李海峰，王幫田，孫鵬程，孫廣濤，王軍委

(許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廣大高海拔地區(qū)中壓成套電氣設(shè)備的需求量也逐年增加，而目前市場(chǎng)上按照IEC62271、GB3906 設(shè)計(jì)的中壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備是按照海拔高度1 000 m 及以下使用條件設(shè)計(jì)制造的，市場(chǎng)上暫無(wú)海拔3 000 m 及以上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品［1］。通過(guò)采用增大電氣間隙、增加爬電距離、采用復(fù)合絕緣等方法能夠滿(mǎn)足高海拔地區(qū)的中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備外絕緣強(qiáng)度的要求，但過(guò)多的采用復(fù)合絕緣或加大爬電距離的方法，隨著時(shí)間推移及長(zhǎng)期處于強(qiáng)烈的紫外線(xiàn)環(huán)境下，絕緣件老化速度較快，設(shè)備的可靠性也會(huì)大打折扣［2］。

本研究從現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)著手，在充分考慮高海拔地區(qū)環(huán)境對(duì)產(chǎn)品電氣性能的影響基礎(chǔ)上，通過(guò)產(chǎn)品試驗(yàn)的驗(yàn)證，對(duì)高海拔地區(qū)中壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)及選型問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1 高海拔環(huán)境對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備電氣性能的影響

在高海撥地區(qū)，海拔高度每上升1 000 m，相對(duì)空氣壓力大約降低12%，空氣密度降低約10%，絕對(duì)濕度隨海拔高度的升高而降低［3］?？諝鈮毫涂諝饷芏鹊南陆?，引起設(shè)備外絕緣強(qiáng)度的降低;空氣密度降低導(dǎo)致設(shè)備散熱性能下降而影響溫升效果;平均絕對(duì)濕度降低時(shí)，設(shè)備外絕緣強(qiáng)度隨之降低;太陽(yáng)日間輻射強(qiáng)度較大，加快了電氣設(shè)備絕緣材料的老化速度;環(huán)境溫差加大，電氣設(shè)備表面易形成凝露，容易發(fā)生沿面閃絡(luò)放電的現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣件強(qiáng)度及機(jī)械性能大大減弱，并對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能產(chǎn)生不良的影響［4-5］。

1．1 對(duì)絕緣水平的影響

在工況條件下，電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行的主要表現(xiàn)為，其帶電導(dǎo)體與接地部件之間的電氣間隙(空氣或復(fù)合絕緣間隙)不被擊穿。由巴申定律(Paschen's Law)可知，兩平行導(dǎo)體間的擊穿電壓與導(dǎo)體間氣體的壓力和距離的乘機(jī)有關(guān)，見(jiàn)下式［6］:

式中:a，b—實(shí)數(shù);p—壓力;d—極間距離。

試驗(yàn)表明:海拔每升高1 000 m，平均氣壓則降低7．7 kPa～10．5 kPa，由公式可知，電氣間隙一定時(shí)，隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，擊穿電壓也隨之下降，當(dāng)氣壓下降到臨界值時(shí)，擊穿電壓開(kāi)始上升，絕緣水平增加。

巴申曲線(xiàn)如圖1 所示。對(duì)采用真空滅弧的開(kāi)關(guān)設(shè)備，其電氣間隙一定，應(yīng)用于海拔高度低于4 000 m 及以下時(shí)，由圖1 可知，其外絕緣水平隨空氣壓力下降而降低。內(nèi)絕緣水平隨著氣壓降低，真空度上升，擊穿電壓大幅提高，因此可忽略外部大氣條件對(duì)其的影響，無(wú)需采用特別的措施。

圖1 巴申曲線(xiàn)

因此，開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝在高于海拔1 000 m 時(shí)，其外絕緣耐受水平應(yīng)為額定絕緣水平乘以修正系數(shù)，目前，修正系數(shù)計(jì)算有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)可以參考。

1．1．1 GB/T 11022—2011

修正系數(shù)Ka可由圖2［7］查詢(xún)確定。

圖2 海拔修正系數(shù)

也可按照公式(2)［7］計(jì)算:

式中:H—海拔高度;對(duì)于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓，m=1，對(duì)于縱絕緣操作沖擊電壓，m =0．9，對(duì)于相對(duì)地操作沖擊電壓，m=0．75。

1．1．2 GB/T 311．1—2012

新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不再沿用以線(xiàn)性化方程來(lái)處理的計(jì)算方法，而采用與IEC 標(biāo)準(zhǔn)相同的曲線(xiàn)查找或公式計(jì)算的方式［8］，使得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)海拔修正系數(shù)的計(jì)算得到統(tǒng)一。

