试论高海拔对电气设备的特殊要求

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　　摘  要：电气设备对工作环境有一定的要求，如果没有结合气候、环境的特点，选择恰当的电气设备，不仅会缩短使用寿命，而且容易在使用过程中发生电气事故，对工人的健康安全构成威胁，也影响了矿业公司的正常生产活动。高海拔地区具有空气密度低、昼夜温差大、阳光辐射强等特点，对电气设备提出了很多特殊要求。文章结合实际工作经验，在概述高海拔环境对电气设备带来多方面影响的基础上，分别从高压电气设备、低压电气设备、变压器、電缆电线等方面，就如何结合高海拔地区环境特点科学进行电气设备选择展开了简要分析。
　　关键词：高海拔地区;电气设备;空气绝对湿度;油浸式变压器
　　中图分类号：TM501+.1         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）11-0056-02
　　Abstract： Electrical equipment has certain requirements for the working environment. If the appropriate electrical equipment is not selected in combination with the characteristics of climate and environment， it will not only shorten the service life， but also will be prone to electrical accidents in the process of use. It poses a threat to the health and safety of workers and affects the normal production activities of mining companies. High altitude area has the characteristics of low air density， large diurnal temperature difference， strong sunlight radiation and so on， which has posed many special requirements for electrical equipment. On the basis of summarizing the influence of high altitude environment on electrical equipment in many aspects， and the practical working experience from the aspects of high voltage electrical equipment， low voltage electrical equipment， transformer， cable and wire， etc.， this paper briefly analyzes how to scientifically select electrical equipment in combination with the environmental characteristics of high altitude areas.
　　Keywords： high altitude area; electrical equipment; absolute humidity of air; oil-immersed transformer
　　引言
　　高原地区的矿业公司在日常生产活动中需要使用大量的电气设备，由于高原环境的特殊性，对这些电气设备也提出了特殊要求。例如高原地区昼夜温差可以达到40℃以上，电气设备必须要有较强的温度适应能力，才能防止在低温环境下出现冻裂问题，在高温环境下也能够正常运行。除了温度适应能力外，像设备壳体的抗辐射能力、绝缘性能等，也都是选择高压电气设备需要重点关注的一些要求。对于高原地区的矿业公司来说，坚持因地制宜、按需采购的原则，是提高电气设备安全运行的关键。
　　1 高海拔环境对电气设备带来的影响
　　1.1 空气压力的影响
　　海拔高度的提升会导致气压降低，两者之间的关系大体是每升高1km，气压降低10kPa。高海拔环境下，空气密度要远远低于正常环境，造成电气间隙降低，同样的电气设备，在高海拔地区更容易发生绝缘击穿现象。在额定电压下，电气设备负载运行时绝缘材料被瞬时击穿，出现熔断甚至会引起塑料绝缘材料的燃烧，由此引发电气安全事故。另外，一些设备是在低海拔地区生产制造，但是如果在高海拔地区使用，容易在设备内外形成空气压力差。设备内部的气体或液体，在压力作用下更容易向外渗漏，当压力达到一定程度后还会发生爆炸事故。
　　1.2 空气温度变化的影响
　　 高海拔地区由于空气稀薄，白天由于直接接受光照，升温较快;而夜晚由于保温能力差，地温也比平原地区更低，两点对电气设备产生的影响有：首先，温度变化快，导致电气设备的表面容易凝结水滴，加快金属外壳或金属材料的腐蚀;夜晚温度较低时，可能会造成电气设备内部的液体凝固，并且因为体积膨胀导致电气设备的管路出现破裂。其次，低温环境下陶瓷、金属以及高分子材料的脆性会明显增加，这些电气设备如果在夜晚还继续使用，很容易出现开裂、碎裂等问题。最后，长期处于温差较大的环境下，电气设备的老化速度更快，使用寿命会严重缩短。
　　1.3 空气绝对湿度变化的影响
