为什么电气设备使用条件规定在海拔1000米以下呢?

海拔是指所在地(产品安装处)对海平面的高度,海拔高低对产品性能有重要影响,因此国内外电工标准都规定产品使用基准海拔高度为1000m,为什么要规定1000米呢?

因为世界上多数国家海拔都不超过1000米。但是中国情况就不一样,尽管中国大部分人口都在沿海地区。但西部较大城市,中西部高原地区都在海拔1000米以上。据测算我国1000米以上高海拔地区面积占全国总面积65%,而1000米以下国土仅占35%。

一、部分城市海拔高度

我国计算的海拔高度都是以青岛的黄海海面作为零点算起的。海拔高度也称绝对高度,就是某地与海平面的高度差,通常以平均海平面做标准来计算,是表示地面某个地点高出海平面的垂直距离。
城市名称 海拔高度m 城市名称 海拔高度m
上海 3.7 厦门 63.2
北京 50 合肥 23.6
天津 3.3 宜昌 131.1
沈阳 4.5 杭州 7.2
广州 18 宁波 4.2
武汉 23.3 太原 777.9
重庆 379 乌鲁木齐 653
西安 396.9 昆明 1981.3
南京 8.9 贵阳 1071.2
大连 93.5 呼和浩特 1063
哈尔滨 145.1 大同 1067.6
福州 77 兰州 1517.2
青岛 77 拉萨 3650
长春 231.8 银川 1111.5
济南 51.6 西宁 2261.2
石家庄 81.8 南昌 46.7
郑州 110.4 成都 505.1
长沙 44.9 运城 370
南宁 72.2 宝鸡 567
延安 1070 榆林 1082

二、高海拔地区对电气元件的影响

随着海拔高度的増加,大气的压力下降,空气密度和湿度相应地減少,其特征为:

1、空气压力或空气密度较低;

2、空气温度较低,温度变化较大;

3、空气绝对湿度较小;

4、大阳辐射照度较高;

5、降水量较少;

6、年大风日多;

7、土壤温度较低,且冻结期长。

海拔每高100米,温度降低0.6度。温度的降低直接导致了绝缘材料的绝缘性能下降,如脆化,强度贬低等。另外,海拔高的地方温差较大,容易产生凝结雾气,降低绝缘。还有温度下降,海拔高导致空气稀薄,相当于绝缘空气层薄了,同时湿度会相应变大。因为这些原因,防止过流击穿,要降低容量。

海拔高度超过1000米的地区称为高原地区。高原地区气候的主要特征是:气压、温度、湿度随海拔的增高二减小,太阳辐射随海拔增高而增高。于是给电器元件带来了许多不利的影响。而我国的一般电器元件是按海拔≤1000m的环境条件设计的。

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从上表可以看出,在3500m处的大气压仅海平面大气压的65.5%,日温差大、风沙大,引起热膨胀冷缩变化剧烈,使设备密封不易保持,密封老化快,产生渗漏。

由于低温、昼夜温差大,使仪表中的线性元件发生线性变化,测试仪表(包括压力表、液压表、流量计)普遍存在精度降低、重复性差,零点漂移严重

橡胶密封件经低温试验表明,随着温度的下降,其硬度、扯断强度及伸涨率三项机械性能均表现处不同程度的下降趋势。

由于昼夜温差大、温度变化快,设备绝缘表面容易产生凝露,在低电压、污秽等综合作用下,绝缘强度急剧下降,极易产生运行电压的绝缘闪络事故。

三、空气压力或空气密度降低的影响

1、对绝缘介质强度的影响 空气压力或空气密度的降低,引起外绝缘强度的降低。

在海拔至5000m范围内,每升高100m,即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%;

2、对电气间隙言穿电压的影响对于设计定型的产品,由于其电气间隙已经固定,随空气压力的降低,其击穿电压也下降为了保证产品在高原环境使用时有足够的耐击穿能力,必须增大电气间隙高原用电工产品的电气间隙可按下表进行修正; 

3、对电晕及放电电压的影响 

(1)高海拔低气压使高压电机的局部放电起始电压降低,电晕起始电压降低,电晕腐蚀严重;