1．2 對(duì)溫升的影響

采用空氣作為散熱介質(zhì)的中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，空氣壓力或空氣密度的降低引起空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)的降低，對(duì)于以自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)或空氣散熱器為主要散熱方式的電工產(chǎn)品，因散熱能力的下降，導(dǎo)致設(shè)備溫升增加。

交流系統(tǒng)的設(shè)備溫升按式(3)［9］進(jìn)行修正:

式中:Kτ—溫升的高海拔校正系數(shù)，H—海拔高度。

由式(3)計(jì)算可知，在海拔1 000 m～5 000 m 范圍內(nèi)，每升高1 000 m，溫升修正系數(shù)如表1 所示。

表1 溫升隨海拔高度增加修正系數(shù)

本研究取開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升最嚴(yán)酷部位-動(dòng)、靜觸頭嚙合處的溫升指標(biāo)，通過(guò)查詢(xún)GB/T 1100—2011 可知，在空氣中，采用鍍銀銅觸頭的溫升允許值為65 K，按照表1 由式(3)確定的系數(shù)修正，海拔高度每升高1 000 m，溫升增加約2 K。

高海拔地區(qū)，在無(wú)外部熱源及遮護(hù)的情況下，空氣溫度隨海拔高度的增高而降低，一般研究所采集的溫度與海拔高度的關(guān)系如表2 所示。

表2 環(huán)境溫度與海拔高度的關(guān)系

從表2 中可以看出:一般情況下，海拔高度每升高1 000 m，最高環(huán)境溫度會(huì)下降5 ℃，平均溫度也降低5 ℃。

1．3 對(duì)開(kāi)斷能力的影響

空氣壓力或空氣密度的降低，使得以空氣為絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)設(shè)備滅弧性能降低、開(kāi)斷能力下降及電壽命縮短。對(duì)于采用真空滅弧的開(kāi)關(guān)設(shè)備，是使用旋弧觸頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)吹滅電弧，海拔高度對(duì)其開(kāi)斷能力的影響較小，但隨著海拔高度的增加，應(yīng)選用有較大爬距的滅弧室，并對(duì)其外絕緣進(jìn)行加強(qiáng)。

1．4 對(duì)機(jī)械性能的影響

高海拔地區(qū)晝夜溫差較大，對(duì)成套設(shè)備內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)部件，如斷路器操作機(jī)構(gòu)、接地開(kāi)關(guān)、脫扣器等，需要考慮因溫度變化而造成的材料變形對(duì)公差的影響。在結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系上，要考慮和預(yù)留出基于海拔因素下的更大的尺寸。同時(shí)絕緣件、互感器外殼容易龜裂以及密封結(jié)構(gòu)也易破裂，選型時(shí)要多加注意，盡量選擇通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)的元器件。

2 高海拔中壓成套設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)高海拔環(huán)境對(duì)電氣性能的影響，本研究在目前市場(chǎng)上成熟的KYN61-40．5 開(kāi)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，完成了應(yīng)用于海拔高度3 000 m 的開(kāi)關(guān)設(shè)備的試制，其主要技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

2．1 電氣間隙確定

電氣間隙是以開(kāi)關(guān)設(shè)備所能承受的耐壓水平來(lái)確定的，對(duì)于定型的中壓成套設(shè)備而言，其電氣間隙已經(jīng)確定，以空氣作為絕緣介質(zhì)開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)各相間及對(duì)地空氣凈距如表3 所示。

表3 開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)空氣凈距

隨著海拔高度的增加，設(shè)備擊穿電壓降低，要想使開(kāi)關(guān)設(shè)備在高原環(huán)境使用時(shí)有足夠的耐擊穿能力，必須增大電氣間隙，對(duì)應(yīng)用于高海拔地區(qū)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，電氣間隙的確定需要考慮的因數(shù)較多，如滿(mǎn)足絕緣要求、銅排的加工工藝、是否絕緣包封、污穢等級(jí)等，按照理想狀態(tài)下，裸導(dǎo)體的空氣凈距一般按照海拔高度每增加1 000 m，電氣間隙增加10%考慮，電氣間隙修正系數(shù)如下式:

