000 m以下，其性能不會發(fā)生任何變化。當(dāng)海拔高度超過2 000 m時，由于大氣成分和壓力的改變，斷路器的介電強(qiáng)度、冷卻性能等也會發(fā)生變化，因此斷路器需降容使用。這些變化主要體現(xiàn)在最大額定工作電壓和額定不間斷電流。

現(xiàn)在以將額定工作電壓為AC690 V的斷路器安裝于海拔4 000 m的場合為例進(jìn)行分析。如表2所示，在此海拔高度標(biāo)準(zhǔn)斷路器無法正常使用，需降容使用。要在AC690 V工作電壓下使用斷路器，必須使用AC1 150 V的型號。相反，在額定工作電壓為AC400 V的系統(tǒng)中，即使在降容后，該型號也能滿足所需的工作電壓。

3.2? ? 高海拔4 000 m處的額定絕緣電壓Ui校正評估

對于海拔2 000 m以上的安裝，為確定標(biāo)準(zhǔn)大氣參考條件下外部的絕緣水平，通過將開關(guān)柜設(shè)備所在的服務(wù)位置所需的絕緣耐受電壓乘以系數(shù)Ka[1]來確定標(biāo)準(zhǔn)化參考大氣條件下的外部絕緣水平。

Ka=exp[m0（H/8 150）]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：m0為海拔修正因子；H為海拔高度。

為確定適用的大氣校正系數(shù)，可以假設(shè)環(huán)境溫度和濕度的影響會相互抵消。因此，出于絕緣協(xié)調(diào)的目的，對于干式和濕式絕緣，只需考慮與位置海拔高度相對應(yīng)的空氣壓力。即，當(dāng)海拔高度為4 000 m時，對于普通絕緣，可以取m0=0.5，Ka計算如下：

Ka=expm0=exp0.5×≈1.28

在4 000 m處所需的Ui為：690×1.28=883.2 V。

除上述算法外，GB/T 20626.1—2017《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求》中5.5.1規(guī)定的修正系數(shù)[2]也已發(fā)布，參見表3得出修正系數(shù)也為1.28，同樣可得Ui（4 000 m）=690×1.28=

883.2 V。

國標(biāo)要求直接連接到主電路的任何輔助設(shè)備均應(yīng)與組件的Ui相同，但由于市場上沒有太多Ui高于800 V的設(shè)備，如低壓開關(guān)柜的Ui低于要求，建議使用雙絕緣電纜[3]，主要原因有以下幾點：

1）提高安全性能：雙絕緣電纜具有兩層絕緣層，相較于單層絕緣電纜，其抗干擾能力和絕緣性能更強(qiáng)。在電氣設(shè)備中，尤其是在爆炸性氣體環(huán)境中，雙絕緣電纜可以降低事故風(fēng)險，提高設(shè)備的安全性能。

2）增強(qiáng)耐電壓能力：雙絕緣電纜的兩層絕緣層可以共同承受電壓作用，使得電纜的耐電壓能力得到提高。在電氣設(shè)備中，這意味著雙絕緣電纜在遇到短路過電壓等突發(fā)狀況時，能更好地保護(hù)設(shè)備和人員安全。

3）防止局部放電：雙絕緣電纜可有效抑制局部放電，降低電纜絕緣層的損壞概率。局部放電是導(dǎo)致電纜老化、使用壽命縮短的主要原因之一，通過使用雙絕緣電纜，可以延長電纜的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本。

3.3? ? 高海拔4 000 m處的額定沖擊耐受電壓Uimp校正評估

在大多數(shù)情況下，用戶希望將額定沖擊耐受電壓Uimp保持在高水平，但這只有在能夠觀察到污染程度和允許的最小距離的情況下才有可能。應(yīng)該注意的是，空氣壓力在高海拔處變化，這影響穿透電壓的行為，從而也影響允許的最小距離。

3.3.1? ? 爬電距離

爬電距離定義了沿絕緣表面的兩個導(dǎo)電部件之間的最短距離，其要求取決于工作電壓和絕緣類型。根據(jù)GB/T 7251.1—2023《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》表16的規(guī)定[4]，當(dāng)額定絕緣電壓Ui=883.2 V、開關(guān)柜的材料組別為Ⅲa時，導(dǎo)體間的爬電距離約為13.78 mm，如表4所示。

3.3.2? ? 電氣間隙

根據(jù)GB/T 16935.1—2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗》中表A.2的規(guī)定[5]，如設(shè)備擬在4 000 m處使用，則需應(yīng)用1.29的間隙修正系數(shù)（表5）。即在安裝高度為4 000 m時，電氣間隙約為10.3 mm。

3.4? ? 高海拔4 000 m處的額定電流Ie校正評估

在海拔2 000 m以上的安裝高度，必須校正導(dǎo)線散熱減少的現(xiàn)象，校正還取決于環(huán)境溫度。關(guān)于高海拔地區(qū)導(dǎo)體散熱的減少，必須根據(jù)設(shè)備的Ie和安裝海拔的環(huán)境溫度應(yīng)用校正系數(shù)。如前面Paschen定律指出，空氣承受最大負(fù)荷值的行為與大氣壓力有關(guān)。根據(jù)以下不同高度的空氣壓力公式，會產(chǎn)生降額系數(shù)K3：