　　高海拔地区由于光照时间长，空气湿度相对而言更低。空气湿度变化对于电气设备的影响主要是降低了介电系数。介电系数越低，对电气设备材料、性能等方面提出的要求就更高。例如正常电气设备的介电系数在2.7-3.1之间。而高海拔地区由于空气湿度较低，介电系数往往只能达到1.5左右。受此影响，电气设备要想保持正常状态工作，必须要具备更高的机械强度、更高的击穿电压和更低的热涨系数。目前来看，许多高海拔地区的矿业公司在选择工业电气设备时，并未考虑到这一方面的影响，因此电气设备发生故障的概率也会明显增加。空气压力、空气温度、空气绝对湿度三者与海拔高度的关系如下表1所示。 　　2 高海拔地区高压电气设备的选择
　　2.1 高压元器件的选择
　　在选择高压电气设备时，应当重点考虑两方面的选择标准：其一，高海拔地区所用的高压电气设备，应当比普通设备具备更强的外部绝缘性能，以降低因为空气密度降低带来的绝缘击穿等问题的发生概率。例如，对于同一品牌的设备，如果在高海拔地区使用，那么其绝缘强度应当要比低海拔地区设备高出5%-10%。在選购高压电气设备时，除了要检查其性能和质量外，对于外部绝缘性能的检查也是必不可少的环节。要重点检查空气间隙是否符合高海拔地区使用标准，另外像一些裸露在外的管路、线缆等，是否有专门的热缩材料进行包裹。只有均满足上述要求，才可以在高海拔地区正常使用。
　　2.2 高压开关柜的选择
　　开关柜是矿区电力系统输配电和保护电路安全的重要设备，开关柜内部组成设备复杂，例如有断路器、隔离开关等，这些设备的工况也会受到海拔的影响。例如，熔断器是开关柜中的核心部件之一，其作用是当线路超负荷运行时，为了保障整个电力系统不会出现崩溃，而自动熔断以切断电路，将故障设备自动从电力系统中隔离开来。在高海拔地区，由于温差较大，导致熔断器的反应不灵敏，不能对电路温度变化做出及时的动作响应，也就失去了保护作用。因此，在进行高压开关柜选择时，也要严格按照相关规定，进行科学选择。
　　3 高海拔地区低压电气设备的选择
　　3.1 绝缘耐压性
　　通常情况下，在海拔2000m时使用常规型低压电气耐压裕度为80%，加上相关的试验，我国常规型低压电气设备在海拔4000m以下的地区都可以在其额定电压之下正常工作。需要注意的是，这些电气设备在高海拔地区运行，除了会受到气压等方面的影响外，与温度、湿度等因素也有一定关系。因此，为了进一步提高电气设备的绝缘耐压性，保证矿区作业安全，在选购低压电气设备时，还应当适当提高电气设备的额定工作电压等级。这样一来，就可以保证电气设备始终在额定电压以下运行，降低了发生绝缘击穿或线路熔断的概率。但是具体的提高电压等级幅度，应当参照矿区海拔高度以及产品使用说明。
　　3.2 温度适应能力
　　在选择低压电气设备时，应当优先考虑温度阈值较大的类型，电气设备正常工作的温度上下限越大，表明其温度适应能力越强，这样即便是高海拔地区温差偏大，也能够保证电气设备始终保持正常工况。例如，电气设备正常运行下会因为电流热效应而出现发热、升温现象。此时如果周边温度正常或偏低，就可以加快热量对流，达到及时散热的目的。但是如果外部环境温度较高，就会降低热对流，电气设备不断升温，增加了发生故障的概率。因此，要结合高海拔地区的气候特点，温度变化幅度，作为重要的设备选择依据。
　　3.3 动作和脱扣特性
　　高原环境下，一般低压电器产品，其动、静触头、导电线圈等部分的温升会随着海拔升高而递减，海拔升高100m，温升增加0.1～0.5℃，而高海拔地区的气温递减率为海拔每升高100m，气温降低0.5℃，因此可认为气温降低值全部补偿。试验表明，对于低压熔断器，由于环境温度的降低而增加过载熔断时间，在20℃以下时，变化会更大;而短路熔断时间基本不会随环境温度而变化，因此设计人员在设计高原地区选用的熔断器作为配电线路的过载和短路保护时，应特别注意其环境温度对过载的影响。
　　4 高海拔地区变压器的选择
　　油浸式变压器包括油浸式风冷和油浸式自冷两种，主要散热方式为辐射散热和对流散热，散热能力受到空气密度的影响，尤其是对流散热方式在高海拔环境中散热作用有限。根据我国相关规定标准得出，在海拔1000-3000m范围内使用变压器时，在正常海拔的试验，额定受电压应该以1000m为基准，每增加100m就增加1%的外施耐受电压值，而使用地点在海拔3000m时，需要供、需双方对变压器的绝缘水平进行协商确定，而在海拔3000m处使用标称电压10kV变压器，其短时间以内的外施耐电压增长为：（3000-1000）/100×1%=28%。除此之外，在高海拔地区低温达到-25℃使用变压器时，需要选择具有足够抗寒能力的变压器及相应牌号变压器油。
　　5 高海拔地区电缆电线的选择
　　 矿业公司在采购电缆电线时，需要分别从包裹材料和线芯两方面进行选择。由于电缆电线长期暴露在空气中，受到较大温差和阳光暴晒的影响，容易出现过快老化的问题。因此对于线缆的外部包裹材料，应当具有较强的耐温性、抗紫外线能力。目前一种适合高海拔地区的材料是交联聚乙烯，在-40℃-60℃的温度范围内，可以正常使用。对于线芯方面，应当具备较强的负载能力，以减少线缆绝缘击穿问题的发生率。另外，对于电缆线缆的接头部分，由于没有绝缘保护，直接裸露在空气中，因此对其导电性和耐腐蚀性也有更高要求。
　　6 结束语
　　电气设备的使用在提升矿业公司工作效率和保障矿区安全等方面发挥了重要作用。但是随着海拔高度的增加，电气设备的运行工况也容易受到环境因素的影响。这就需要矿业公司在采购电气设备时，要结合矿区海拔高度和环境特点，选择那些符合高海拔环境的电气设备，以保证电气设备正常发挥作用，保障电气设备的操作安全。
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