式中:KD—電氣間隙修正系數(shù)，H—海拔高度。

例(16)是見(jiàn)證過(guò)勤業(yè)中學(xué)與眾不同的課堂活動(dòng)后對(duì)其新穎的教學(xué)方式的稱(chēng)贊，其首創(chuàng)的展評(píng)學(xué)習(xí)法、炸蝦餅、學(xué)沙畫(huà)、甩響鞭等“十八般武藝”讓記者震撼；例(17)是網(wǎng)友稱(chēng)贊“在 C 羅罰球前，看他的眼神就知道此球必進(jìn)！”，因而就有了“確認(rèn)過(guò)眼神”來(lái)稱(chēng)贊C羅的厲害球技；例(18)中四川省某派出所輔警在成都陪妻子逛街時(shí)，只因在茫茫人海中多看了一眼，竟發(fā)現(xiàn)了一名犯罪嫌疑人，并最終將其抓獲，該構(gòu)式形象地表達(dá)了“確認(rèn)過(guò)眼神”，并稱(chēng)贊警察的盡職盡責(zé)；例(20)在看過(guò)視頻之后，才確定是甘肅，借助宣傳片似乎已能身臨其境地感受到甘肅之美。

應(yīng)用于海拔高度3 000 m 時(shí)，由式(4)計(jì)算可得，修正系數(shù)為1．21，修正后設(shè)備最小電氣間隙如表4 所示。

表4 修正后最小電氣間隙

2．2 爬電距離確定

爬電距離與除了與絕緣類(lèi)型有關(guān)外，還與微環(huán)境污染等級(jí)(污穢等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)、材料的絕緣性能、工作電壓等密切相關(guān)，對(duì)純瓷及有機(jī)絕緣件的外絕緣爬電比距及相應(yīng)值的應(yīng)用范圍規(guī)定如表5［10］所示。

表5 爬電比距

應(yīng)用于高海拔環(huán)境下時(shí)，必須對(duì)爬電距離進(jìn)行修正，目前國(guó)標(biāo)對(duì)如何計(jì)算修正沒(méi)有明確規(guī)定，長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，絕緣介質(zhì)的濕閃或污閃電壓與其爬電距離有接近線(xiàn)性的關(guān)系，且通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)海拔每升高100 m，爬電距離增加1%可以有效降低沿面的閃絡(luò)發(fā)生，保證絕緣件的絕緣性能。

在一般情況下，當(dāng)海拔高度在1 000 m～2 000 m時(shí)，開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)的一次元件可以按照II 級(jí)污穢條件來(lái)設(shè)計(jì)其外絕緣爬電比距，即瓷質(zhì)為18 mm/kV;有機(jī)絕緣為20 mm/kV(個(gè)別污穢較重地區(qū)可按有機(jī)絕緣25 mm/kV考慮)，目前市場(chǎng)上的中壓成套設(shè)備采用的全工況、加強(qiáng)絕緣型絕緣產(chǎn)品產(chǎn)品，其外絕緣尺寸相對(duì)來(lái)說(shuō)有一定的裕度，基本上能滿(mǎn)足海拔高度3 000 m條件下的運(yùn)行要求。

2．3 復(fù)合絕緣方案

針對(duì)海拔高度不大于1 000 m 而設(shè)計(jì)的成套設(shè)備，其配套元器件尺寸受安裝條件限制，電氣間隙往往不能滿(mǎn)足高海拔的絕緣要求，而重新設(shè)計(jì)柜型的成本較大，這時(shí)可以采用復(fù)合絕緣等加強(qiáng)絕緣型工藝措施來(lái)解決絕緣問(wèn)題:

(1)采用進(jìn)口制作的自粘硅膠帶對(duì)導(dǎo)體搭接處進(jìn)行包封，防止出現(xiàn)僅靠熱縮套盒包封出現(xiàn)的問(wèn)題。

(2)母排搭接處采用絕緣包封護(hù)套，且要求與母排緊貼、無(wú)氣泡。

(3)金屬活門(mén)對(duì)帶電體一側(cè)和活門(mén)上下邊緣硫化處理或采用絕緣材料活門(mén)。

(4)相間或相對(duì)地之間增加絕緣隔板。

(5)選用帶雙屏蔽的穿墻套管，改善套管安裝位置的電場(chǎng)分布，提供局部放電電壓，應(yīng)盡量選用受溫差影響變化不大及防老化程度高的絕緣材料(如SMS 或DMC 模塑料)。

