高海拔地区主要电气设备的选型探索

2022-08-24袁致忠

农村电气化 2022年8期

袁致忠

（紫金矿业集团股份有限公司，福建龙岩 364200）

西藏某多金属矿山以日处理10 万t 采选工艺为主，主要产品为铜、钼等多金属，项目于2021年12月底正式投产。该选矿系统平均海拔在4875 m，其中最高海拔采矿厂机械维修车间在5370 m，属于超高海拔范围。由于高海拔地区环境的特殊气候条件，对主要电气设备的选型提出更高的要求，现结合西藏某多金属矿山电气设备选型成功经验，提出对高海拔主要电气设备的选型进行探索和研究。

1 高海拔地区的主要气候特性

据相关资料表明，我国的高海拔及以上地区面积达到了总国土面积的33%以上。高海拔及以上地区的气候条件相对比较特殊，每一项都对电气元器件的选择产生重大影响，主要包括以下几方面：空气气压低，环境温度低、温差大，空气干燥，紫外线强，降水量较少。

2 高海拔及以上地区10 kV开关柜的选型

2.1 电气设备的绝缘强度易受到气压与空气密度的影响

2.1.1 对空气绝缘介质强度的影响

电气设备的绝缘强度会将空气作为绝缘介质，而在高海拔及以上地区，随着海拔的提升，绝缘强度也会随着空气中气压的降低而逐渐降低。所以部分企业在高海拔地区设计10 kV 开关柜型时，选用KYN28-24柜型，以增加导体之间的绝缘间距，来满足高海拔的使用要作；在超高海拔和极高海拔地区设计10 kV 开关柜时，优先选用气体绝缘开关柜型。

2.1.2 击穿电压对电气间隙的影响

随着海拔的升高，环境温度的降低，气压也进一步下降，电气元器件的击穿电压也会因此出现下降现象。只有增加爬电距离、电气间的间隙，才能保证电气设备在高海拔及以上地区安全稳定运行，在高海拔地区也能保证电气产品拥有相应的耐压能力。

不同海拔高度下，将空气作为绝缘介质的柜内相各间及对地净距会随着电压等级的不同发生变化。

当开关柜的外形尺寸受现场条件的限制时，开关柜的设计时，基本采用绝缘板来增加绝缘距离，具体按如表1所示选用。

表1 海拔高度与开关绝缘距离的关系

2.2 环境温度的降低及变化对电气设备性能的影响

在高海拔及以上地区，其温度会随着时间段的变化而发生变化，对环氧树脂电气产品，容易产生开裂、塑性变形等损坏事件，可能造成电气安全事故。

高海拔地区的环境温度相对较低，开关柜内的元器件必须满足低温环境的要求，如塑料配件塑性变形的选择和润滑方式的选择等。

2.3 环境污秽对电气间隙和爬电间距的影响

高污秽环境对电气设备电气间隙和爬电间距的影响主要有以下几方面。

2.3.1 电气元器件及连接部位的腐蚀影响

高海拔及以上地区还有可能存在粉尘、盐雾、高污秽腐蚀性气体等使用环境，当其与潮湿性环境发生反应后，其腐蚀性也会变得极强。随着其所处时间的延长，可能还会出现下述问题：裸铜母线的部分部位可能会变为浅蓝色或黑色并脱落；腐蚀镀银母线和镀银开关接头，导致银线突出（银须效应）；母排过热，母排的连接处的导电性降低，这会引发高电阻现象，可能会出现母排接触点温度过高等问题；抽取式镀银触点开始氧化，触点变黑，并开始出现过热。

以上问题如果是一次回路出现故障，可能会导致绝缘击穿、过热，从而引发接地故障；如果是二次回路出现故障，将出现误报、误分合或拒动等问题，直接影响设备的安全性能，同时将造成事故停电。

2.3.2 高污秽环境下对开关柜结构零件的腐蚀影响

开关柜结构零件的表面处理工艺直接影响电气设备的安全运行，特别是高污秽环境下开关柜结构零件表面处理尤为重要，漆膜工艺和厚度，镀锌层工艺、附着力和厚度等指标等应该根据实际使用情况进行调整。不同污秽程度对应了不同的指标等级，在选择镀锌层厚度、防护漆品牌时，也应该根据实际的污秽程度进行调整，减少污秽环境对开关柜结构件的腐蚀作用，同时加强电化学腐蚀防护措施。须要注意的是，一旦开关柜结构零部件受到腐蚀，产品的性能也会受到影响，例如：承担动热稳定性的开关柜结构部件就比较容易受到腐蚀，引发产品性能问题。

