海拔对高压电器设备空气间隙放电性能的影响研究

张林，李林，贾连华，吴炳卫，董俊

（昆明高海拔电器检测有限公司 昆明电器科学研究所，昆明 651799）

引言

我国1 000 m及以上高原约占全国总面积26 %，高原地区特殊环境条件对电气设备提出了更高技术性能要求，我国现行国家标准中对高压电器设备的正常使用条件做了规定，一般为海拔1 000 m及以下[1]。根据昆明电器科学研究所和国家高原电器产品质量监督检验中心的试验研究，海拔升高，绝缘强度随之下降，普通产品进入高原地区使用，必须重新设计，进行高海拔环境条件下模拟试验验证，才能保证运行可靠[2]。

随着西部大开发战略的深入推进，以及“一带一路”战略的实施，地处高原的西部地区经济与战略格局正在改变，高海拔地区对高压电器设备的需求也越来越大，气压对空气间隙放电性能的影响研究对指导产品改进升级有着重要意义。

1 试验研究路线设计

结合GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求中10 kV电压等级的开关柜产品的绝缘试验要求，在总结多年来各种类型10 kV高压开关柜的试验经验基础上，针对性设计研制了一种可以模拟多种电场、自动/手动控制间隙距离调整的研究装置，可以很好地在高海拔模拟实验室内进行放电性能的研究[3]。

2 研究方案

本项目通过异步电动机和PLC控制带状铜母线和镀锌金属板之间的间隙来测量不同海拔状态时固定电压下的放电间隙和固定间隙下的放电电压。

为了排除温度和湿度的影响，每次试验都将温度和湿度调整到相对恒定的范围，然后在不同海拔下依次进行试验。试验时试验分两阶段实施：第一阶段研究相同温湿度、相同电压值、不同海拔下的放电间隙，通过改变带状铜母线和镀锌金属板之间的电气间隙，测试不同海拔下的放电间隙。第二阶段研究相同温湿度、相同电气间隙、不同海拔下的放电电压，将海拔依次升高，测试不同海拔下的放电电压。试验允许误差工频耐受电压±1 % kV，雷电冲击耐受电压±3 % kV[4]，温度±2 ℃，相对湿度±3 %，电气间隙±1 mm。

3 相同温湿度、相同耐压值、不同海拔条件下的放电间隙的试验及数据分析

试验时固定试验电压，工频耐受电压值为42 kV、雷电冲击耐受电压值为75 kV。将高海拔环境模拟试验室温度调节至20 ℃，相对湿度调节至65 %，将海拔从0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m依次升高，每个海拔下进行5次工频耐受电压试验、5次正极性雷电冲击耐受试验、5次负极性雷电冲击耐受试验，测量放电临界电气间隙，求取平均值。不同海拔条件下的放电间隙特性见图1。

图1 不同海拔条件下的放电间隙特性

通过图1数据分析可知，温度和湿度保持相对恒定、工频和雷电冲击试验电压不变的情况下，随着海拔逐渐升高，放电间隙呈逐渐增大的趋势。对于雷电冲击试验，同一试验电压值情况下，正极性和负极性放电间隙差别很大。工频放电电气间隙海拔2 000 m和3 000 m之间差值最大，海拔从4 000 m和5 000 m之间差值最小；正极性雷电冲击放电电气间隙海拔1 000 m和2 000 m之间差值最大，3 000 m和4 000 m之间差值最小；负极性雷电冲击放电电气间隙海拔2 000 m和3 000 m差值最大，3 000 m和4 000 m之间差值最小。海拔从0 m逐渐升高到5 000 m的过程中，负极性雷电冲击放电电气间隙增加的幅度最大，工频放电电气间隙增加的幅度次之，正极性雷电冲击放电电气间隙增加的幅度最小。

4 相同温湿度、相同电气间隙、不同海拔条件下的放电电压试验及数据分析

试验时，固定带状铜母线和镀锌金属板之间的电气间隙为120 mm，将高海拔环境模拟试验室温度调节至20 ℃，相对湿度调节至65 %，海拔按0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m依次升高，测试不同海拔下的临界放电电压，求取平均值。放电间隙特性见图2。

图2 不同海拔条件下的放电电压折线图

通过图2数据分析可知，温度和湿度保持相对恒定、电气间隙不变的情况下，随着海拔逐渐升高，放电电压呈逐渐减小的趋势。对于雷电冲击试验，同一电气间隙情况下，正极性和负极性放电电压差别很大。工频放电电压海拔2 000 m和3 000 m之间差值最大，海拔从1 000 m和2 000 m之间差值最小；正极性雷电冲击放电电压海拔1 000 m和2 000 m之间差值最大，0 m和1 000 m之间差值最小；负极性雷电冲击放电电压海拔1 000 m和2 000 m差值最大，2 000 m和3 000 m之间差值最小。海拔从0 m逐渐升高到5 000 m的过程中，工频放电电压增加的幅度最小，正极性雷电冲击放电电压增加的幅度次之，负极性雷电冲击放电电压增加的幅度最大。

5 研究结果总结

对于带状铜母线和镀锌金属板组成的试验装置，同一试验电压情况下，随着海拔逐渐升高，放电间隙呈逐渐增大的趋势；同一电气间隙的情况下，随着气压逐渐降低（对应海拔逐渐升高），放电电压呈逐渐减小的趋势[4]。试验装置的电场属于极不均匀电场，极不均匀电场最显著的特征是极性效应。对于雷电冲击试验，同一试验电压值情况下，正极性和负极性放电间隙差别很大；同一电气间隙情况下，正极性和负极性放电电压差别同样很大。但是，两个阶段试验中，电气间隙及放电电压随海拔升高的具体幅度并不成线性关系。

6 结语

电气间隙放电是造成电器设备运行故障的重要原因，严重时会危及电力系统的安全稳定运行。使用在高海拔地区的以空气作为绝缘介质的高压电器设备，设计制造时应充分考虑海拔对其放电性能的影响[5]。首先，应尽可能增大电气间隙，以提高放电电压。其次对各内装元器件和母排进行合理的布置，消除母排表面毛刺、尖角，改善电场分布，使电场尽量均匀。再次，可使用绝缘材料（玻璃、环氧树脂、聚四氟乙烯等）对电场进行屏蔽，在适当位置安装用绝缘材料制作的绝缘板、套管等。

由于每个类型的高压电器设备，其内部的结构各不相同，电场分布会出现各种各样的情况，高海拔环境气压的改变也会加剧电场分布的复杂程度，加之每个制造厂的生产工艺水平也参差不齐；因此，有时理论计算和实际成品会有很大出入，对于高海拔地区使用的产品应注重试验手段的验证，按国家高原标准的规定进行高原型式试验，取得合格报告，得到电网的认可和信任。