(6)斷路器采用加強(qiáng)絕緣型固封極柱，增大爬電距離，提高絕緣水平。

DL/T 404—2007 5．106 要求:“以空氣和絕緣板組成的復(fù)合絕緣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，帶電梯與絕緣板之間的最小空氣間隙應(yīng)滿(mǎn)足上述要求:對(duì)3．6 kV、7．2 kV 和12 kV 設(shè)備應(yīng)不小于30 mm;對(duì)24 kV 設(shè)備應(yīng)不小于45 mm;對(duì)40．5 kV 設(shè)備應(yīng)不小于60 mm?！北狙芯拷Y(jié)合高海拔地區(qū)產(chǎn)品制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了表6 所列數(shù)據(jù)，且選用的絕緣材料厚度不應(yīng)小于3 mm，并需考慮絕緣件固定件的位置及材料，并優(yōu)先選用老化后的絕緣材料。

表6 復(fù)合絕緣的空氣間隙 (單位:mm)

2．4 輔助措施應(yīng)用

針對(duì)高海拔地區(qū)氣溫低、個(gè)別地區(qū)濕度大的氣候特性，開(kāi)關(guān)設(shè)備常采用溫濕度控制器和加熱元件來(lái)降低凝露，溫濕度控制區(qū)可以控制加熱元件長(zhǎng)期投入或自動(dòng)投入，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行除濕和防潮，并在溫度過(guò)低時(shí)，通過(guò)升溫對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)其他元器件起到加熱作用。

2．5 導(dǎo)體及柜體加工工藝

一般說(shuō)來(lái)，均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)比極不均勻電場(chǎng)間隙的要高的多，因此，通過(guò)改進(jìn)導(dǎo)電體的形狀、增加電極的曲率半徑來(lái)改善帶電導(dǎo)體周邊的電場(chǎng)分布，提高氣隙的擊穿電壓是非常有效的方案，導(dǎo)體的選擇及加工工藝尤其重要，導(dǎo)體應(yīng)盡量選用R 型、D 型或圓角等邊緣帶圓角外形結(jié)構(gòu)，同時(shí)還須盡可能地消除電極上的飛邊毛刺、銳緣、焊縫、棱角等，提高電極表面的光潔度，消除局部場(chǎng)強(qiáng)，避免尖端放電。

開(kāi)關(guān)設(shè)備柜體，特別是與帶電導(dǎo)體距離較近的部位，應(yīng)采用多重折彎工藝，避免板材切割及制作過(guò)程中形成的毛刺、尖端及焊縫，改善電場(chǎng)分布，盡量避免不均勻電場(chǎng)的形成。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2013年12月，筆者所在公司進(jìn)行了KYN61-40．5開(kāi)關(guān)設(shè)備的樣機(jī)試制，并按照表7 所示的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)按照式(2)計(jì)算的系數(shù)進(jìn)行修正。

表7 絕緣試驗(yàn)參數(shù)

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅靠在現(xiàn)有成型柜的基礎(chǔ)上部分改動(dòng)來(lái)滿(mǎn)足高海拔環(huán)境下的絕緣要求，需要大量采用復(fù)合絕緣來(lái)彌補(bǔ)電氣間隙不足帶來(lái)的絕緣問(wèn)題，但隨著絕緣材料老化的增加，對(duì)產(chǎn)品的可靠性也留下很大的隱患。

對(duì)12 kV 開(kāi)關(guān)柜而言，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了國(guó)內(nèi)幾十年的設(shè)計(jì)改進(jìn)及運(yùn)行，元器件及加工工藝已較成熟，應(yīng)用于海拔3 000 m 時(shí)，其也能可靠運(yùn)行，而40．5 kV 開(kāi)關(guān)設(shè)備，通過(guò)本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)還需進(jìn)一步提高絕緣水平的薄弱環(huán)節(jié)，特別是絕緣件爬距小及互感器的絕緣水平較低，接地開(kāi)關(guān)的開(kāi)距小及刀頭電場(chǎng)不均勻等，還需進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)研究工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究從現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)著手，根據(jù)國(guó)內(nèi)高海拔中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制造了樣機(jī)一臺(tái)，為今后高海拔地區(qū)中壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)。試制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的加工工藝、絕緣件的選擇、接地開(kāi)關(guān)的空氣凈距等是影響樣機(jī)成敗的關(guān)鍵因素，因試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法模擬高海拔的環(huán)境條件，對(duì)產(chǎn)品的其他性能未能進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前高海拔環(huán)境下中壓成套設(shè)備存在的問(wèn)題，需要各個(gè)學(xué)科共同努力，還需總結(jié)行業(yè)設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，加快研究適用特殊環(huán)境條件下的技術(shù)措施，研發(fā)新材料、新工藝、新技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)，建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和完善的試驗(yàn)方法，為高海拔地區(qū)提供更多優(yōu)質(zhì)、可靠的開(kāi)關(guān)設(shè)備。

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