低压开关柜在高海拔地区的运用

2024-07-01蔡雄雄

机电信息 2024年12期

摘要：关于低压开关柜在高海拔地区的应用，最重要的是与尺寸参数相关的影响，如电气间隙和爬电距离，这是由于气压随海拔升高而降低。在某些环境参数下，固体绝缘产生的电场负载取决于设备结构，并根据适用的产品标准通过测试程序验证，仅适用于2 000 m的应用高度。海拔在2 000 m以上必须重新评估设备的规定参数，如额定工作电压Ue、额定绝缘电压Ui、额定冲击耐受电压Uimp和额定电流Ie等。通过应用某些校正系数和附加措施，低压开关柜可以在更高的海拔高度使用。

关键词：高海拔；低压开关柜；额定工作电压；额定绝缘电压；额定冲击耐受电压

中图分类号：TM591 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）12-0018-04

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

0 引言

随着我国电力系统的不断扩大和能源需求的日益增长，低压开关柜在高海拔地区的应用越来越广泛。然而，高海拔环境下的低压开关柜运行存在一定的特殊性，由于空气稀薄、大气压力低、温度低等特点，低压开关柜在高海拔环境下容易发生故障，影响电力系统的稳定运行。因此，研究高海拔低压开关柜运用技术具有重要的现实意义。

1 高海拔地区的环境特征

开关设备的性能取决于环境变量，国家标准涵盖了最相关和最重要的环境参数。

1.1 空气压力和空气密度下降

高海拔地区空气稀薄，大气压力降低，导致低压开关柜内部绝缘强度下降。同时，空气介质的损耗角正切值增大，使得绝缘性能降低，易导致击穿故障。

1.2 空气温度降低

高海拔地区温度低，低压开关柜的材料性能和使用寿命会受到影响。低温环境下，设备的散热能力降低，可能导致设备过热，缩短设备使用寿命。

1.3 环境污染

污染程度是基于导电或吸湿灰尘、电离气体或盐的量以及相对湿度和发生频率的状态数。这些环境特性可能导致湿气的吸湿吸收或冷凝，从而导致穿刺阻力或表面阻力下降。

1.4 空气绝对湿度相应降低

高海拔地区湿度低，可能导致开关柜表面的水分蒸发加快，使得开关柜内部容易产生尘埃，进而影响设备的绝缘性能。此外，湿度低还可能导致开关柜的金属部件容易产生静电，增加设备故障的风险。

1.5 冷凝现象增加

高海拔地区气温较低，空气中的水分容易凝结。冷凝水可能会沿开关柜表面滴落，进入设备内部，导致绝缘性能下降、设备损坏等问题。为防止冷凝现象，需要对开关柜进行密封处理，并采取防潮、除湿措施。

2 高海拔地区对低压开关柜的主要影响

海拔高度的增加导致空气密度和空气压力的降低，如在海平面0 m处的气压为101.3 kPa，而在2 000 m高度上的气压为78.5 kPa。低压开关设备的设计和运用目前大多仅适用于2 000 m以下的海拔高度，为确保在海拔2 000 m以上至最高5 000 m的高度下可靠运行，设计验证和测试需要考虑与海拔高度相关的如下因素和影响：

1）介电强度降低，空气中的绝缘强度需要重新评估。若低压开关柜制造商通过降低工作电压Ue来补偿降低的空气绝缘强度，将导致额定冲击耐受电压Uimp的适当降低。

2）空气密度的降低导致了短路分断能力Icu和Ics降低。若低压开关柜制造商通过降低工作电压Ue和额定工作电流Ie来补偿减少的短路分断能力，将导致系统发生短路时通过电流和通过能量的减少。

3）环境空气的冷却效果降低，需要保证载流部件的温升极限。若低压开关柜制造商通过降低额定工作电流Ie来补偿降低的冷却效果，将导致负载的功率损耗减少，且保持其允许的温升极限。

3 高海拔地区对低压开关柜的参数校正分析

低压开关柜安装在2 000 m及以下环境时有其额定值（表1），如果在更高的海拔高度使用，设备的额定性能可能会发生变化。这是因为随着海拔增加，大气条件和成分将发生变化，介电强度、空气的冷却能力和大气压等技术值也会受到影响并降低。Paschen定律本质上指出，在更高的压力下，间隙的击穿特性是气体压力和间隙长度乘积的函数，通常写成：

