高海拔环境电气设备特点及设计要求

高海拔环境电气设备特点及设计要求

杨保晏

特变电工西安电气科技有限公司 陕西 西安 710100

摘要：高海拔环境对于电气设备有着严格的标准与要求，其绝缘、温升等性能相对也较为特殊。本文介绍了高海拔气候特点，分析其对电气设备性能带来的不同影响。根据电气设备相关设计要求，提出针对性的优化措施，以供同行人员参考。

关键词：高海拔环境；电气设备；设计要求

1 高海拔气候特点

高原气候符合如下特点：（1）太阳辐射强，但是辐射差额偏小。高原地区的海拔高，空气密度、气溶胶含量包括水汽含量相应在减少。因此，太阳直接辐射大，紫外线强度十分突出。（2）温度日较差明显，相比同纬度平原甚至高出1.2倍。（3）地形条件是影响降水量的重大因素。通常，迎湿润气流的高原属于多雨带。然而，背湿润气流一侧以及高原内部，其降水相对偏少。（4）风力大，雷暴、冰雹等极端天气较长。

2高海拔环境对电气设备性能的影响

2.1 介质冷却效应（温升）

空气压力、密度的下降均会影响空气介质冷却效应，使温升逐步增加。对于利用自然对流、空气散热器或是辐射散热进行散热的各种电气设备，当散热能力下降后，其温升反而会增加。

2.2绝缘介质强度和电气间隙

当海拔增高后，空气密度随之下降，此时电器外绝缘体自身的强度也会削弱，外绝缘表面和各个电位上的带电间隙易于被击穿，应考虑耐压问题。海拔5000m范围内，每千米高度，气压平均下降7.7～10.5kpa，外绝缘体强度则下降8%～13%。

2.3 电晕及放电电压

高海拔地区具有独特的气压特点，这些都会引起局部放电电压、电晕起始电压逐步下降（每100m下降1%），同时电晕腐蚀现象也十分严重。

2.4动作性能

由于海拔上升，气温低，不利于散热，动作特性和环境有关的产品容易受影响，增加动作误差。同时，空气温度下降、温度大，太阳辐射强度以及紫外线增加等因素，均会影响设备的结构材料、电气性能，缩短整个机械的寿命。

3高海拔地区电气设计要求

3.1低压电气设备设计要求

一是电器的温升增高。一般随海拔每升高100m，环境温度降低0.5℃，温升增加约0.4K。对户外电器有明显的补偿作用，而户内及特定场所（如高温场所），则不能补偿海拔升高导致的温升增加值，最好是降低额定容量使用。二是绝缘强度下降。通常，海拔每升高100m，其绝缘强度则会下降1%，温升则增加0.4K。三是用热脱扣元件的断路器、热继电器，由于散热条件差，其脱扣特性存在较大偏移，其脱扣动作时间也会缩短。此时，需要作出必要的调整。四是低压电器的接通和分断短路电流能力受损，机械以及电气寿命逐步缩短。另外，开关电器延长了原来的燃弧时间，增加了飞弧距离。

3.2对高压电气设备设计要求

一是温升问题。气密度降低会导致散热性能降低，使 高压电器在运行过程中温升增加，虽说空气温度随海拔高度的增加而逐渐降低，其值足以补偿海拔增加对于高压电器温升带来的影响。所以，高海拔（≤4000m）地区均可使用，通常，户内高压电气维持最初的额定电流。当海拔＞4000m，则有必要校正户外高压电气设备额定电流。随着海拔的上升，同样也要酌情对室内外导体的载流量作出修正。二是外绝缘问题。当1000米＜海拔≤4000m，每升高100m，其外绝缘强度则会下降约1%。因此，需选择必要的加强保护或是高原型电器等措施。一般来说，高压电器外绝缘空气间隙及绝缘耐受电压，也要作出校正。

3.3对变压器设计要求

一是油浸和干式变压器正常使用的海拔分别＜1000m和＜500m。随着海拔的升高，变压器的温升限值也会受到干扰。此时，需降低变压器温升限值。干式自冷电抗器和各式互感器：每超过100m需要降低温升限值0.33%。水冷及蒸发冷却的变压器温升，则几乎不受海拔高度的干扰，故其温升限值无需额外校正。二是如果冷却空气温度＜40℃，其足以补偿海拔升高对温升影响的降低值。三是安装于高海拔的变压器，如果外部绝缘符合要求，冷却空气的最高日平均温度未超出表所列数值，那么变压器同样可按额定容量正常运行。