2.3.3 高污秽环境下对开关柜元器件的腐蚀影响

开关柜元器件在高污秽环境下非常容易受到腐蚀，如果元器件要应用于高污秽环境中，一方面要提升其设计的防护等级，在元器件的结构设计阶段，就要考虑在高污秽环境下腐蚀影响，提高防护等级，对其中设计不合理的地方进行优化；另一方面，还可以根据高污秽环境的实际情况，依照我国的相关规范与标准，选择相应的金属材料进行控制，例如：进口敷铝锌钢板的耐腐蚀能力极强，通过表面处理工艺对金属板材进行优化（例如加钝化处理），都能够提升元器件在高污秽环境中的耐腐蚀能力。除此之外，油品牌、牌号、涂层附着力、涂层厚度、质量检测标准等，都是须要考虑的因素。

2.4 强紫外线对电气设备的影响

高海拔地区太阳辐射比平原高的多，同个地区不同时间段的太阳辐射也不相同，较强的紫外线会加热电气设备或电缆材料，特别是对吸热较强的颜色特别明显，造成绝缘材料的性能下降，使导电体之间的空气电离形成短路故障；同时也会造成部分材料塑性变形产生结构强度下降。

2.5 改进铜排及导体的外部形状，均匀电场分布，防止尖端放电

为减少铜母排之间的尖端放电现象，尽量选用倒角铜排，应该将铜母排的毛刺、棱角清除干净，使铜母排的表面粗糙度尽可能降低，减少尖端分电现象发生。

3 高海拔地区低压电气设备的选型

3.1 高海拔低压电气设备的降容分析

针对高海拔地区地理位置标高的抬升，造成现场环境温度的降低。海拔每升高100 m，电气设备的温升升高约0.1～0.5 K，查询国家标准，温度的降低足够补偿由于海拔升高对电气温升的影响。

对于连续工作的大发热量电气设备，如电阻或水电阻等，可适当降低容量来使用，保证设备的运行安全。

部分品牌在不同海拔下的降容要求，当海拔高度超过2000 m 时，大气中的绝缘性能、冷却性能、空气压力等都会发生变化，其性能参照表2、表3所示修正。

表2 海拔高度与电压之间的关系

表3 海拔高度与电流之间的关系

3.2 耐压等级

通常情况下，低压电气在设计与制造时，已考虑了不同海拔对电气元器件的影响，据相关试验表明，大部分电气元器件都能够适应海拔4000 m以下的高海拔地区，都能在额定条件下正常运作。

上述断路器降容说明表中，明确地指出了断路器的工作电压存在降低现象，因此在电气设备选型时，电气元器件应该确保额定电压≥690 V，才能满足高海拔地区的正常使用要求。

3.3 动作特性

对于热继电器等利用双金属材料来检测电流发热温度而动作的电气元器件，随着海拔高度的升高，环境温度会降低，双金属材料的发热特性也会改变，将造成电流整定值与实际运行电流存在差异，起不到过载保护或短路保护功能。

低压熔断器熔体的额定载流量在过载保护情况下，熔断时间随高海拔现场环境温度下降而抬升；而在短路保护情况下，熔断时间只随电流的大小相关，与环境温度的变化无太大的关系。

4 高原电气设备的标识

根据国家标准GB/T 20626.1—2017《特殊环境条件高原电工电子产品》的规定，结合实际使用环境下的高原条件、海拔高度等数据，在相应海拔分级区间确定产品和设备的海拔适应能力级别，具体如下：G2 级别，海拔高度在1000 m 以上，不超过2000 m。G3 级别，海拔高度在2000 m 以上，不超过3000 m。G4 级别，海拔高度在3000 m 以上，不超过4000 m。G5 级别，海拔高度在4000 m 以上，不超过5000 m。如须按实际海拔标注的，可按如下方法标注，如G2.5表示海拔为2500 m；G3.6表示海拔为3600 m。