V= （1）

式中：V为以伏特为单位的击穿电压；p为以大气或巴为单位的压力；d为以米为单位的间隙距离；常数a和b取决于气体的成分。

因此，功能单元的性能、设备都会受到降额的影响。在确定开关设备功能单元的尺寸时，必须考虑以下额定值：额定工作电流Ie、额定工作电压Ue、额定绝缘电压Ui、额定冲击耐受电压Uimp、额定极限短路分断能力Icu、工频电压（爬电距离特性）、额定环境温度T。

以低压开关柜在海拔2 000 m及以下时的参数做案例分析，当安装高度在海拔4 000 m时，需要做如下校正评估。

3.1 高海拔4 000 m处的额定工作电压Ue校正评估

因低压开关柜的额定工作电压是一个电压值，需要与额定工作电流相结合，决定设备的应用。同时，由于不同厂家的产品参数并非完全一致，具体在项目上使用前需要以产品对应厂家发布的标准为准进行评估。举例如下：

ABB的Emax2空气断路器在海拔2 000 m以下，其性能不会发生任何变化。当海拔高度超过2 000 m时，由于大气成分和压力的改变，断路器的介电强度、冷却性能等也会发生变化，因此断路器需降容使用。这些变化主要体现在最大额定工作电压和额定不间断电流。

现在以将额定工作电压为AC690 V的断路器安装于海拔4 000 m的场合为例进行分析。如表2所示，在此海拔高度标准断路器无法正常使用，需降容使用。要在AC690 V工作电压下使用断路器，必须使用AC1 150 V的型号。相反，在额定工作电压为AC400 V的系统中，即使在降容后，该型号也能满足所需的工作电压。

3.2 高海拔4 000 m处的额定绝缘电压Ui校正评估

对于海拔2 000 m以上的安装，为确定标准大气参考条件下外部的绝缘水平，通过将开关柜设备所在的服务位置所需的绝缘耐受电压乘以系数Ka[1]来确定标准化参考大气条件下的外部绝缘水平。

Ka=exp[m0（H/8 150）] （2）

式中：m0为海拔修正因子；H为海拔高度。

为确定适用的大气校正系数，可以假设环境温度和湿度的影响会相互抵消。因此，出于绝缘协调的目的，对于干式和湿式绝缘，只需考虑与位置海拔高度相对应的空气压力。即，当海拔高度为4 000 m时，对于普通绝缘，可以取m0=0.5，Ka计算如下：

Ka=expm0=exp0.5×≈1.28

在4 000 m处所需的Ui为：690×1.28=883.2 V。

除上述算法外，GB/T 20626.1—2017《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》中5.5.1规定的修正系数[2]也已发布，参见表3得出修正系数也为1.28，同样可得Ui（4 000 m）=690×1.28=

883.2 V。

国标要求直接连接到主电路的任何辅助设备均应与组件的Ui相同，但由于市场上没有太多Ui高于800 V的设备，如低压开关柜的Ui低于要求，建议使用双绝缘电缆[3]，主要原因有以下几点：

1）提高安全性能：双绝缘电缆具有两层绝缘层，相较于单层绝缘电缆，其抗干扰能力和绝缘性能更强。在电气设备中，尤其是在爆炸性气体环境中，双绝缘电缆可以降低事故风险，提高设备的安全性能。

2）增强耐电压能力：双绝缘电缆的两层绝缘层可以共同承受电压作用，使得电缆的耐电压能力得到提高。在电气设备中，这意味着双绝缘电缆在遇到短路过电压等突发状况时，能更好地保护设备和人员安全。

3）防止局部放电：双绝缘电缆可有效抑制局部放电，降低电缆绝缘层的损坏概率。局部放电是导致电缆老化、使用寿命缩短的主要原因之一，通过使用双绝缘电缆，可以延长电缆的使用寿命，降低设备的维护成本。

3.3 高海拔4 000 m处的额定冲击耐受电压Uimp校正评估

在大多数情况下，用户希望将额定冲击耐受电压Uimp保持在高水平，但这只有在能够观察到污染程度和允许的最小距离的情况下才有可能。应该注意的是，空气压力在高海拔处变化，这影响穿透电压的行为，从而也影响允许的最小距离。

3.3.1 爬电距离

爬电距离定义了沿绝缘表面的两个导电部件之间的最短距离，其要求取决于工作电压和绝缘类型。根据GB/T 7251.1—2023《低压成套开关设备和控制设备第1部分：总则》表16的规定[4]，当额定绝缘电压Ui=883.2 V、开关柜的材料组别为Ⅲa时，导体间的爬电距离约为13.78 mm，如表4所示。