(2)高海拔低气压使电力电容器内部气压下降,导致局部放电起始电压降低;

(3)高海拔低气压使避雷器内腔电压降低,导致工频放电电压降低。

4、对开关电器灭弧性能的影响 空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低,通断能力下降和电寿命缩短。

(1)直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长;

(2)直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。

5、对介质冷却效应,即产品温升的影响 空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品,由于散热能力的下降,温升增加。

在海拔至5000m范围内,每升高1000m,即平均气压每降低7.7-10.5kPa,温升增加3%~10% 

(1)静止电器的温升随海拔升高的增高率,每100m一般在0.4K以内,但对高发热电器,如电炉、电阻器、电焊机等电器,温升随海拔升高的増高率,每100m达到2K以上。

(2)电力变压器温升随海拔的増高与冷却方式有关,其增加率每100m为:油浸自冷,额定温升的0.4%:于式自冷,额定温开的0.5%;油浸强迫风冷,额定温升的0.6%;干式强迫风冷,额定温升的1.0% c、电机的温升随海拔升高的增高率每100m为额定温升的1%。

6、对产品机械结构和密封的影响

(1)引起低密度、低浓度、多孔性材料(例如:电工绝缘材料、隔热材料等)的物理和化学性质的变化;

(2)润滑剂的蒸发及塑料制品中増塑剂的挥发加速;

(3)由于内外压力差的增大,气体或液体易从密封容器中泄漏或泄露率增大,有密封要求的电工产品,间接影响到电气性能;

(4)引起受压容器所承受压力的变化,导致受压容器容易破裂。

四、空气温度降低及温度变化(包括日温差)增大的影响

1、高原环境空气温度对产品温升的补偿  平均空气温度和最高空气温度均随海拔升高而降低,电工绝缘材料的热老化寿命决定于平均空气温度。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起电工产品运行中温升的增加。环境空气温度的补偿值为0.5K/hm。

2、日温差或温度变化对产品结构的影响  高原空气温度的日温差大。较大的温度变化使产品外売容易变形、龟裂,密封结构容易破裂。

五、空气绝对湿度减小的影响

1、绝对湿度对外绝缘强度的影响  平均绝对湿度随海拔升高而降低。绝对湿度降低时,电工产品的外绝缘强度降低,因此要考虑工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。湿度修正以零海拔时的平均绝对湿度:119/m³为基准,具体修正按GB311.2中有关规定。

2、绝对湿度对电机换向及炭刷磨损的影响  绝对湿度的降低使换向器电机的换向火花増大,同时使电机炭刷的磨损率增加。

六、太阳辐射照度,包括紫外线辐射照度增加的影响

1、高原热辐射增加的影响  

海拔5000m时最大太阳辐射度为低海拔时相应值的1.25倍,热辐射对物体起加热作用。对于户外用电工产品,太阳热辐射的增加引起较大的表面附加温升,降低有机绝缘材料的材质性能,使材料变形,产生机械热应力等影响。

2、高原紫外线辐射增加的影响  

紫外线辐射照度随海拔升高的増加率比太阳总辐射照度的增加率大得多,海拔3000m时已达低海拔时相应值的2倍。紫外线引起有机绝缘材料的加速老化,使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。

七、设计与选择

从上述空气压力或空气密度降低的影响、空气温度降低及温度变化(包括日温差)增大的影响、空气绝对湿度减小的影响、太阳辐射照度,包括紫外线辐射照度增加的影响等四大影响看出,高、低压成套开关设备使用在高原环境上的设计应该减低这些影响,提高绝缘配合,同时增大电气间隙,在选择材料上和器件上综合考虑,从结构设计和选择高原型器件入手,解决相关技术问题,其主要实现手段就是要从产品设计层面考虑。

高海拔对电气设备主要的影响是绝缘和温升两方面。可以从两个方面思考: 

