高原、高寒环境中使用的中压开关柜的设计思路.doc

高海拔地区使用的中压开关柜的设计思路【摘 要】 本文中介绍了高海拔地区气象条件的主要特征；分析了高海拔对中压开关柜的影响；提出了高海拔地区使用的中压开关柜的技术要求及设计思路。【关键词】 中压开关柜 高海拔地区 气象条件 电气性能 一般来说，海拔高度在1000m以上的地区统称为高海拔地区。据测算，我国1000m以上高海拔地区面积占全国总面积65，而1000m以下国土面积仅占35。高海拔地区具有较恶劣的自然气候条件，其特征为：a. 空气压力及空气密度较低；b. 空气温度较低，温度变化较大；c. 空气绝对湿度小；d. 太阳辐射照度较高；e. 降水量较少；f. 年大风日多；g. 土壤温度较低，且冻结期长。05000m海拔的气候环境参数见表1。表1环境参数海拔/km012345空气压力kPa年平均101.390.079.570.161.754.0最低97.087.277.568.060.052.5空气温度 最高45.445.435302520最高日平均35.335.325201510年平均2020151050最低+5，-5，-15，-25，-40，-45最大日温差/K15,25,30相对湿度度 %最湿月月平均最大（相应月平均最低气温/）95，90（25）95，90（25）90（20）90（15）90（10）90（5）最干月月平均最小（相应月平均最高气温/）20（15）20（15）15（15）15（10）15（5）15（0）绝对湿度度 g/m3年平均11.07.65.33.72.71.7年平均最小值3.73.22.72.21.71.3高海拔对电器设备的设计、制造有一定的影响：1. 空气压力及空气密度的降低，引起了外绝缘强度的降低。 空气的介质绝缘强度是随着气压的提高而增加，在空气稀薄或真空状态下又随着真空度的提高而提高。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.710.5kPa,外绝缘强度降低813。 随着海拔高度的增加，中压电器设备在设计、制造、安装和使用上与平原型地区产品有着较大的区别。为保证中压电器设备在高海拔地区更加安全、可靠地运行，结合多年设计、制造及运行经验，浅谈高海拔地区条件对3.640.5kV电压等级中压开关柜设计、制造的影响及要求。1 高海拔地区的定义及其气象条件的主要特征 高海拔地区气象条件的主要特征是： (1) 气压和空气密度：随着海拔高度的增加，气压将逐渐减小，空气密度随之减小； (2) 空气湿度：随着海拔高度的增加，空气湿度将下降； (3) 空气温度：随着海拔高度的增加，太阳日照辐射强度大，昼夜温差也较大； (4) 大气污秽程度：一般说来，海拔较高的地区重工业较少，由此产生的大气污秽程度较轻（但在省市中心城市除外）。2 高海拔地区对中压电器设备性能的影响分析 一般说来，中压电器设备的正常可靠运行的重要表现在于工况条件下，带电部分与大地之间的间隙（空气或复合绝缘间隙）不能被击穿。 大量的实验室数据表明，当S0.26cm时(：气体相对密度；S：极间距离)，极间间隙的击穿过程可以用流注理论来加以解释： 由于电场分布的不均匀性，在外加电压还较低时，尖极处的电场强度较高，已可能超过临界值，尖极处即有可能出现自持性放电；随着外加电压的不断升高，尖极处的起始电子在极间间隙电场作用下运动，并不断引起碰撞游离，产生电子初崩，初崩随着电压的升高而不断发展；崩头积聚大量空间电荷，导致间隙发生强烈的电场畸变，形成主崩；同时由于大量正、负离子的复合，造成光游离并发展成为衍生电子崩；各衍生电子崩与主电子崩汇合发展形成流注；当流注通道发展到接近另一极时，随着间隙距离的减小，通道端部与另一极间的场强急剧升高并发生更强烈的游离，使通道温度升高到几千摄氏度，并发展成为热游离；于是，放电由流注过渡到火花或电弧，从而完成间隙的击穿。 间隙的击穿电压还与气象条件（气压、密度、湿度、温度及污秽程度等）密切相关。 通常条件下，间隙的击穿电压随着空气压力、密度、湿度的降低而降低。其物理过程简要分析如下： 随着空气压力降低，密度随之降低，空气中自由电子的平均自由行程增大，造成撞击游离的机率增大；而随着湿度的降低，空气中水分子较少，不易俘获自由电子以形成负离子，故使自由电子的数量增多，有利于游离的发展，从而为流注的发展提供有利条件。 