3.4对电动机设计要求

如使用地点的冷却空气最高温度低于4O℃时，其足以补偿海拔升高对温升影响的降低值，即此时电动机可按其额定容量使用，否则应按温升限度，每超过1℃，需按降低额定容量的1%运行使用。如还不能满足要求时，可向制造厂提出特殊定货要求。电机绕组绝缘和槽绝缘以固体绝缘材料为主，不受海拔高度影响，部分外绝缘，如接线柱间，滑环相问等，虽受空气密度影响，由于其间隙较大，安全因素高，可以不予考虑。

4高原电气设计的解决措施

4.1 外绝缘强度的高海拔校正因数

空气压力、湿度、温度均是影响绝缘性能的关键因素。不过，空气压力、密度的下降对于外绝缘、电气间隙二者的影响更为突出。所以在高海拔地区，有必要修正设备初始的额定绝缘水平。高海拔校正系数，仅限于以空气绝缘为核心的电气设备。为确保电气产品能够在高原地区安全地使用，并具备沿固体绝缘材料进行放电，我们应当适当增加爬电距离。根据TB/TI333-2002标准，结合绝缘电压值、过电压等级以及环境污染等级，修正它的最小电气间隙值。对电气设备来说，其实际电气间隙值必须≥修正值。

4.2开关电气设备开断性能

为防止高海拔过多地削弱开关电气设备本身的通断性能，我们要优先考虑密封（充氮）电器或是真空电器等对海拔无过多干扰的电气设备。部分设备没有办法使用密封或是真空电器，需要验证它的灭弧性能究竟能不能满足技术要求。本设计中，我们选择接点串联方式，增加开关设备自身的分断能力。对有主电路、辅助电路的电气设备应尽量采用无电弧转换控制。

4.3电气温升处理措施

针对普通的用电设备，在温度、湿度补偿作条件下，无需进行海拔修正。但是高发热设备(如电阻器或是电加热器），则需要考虑温升的干扰，并适当地减小负荷。如果设备温升裕量相对偏大，根据极限状态验算仍低于材料最大的允许温升，则可按设备出场的负荷来运行。

4.4低温材料的选用

当环境温度相对偏低，材料允许使用温度需要达到较低的环境温度。低温条件下，机械配合应力随之会扩大，而低温下电阻反而会减小，过电压衰减延缓。如果材料更新不及时，则会影响产品可靠性将。另外，橡胶产品同样也要考虑低温，使其拥有较高的弹性、密封性。部分性能不高的铁磁材料，在低温下也会影响自身的导磁性能。所以，要尽量选择导磁性能相对稳定的铁磁材料。

4.5电器的耐低温性

温度降低时，由于线圈的电阻降低，其吸合的电流安匝数增加较大，容易引起触头弹跳，影响设备的机械寿命和电气寿命。应对线圈进行修改设计（以高原的最高温度来核算）或增加减振措施或增加节能模块，以免影响设备性能。对有低温工作要求的电子设备，应正确选用耐低温的电子元器件。模拟电路在低温下容易产生特性漂移，应尽量采用数字电路。印制板、焊接电路应采用低温焊锡焊接。在高海拔地区，采用热保护的电气元器件，因散热问题可能改变整个保护曲线。所以，最好选用电磁保护式的电气元器件。

4.6电气的处理措施

一是当电力变压器的安装海拔＞1000m，但是试验地点＜1000m时，自冷式变压器（AN）绕组平均温升限值需要结合海拔升高作出校正，以每增加400m减少1K为准；风冷式变压器（AF），则宜海拔每增加250m减少 lK为准计算。

二是低压电器、电控设备低压电器以及低压成套开关设备等，当海拔上升后，需考虑空气介质电强度及其冷却效应的影响。同时，按如下原则作出修正：在降容值使用场地，海拔每上升100m，需要增加0.5%；当使用场地海拔每上升100m，则允许温升试验值要减少0.4K。

三是电力半导体器件、堆和装置，需要在海拔≥1000m的场景使用，因那里的空气比较稀薄，散热不易，其电流容量也会比规定值耕地。因此，高原用半导体器件建议选择加大爬电距离的瓷外壳，而散热片间电气间隙也要加大结构设计。变频器负载择按如下标准选用：以1000m为起点，按每升高100m，增加1%进行配置；低温下，可控元件的触发功率要加大。

结语

高海拔地区电气设备的选择和设计时，要考虑到高海拔地区的气候和环境特 点，要有针对性的作出相应的修正，正确选用适合于高海拔地区的电气设备。

参考文献：

[1]旺久,李坚.高原电气绝缘性能修正[J].能源.电力，2014,8．

[2]李德龙.高原型气候对电气设备的影响[J].青海大学学报，2019,8．