(1)海拔高了后,容易放电,因此绝缘等级要升高。

由于空气稀薄,对于空气冷却的部件散热降低,因此要降低功率使用,这个要根据具体的海拔和散热条件进行计算。

(2)对不同的电气设备影响的侧重点不同,因比设计时侧重点不同。

八、设备选择方法

1、高压开关设备  

海拔升高,气压降低,空气的绝缘强度减弱,使电器外绝缘降低而对内绝缘影响很小。

由于设备的出厂试验是在正常海拔地点进行的,因此,根据IEC出版物694对于开关设备以其额定工频耐压值和额定脉冲耐压值来鉴定绝缘能力,对于使用地点超过1000M以上时,应作适当的校正。

对于10KV开关柜来说,其额定电压为12KV;额定工频耐压值(有效值)为32KV(对隔离距离)和28KV(各相之间及对地);额定脉冲耐压值(峰值)为85KV(对隔离距离)和75KV(各相之间及对地)。而随着海拔的升高,空气密度降低,散热条件变差,会使高压电器在运行中温升增加,但空气温度随海拔高度的增加而逐渐降低,基本可以补偿由海拔升高对电器温升的影响。

但对于阀式避雷器来说,情况就较为复杂。由于避雷器自身并不密封,其阀片的间距不可调,因此其火花间隙的放电电压易受空气密度的影响,所以应向设备厂商注明海拔高度,或使用高压型阀式避雷器。

2、干式变压器  

环氧树脂干式变压器,国家标准关于以上两个因素有着明确的校正方法。根据GB6450《干式变压器》中第3.2.3条和4.2条的规定,对于在超过1000M海拔处运行,并在正常海拔进行试验的变压器,其温升限值应相应递减,超过1000M海拔部分以第500M为一级,温升限值按自冷变压器2.5%、风冷变压器5%减小;额定短时工频耐受电压值同时增加6.25%

3、低压电气设备  

对于低压电气设备,情况要稍好一些。根据JB/Z0103-11标准及科研部门的调查研究,现有普通型低压电器在高原地区的使用如下:

1、温度:

现有一般低压电器产品,使用于高原地区时,其动、静触头和导电体以及线圈等部分的温度随海拔高度的增加而递增。其温升递增率为海拔每升高100M,温升增加0.1-0.5K,但大多数产品均小于0.4K。而高原地区气温随海拔高度的增加而降低,其递减率为海拔每升高100M,气温降低足够补偿由海拔升高对电器温升的影响。因此,低压电器的额定电流值可以保持不变,对于连续工作的大发热量电器,可适当降低电源等级使用。 

2、绝缘耐压:

普通型低压电器在海拔2500米时仍有60%的耐压裕度,且通过对国产常用继电器与转换开关等的试验表明,在海拔4000M及以下地区,均可在其额定电压下正常运行。

3、动作特性:

海拔升高时,双金属片热继电器和熔断器的动作特性有少许变化,但在海拔4000M下时,均在其技术条件规定的特性曲线"带"范围内RTO等国产常用熔断器的熔化特性最大偏差均在容许偏差的50%以内。

而国产常用热继电器的动作稳定性较好,其动作时间随海拔升高有显著缩短,根据不同的型号,分别为正常动作时间和40%-73%。也可在现场调节电流整定值,使其动作特性满足要求。通过对低压熔断器非线性的环境温度对时间电流特性曲线研究表明,熔体的载流能力在同样的较小的过载电流倍数情况下(即轻过载)熔断时间随环境温度减小而増加,在20度以下时,变化的程度则更大:而在同样的较大的过载电流倍数情况下(即短路保护时),熔断时间随环境温度的变化可不作考虑。

因此,在高原地区的使用熔断器开关作为配电线路的过载与短路保护时,其上下级之间的选择性应特别加以考虑。在采用低压断路器时,应留有一定的断路与工作余量。由此可见,熔断器在高原的使用环境下可靠性和保护特性更为理想。

九、国标对海拔的修正

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海拔修正为每增高100米,绝缘距离增大1%;

如果在常规海拔下做耐压试验,试验电压修正系数为Ka。

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对高压电器外绝缘水平每升高100米,降低0.8%~1.3%的外绝缘。

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