在高海拨地区，太阳日间辐射强度较大，使电器设备的外绝缘易发生老化。而昼夜温差通常也较大。在湿度较大的地区（湿度 40）如遇骤热骤冷，极易在电器设备表面附着许多小水珠，形成凝露。凝露一旦在介质表面形成，将提高发生沿面闪络放电的几率。同时，就目前而言，高海拔地区大多为经济不发达地区。但随着国家西部大开发进程的加快，许多的化工厂、钢厂、水泥厂、电厂等将逐渐建立起来。这样，在经济中心城市，又存在着大气的污秽程度较高对中压电器设备电气性能的影响问题。大量的厂矿、企业附近空气中的尘污中含有高导电率的溶质，由于空气的作用将逐渐附着在电器设备绝缘介质的表面。如与前述的凝露现象联合作用时，将使沿面闪络放电的几率大为增加，从而造成电器设备的闪络跳闸。长期的运行经验指出，污闪最为严重的大气条件是雾、露、雪和毛毛雨。3 高海拔地区3.640.5kV中压开关柜的技术要求 经过前面高海拨地区对中压电器设备性能影响的分析，结合多年来生产3.640.5kV中压开关柜的经验，现对其在设计、制造时应该注意的技术要求总结如下：3.1 增大空气间隙 根据对流注理论的分析，间隙击穿除与空气的相对密度有关外，与间隙的距离也密切相关。因此DL/T4041997(eqv IEC298:1990)(户内交流高压开关柜订货技术条件)6.4.1中对电气距离有明确规定，见表1。表1 以空气作为绝缘介质柜内各相导体间与对地净距(cm) 序号项目额定电压/kV3.67.2122440.51导体至接地间净距7.51012.520302不同相的导体至接地间净距7.51012.518303导体至无孔遮拦间净距10.51315.521334导体至网状遮拦间净距17.52022.528405无遮拦裸导体至地板间净距237.5240242.52482606修无遮拦裸导体之间的水平净距187.5190129.51982107出线套管至屋外通道地面间净距400400400400400注:海拔超过1000m时1、2项值应按每升高1000m增大10%进行修正；3-6项值应分别增加1或2项值的修正值。 基于此，结合国内大多数元器件及绝缘材质生产厂家提供的高原型产品的外形及安装尺寸，提出了相应的数据,见表2。并以此作为高原型开关柜内一次元件的安装要求。表2 相间、相对地空气绝缘距离(mm) 额定电压/kV海拔高度/m1000200025003000350040003.67583869094987.21001101101151251301212513813814415616340.53003303303453753903.2 加大爬电距离 长期的试验表明，绝缘介质的湿闪或污闪电压与其总的爬电距离之间有接近线性的关系。由此引入一个重要的参数爬电比距。GB390691 6.4及DL/T 4041997 6.1.2对纯瓷及有机绝缘件的外绝缘爬电比距及相应值的应用范围规定如表3：表3 爬电比距(mm/kV)污秽等级爬电比距纯瓷有机绝缘01416I1618II1820注：爬电距离=最高电压*爬电比距,对35kV开关柜的爬电比距正在考虑中。 多年的制造和运行经验表明，在一般情况下，当海拔高度满足1000mH2000m时，开关柜柜内的一次元件可以按照II级污秽条件来设计其外绝缘爬电比距，即瓷质为18mm/kV；有机绝缘为20mm/kV。（个别污秽较重地区可按有机绝缘25mm/kV考虑）。一次元件通过采用全工况，加强型绝缘产品后因其外绝缘尺寸相对来说有一定的裕度，故应能完全满足此种海拔高度条件下的运行要求.3.3 改进母排形状，增大电极的曲率半径，防止尖端放电 一般说来，电极的曲率半径越大，周边的电场分布越均匀，气隙的击穿电压也就越高。因此，在设计和制造中，铜排应尽量选用为边缘带圆角的R型排（如在KYN40.5kV柜中，母排全部采用经过硫化处理后的管形母线）。同时还须尽可能地消除电极上的锐缘、棱角、焊缝、毛刺等，提高电极表面的光洁度，消除局部场强。3.4 采用复合绝缘 当海拔高度满足2000mH4000m时，通常情况下中压开关柜外形均应加宽、加高、加深相应尺寸以满足表2的加大空气绝缘的要求。