K3=? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Ph為海拔X m處的氣壓；Pn為海拔2 000 m處的大氣壓。

在高海拔4 000 m處，額定工作電流Ie的修正系數(shù)：K3=≈0.88。

由于低壓開關(guān)柜設(shè)備的智能設(shè)計，功率損耗可能較低，故可以選擇適當(dāng)?shù)母蟪叽绲膶?dǎo)線與設(shè)備相結(jié)合使用，以校正高海拔地區(qū)的補(bǔ)償散熱。

4? ? 建議

低壓配電系統(tǒng)的保護(hù)對象是低壓配電網(wǎng)中的各類配電設(shè)備和用電設(shè)備。作為改進(jìn)Uimp的附加選項，可以使用浪涌保護(hù)裝置。為實現(xiàn)給定過電壓類別的必要Uimp，建議結(jié)合其他措施使用合適的浪涌保護(hù)器。如表6[6]所示，針對高海拔情況，過電壓類別Ⅳ的電氣設(shè)備可以承受更高的浪涌電壓，所有進(jìn)線回路均應(yīng)考慮T1級浪涌保護(hù)器，以分別保護(hù)裝置和設(shè)備免受瞬態(tài)電壓的影響，并給出系統(tǒng)電壓的限值，包括容許的過電壓。但必須根據(jù)應(yīng)用情況使用推薦的浪涌參數(shù)做后備保護(hù)。

5? ? 結(jié)論

本文針對高海拔環(huán)境下的低壓開關(guān)柜運用問題，分析了高海拔環(huán)境下低壓開關(guān)柜面臨的挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，通過對比和校正，驗證了所提技術(shù)方案的合理性和有效性。研究結(jié)果表明，所采取的技術(shù)措施能有效提高在高海拔環(huán)境下低壓開關(guān)柜的運行穩(wěn)定性和可靠性。在今后的高海拔地區(qū)低壓開關(guān)柜設(shè)計和應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮高海拔環(huán)境的特殊性，采用針對性技術(shù)措施，以確保低壓開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運行。

本文以ABB的MNS3.0低壓開關(guān)柜為研究對象，當(dāng)其應(yīng)用從海拔2 000 m及以下擴(kuò)展到4 000 m時，通過對電氣參數(shù)進(jìn)行校正，來滿足其使用性能，如表7所示。

同時對于指定環(huán)境的開關(guān)柜設(shè)備使用建議，以及在特定安裝高度下需要采取的措施，除了以上參數(shù)，還要注意如下事項：

1）盡可能采用較高絕緣等級產(chǎn)品。針對高海拔地區(qū)空氣稀薄、絕緣強(qiáng)度降低的問題，可以采用增加絕緣厚度、提高絕緣等級等方法來改進(jìn)絕緣結(jié)構(gòu)。同時，采用局部放電檢測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備內(nèi)部的潛在隱患。

2）在高海拔環(huán)境下，設(shè)備的散熱能力降低，容易導(dǎo)致設(shè)備過熱。因此，應(yīng)優(yōu)化設(shè)備散熱設(shè)計，提高設(shè)備散熱效率。例如，采用強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷方式，提高設(shè)備的散熱效果。

3）由于空氣密度減小使得空氣擊穿強(qiáng)度降低，以及觸頭材料的熔點與沸點降低，在電弧電流高溫的作用下，觸頭材料的升華比低海拔時快，觸頭材料損失嚴(yán)重。因此，針對斷路器的分?jǐn)嗄芰σ矔鄳?yīng)減小，在選型時需考慮大一擋的分?jǐn)嗳萘縖7]。

4）針對高海拔項目，所有進(jìn)線回路均應(yīng)考慮電涌保護(hù)器，以分別保護(hù)裝置和設(shè)備免受瞬態(tài)電壓的影響，并給出系統(tǒng)電壓的限值，包括容許的過電壓。

5）除電氣間隙、爬電距離和沖擊耐受電壓外，高海拔地區(qū)使用低壓成套設(shè)備還需要考慮空氣壓力、溫度、污染、相對濕度、凝結(jié)等環(huán)境因素。

6）針對高海拔項目，采用熱脫扣元件，由于散熱條件的變化，其脫扣特性會發(fā)生一定偏移，而電子式脫扣器的脫扣特性基本上不受高原條件的影響[8]。因此，宜采用動作特性受海拔影響較小部件，如智能電子脫扣器。

7）對于電子部件，例如變頻器和軟啟動器，可能需要按海拔降容系數(shù)，降低1 000 m以上的額定值。

8）對于某些應(yīng)用，連續(xù)電流的降額系數(shù)是微不足道的，設(shè)備通常不會在其連續(xù)電流能力的極限下使用。除非另有說明，否則根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，高海拔地區(qū)的環(huán)境溫度通常低于40 ℃。

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收稿日期：2024-03-01

作者簡介：蔡雄雄（1989—），男，福建仙游人，工程師，主要從事低壓成套設(shè)備的售前技術(shù)支持工作。