3.3.2 电气间隙

根据GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验》中表A.2的规定[5]，如设备拟在4 000 m处使用，则需应用1.29的间隙修正系数（表5）。即在安装高度为4 000 m时，电气间隙约为10.3 mm。

3.4 高海拔4 000 m处的额定电流Ie校正评估

在海拔2 000 m以上的安装高度，必须校正导线散热减少的现象，校正还取决于环境温度。关于高海拔地区导体散热的减少，必须根据设备的Ie和安装海拔的环境温度应用校正系数。如前面Paschen定律指出，空气承受最大负荷值的行为与大气压力有关。根据以下不同高度的空气压力公式，会产生降额系数K3：

K3= （3）

式中：Ph为海拔X m处的气压；Pn为海拔2 000 m处的大气压。

在高海拔4 000 m处，额定工作电流Ie的修正系数：K3=≈0.88。

由于低压开关柜设备的智能设计，功率损耗可能较低，故可以选择适当的更大尺寸的导线与设备相结合使用，以校正高海拔地区的补偿散热。

4 建议

低压配电系统的保护对象是低压配电网中的各类配电设备和用电设备。作为改进Uimp的附加选项，可以使用浪涌保护装置。为实现给定过电压类别的必要Uimp，建议结合其他措施使用合适的浪涌保护器。如表6[6]所示，针对高海拔情况，过电压类别Ⅳ的电气设备可以承受更高的浪涌电压，所有进线回路均应考虑T1级浪涌保护器，以分别保护装置和设备免受瞬态电压的影响，并给出系统电压的限值，包括容许的过电压。但必须根据应用情况使用推荐的浪涌参数做后备保护。

5 结论

本文针对高海拔环境下的低压开关柜运用问题，分析了高海拔环境下低压开关柜面临的挑战，提出了相应的技术措施，通过对比和校正，验证了所提技术方案的合理性和有效性。研究结果表明，所采取的技术措施能有效提高在高海拔环境下低压开关柜的运行稳定性和可靠性。在今后的高海拔地区低压开关柜设计和应用中，应充分考虑高海拔环境的特殊性，采用针对性技术措施，以确保低压开关柜的安全稳定运行。

本文以ABB的MNS3.0低压开关柜为研究对象，当其应用从海拔2 000 m及以下扩展到4 000 m时，通过对电气参数进行校正，来满足其使用性能，如表7所示。

同时对于指定环境的开关柜设备使用建议，以及在特定安装高度下需要采取的措施，除了以上参数，还要注意如下事项：

1）尽可能采用较高绝缘等级产品。针对高海拔地区空气稀薄、绝缘强度降低的问题，可以采用增加绝缘厚度、提高绝缘等级等方法来改进绝缘结构。同时，采用局部放电检测技术，及时发现和排除设备内部的潜在隐患。

2）在高海拔环境下，设备的散热能力降低，容易导致设备过热。因此，应优化设备散热设计，提高设备散热效率。例如，采用强制风冷或水冷方式，提高设备的散热效果。

3）由于空气密度减小使得空气击穿强度降低，以及触头材料的熔点与沸点降低，在电弧电流高温的作用下，触头材料的升华比低海拔时快，触头材料损失严重。因此，针对断路器的分断能力也会相应减小，在选型时需考虑大一挡的分断容量[7]。

4）针对高海拔项目，所有进线回路均应考虑电涌保护器，以分别保护装置和设备免受瞬态电压的影响，并给出系统电压的限值，包括容许的过电压。

5）除电气间隙、爬电距离和冲击耐受电压外，高海拔地区使用低压成套设备还需要考虑空气压力、温度、污染、相对湿度、凝结等环境因素。

6）针对高海拔项目，采用热脱扣元件，由于散热条件的变化，其脱扣特性会发生一定偏移，而电子式脱扣器的脱扣特性基本上不受高原条件的影响[8]。因此，宜采用动作特性受海拔影响较小部件，如智能电子脱扣器。

7）对于电子部件，例如变频器和软启动器，可能需要按海拔降容系数，降低1 000 m以上的额定值。

8）对于某些应用，连续电流的降额系数是微不足道的，设备通常不会在其连续电流能力的极限下使用。除非另有说明，否则根据产品标准，高海拔地区的环境温度通常低于40 ℃。

[参考文献]

[1] 赵宇明，黎小林，吕金壮，等.高海拔地区外绝缘参数海拔修正方法研究[J].南方电网技术，2011，5（2）：59-63.