但在具体的工程中，往往会遇到特殊情况，如开关柜安装基础已按平原型柜形尺寸修建完毕或某些柜内存在空气绝缘距离无法满足的死角，致使不能达到表2要求的电气间隙，则此时应该采用复合绝缘。目前广泛采用SMC板材隔绝或缠、包热缩带、套及套硅橡胶绝缘外套等阻燃、绝缘制品进行复合绝缘处理能取得很好的绝缘效果。 DL/T 4041997 7.2.2.1 c)要求：“在金属封闭式高压开关柜中，凡采用非金属制成的隔板，如果以此来加强相间或相对地间绝缘时，在7.212kV时，其产品高压带电裸导体与该绝缘板间还应保持不小于30mm的空气间隙；在40.5kV时，保持不小于60mm的空气间隙，且为阻燃材料制成。”在此基础上，结合多年的高海拔地区的制造、运行经验，提出了表4所示的数据。表4 复合绝缘的空气距离(mm) 额定电压/kV海拔高度/mm1000200025003000350040007.2-1230333536383940.56066697275783.5 外绝缘试验电压 根据GB311.11997规定：“当高压电器用于1000m以上，但不超过4000m时，其外绝缘试验电压应为额定耐受电压乘系数K。公式为 Ka=1/(1.1-H*0.0001)式中 H使用地点的海拔高度，m。 此K系数为高原型产品的重要制造和检验依据，是高海拔地区开关柜安全、可靠运行的重要保障。由此，可得到各海拔高度修正后的工频耐压水平，见表5.表5 工频耐压水平(kV) 额定电压/kV海拔高度/mm1000200025003000350040003.62528303234367.23236384043461242474953564640.59595111119126135注：上表各值为在海拔1000m处的工频耐压试验值。3.6 柜体结构 高海拔地区条件下，要求相对地、相间距离等尺寸均须加大，这将导致开关柜外形尺寸变大。因此建议各设计院在设计或用户在订购时应向开关柜制造厂作具体咨询。3.7 辅助防护措施 由于高海拔地区特殊的气象条件，在容易产生凝露的地区，除了采用加大元器件的外绝缘爬电距离等措施外，开关柜设计中最常用的辅助防护措施有采用凝露控制器与加热元件相结合的办法以降低凝露发生的几率。凝露控制器一般有12个专用的凝露传感器，体积很小，重量轻，极其便于安装。可将1个传感器安装至断路器室，另1个安装至电缆室。能随时监测被测环境的湿度变化。一旦湿度达到一定程度，有产生凝露的可能，凝露控制器便动作，使其对应的加热元件（如梳状加热器）开始加热升温，对开关柜进行除湿、驱潮处理。当产生凝露的条件消失后，加热元件自动断开，凝露控制器又恢复到监测状态。如此循环，由此来降低凝露发生的几率。目前，国内广泛使用的凝露控制器有西安远征的SDK系列、杭州凯源的LK系列等产品。实践证明，凝露控制器在高海拔地区有着很好的运行记录和使用前景。4 国外产品在高海拔地区条件的应对措施 以厦门ABB公司的VD4M12系列真空断路器为例，从其提供的2000年4月13日在昆明电器科学研究所所作的试验报告（报告编号：2000007）以及ABB公司的“高原型VD4真空断路器”样本来看，ABB公司针对我国西部大开发的规划，对标准型VD4M12真空断路器进行了改进，开发出了高原型VD4M12真空断路器。从其样本来看，高原型VD4M12真空断路器与标准型VD4M12真空断路器的区别主要在于： (1)灭弧室外表带有裙边，外爬距大于225mm； (2)增大了环氧绝缘套筒的高度，主回路上下出线座的中心距大于275mm; (3)环氧绝缘套筒下端内表面增加肋板，外爬距达到230mm； (4)绝缘拉杆上端增设带伞裙的热缩套或带裙边，外爬距达到230mm。 通过以上四大改进措施后，ABB公司的高原型VD4 M12真空断路器完全能够满足海拔2500m条件下的绝缘要求。 以SIEMENS公司的3AH系列真空断路器为例，SIEMENS公司认为：断路器的额定绝缘水平（额定工频耐受电压，额定冲击耐受电压）是根据VDE标准0111文件和IEC71基于标准状态（大气压1013k Pa，温度20和相对湿度11g/m3）制定的，即海平面处的大气标准条件，随着海拔高度的升高，空气密度变小，绝缘体的绝缘水平下降。从海平面升高到1000m，上述的额定绝缘水平略下降9，对此VDE，IEC以及其他标准都认为是允许的。 SIEMENS公司认为：海拔修正系数应以1000