海拔對(duì)高壓電器設(shè)備空氣間隙放電性能的影響研究

張林，李林，賈連華，吳炳衛(wèi)，董俊

（昆明高海拔電器檢測(cè)有限公司 昆明電器科學(xué)研究所，昆明 651799）

引言

我國(guó)1 000 m及以上高原約占全國(guó)總面積26 %，高原地區(qū)特殊環(huán)境條件對(duì)電氣設(shè)備提出了更高技術(shù)性能要求，我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高壓電器設(shè)備的正常使用條件做了規(guī)定，一般為海拔1 000 m及以下[1]。根據(jù)昆明電器科學(xué)研究所和國(guó)家高原電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的試驗(yàn)研究，海拔升高，絕緣強(qiáng)度隨之下降，普通產(chǎn)品進(jìn)入高原地區(qū)使用，必須重新設(shè)計(jì)，進(jìn)行高海拔環(huán)境條件下模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，才能保證運(yùn)行可靠[2]。

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，以及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，地處高原的西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略格局正在改變，高海拔地區(qū)對(duì)高壓電器設(shè)備的需求也越來越大，氣壓對(duì)空氣間隙放電性能的影響研究對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品改進(jìn)升級(jí)有著重要意義。

1 試驗(yàn)研究路線設(shè)計(jì)

結(jié)合GB/T 11022-2011高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共同技術(shù)要求中10 kV電壓等級(jí)的開關(guān)柜產(chǎn)品的絕緣試驗(yàn)要求，在總結(jié)多年來各種類型10 kV高壓開關(guān)柜的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)性設(shè)計(jì)研制了一種可以模擬多種電場(chǎng)、自動(dòng)/手動(dòng)控制間隙距離調(diào)整的研究裝置，可以很好地在高海拔模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行放電性能的研究[3]。

2 研究方案

本項(xiàng)目通過異步電動(dòng)機(jī)和PLC控制帶狀銅母線和鍍鋅金屬板之間的間隙來測(cè)量不同海拔狀態(tài)時(shí)固定電壓下的放電間隙和固定間隙下的放電電壓。

為了排除溫度和濕度的影響，每次試驗(yàn)都將溫度和濕度調(diào)整到相對(duì)恒定的范圍，然后在不同海拔下依次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)分兩階段實(shí)施：第一階段研究相同溫濕度、相同電壓值、不同海拔下的放電間隙，通過改變帶狀銅母線和鍍鋅金屬板之間的電氣間隙，測(cè)試不同海拔下的放電間隙。第二階段研究相同溫濕度、相同電氣間隙、不同海拔下的放電電壓，將海拔依次升高，測(cè)試不同海拔下的放電電壓。試驗(yàn)允許誤差工頻耐受電壓±1 % kV，雷電沖擊耐受電壓±3 % kV[4]，溫度±2 ℃，相對(duì)濕度±3 %，電氣間隙±1 mm。

3 相同溫濕度、相同耐壓值、不同海拔條件下的放電間隙的試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)固定試驗(yàn)電壓，工頻耐受電壓值為42 kV、雷電沖擊耐受電壓值為75 kV。將高海拔環(huán)境模擬試驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)至20 ℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至65 %，將海拔從0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m依次升高，每個(gè)海拔下進(jìn)行5次工頻耐受電壓試驗(yàn)、5次正極性雷電沖擊耐受試驗(yàn)、5次負(fù)極性雷電沖擊耐受試驗(yàn)，測(cè)量放電臨界電氣間隙，求取平均值。不同海拔條件下的放電間隙特性見圖1。

圖1 不同海拔條件下的放電間隙特性

通過圖1數(shù)據(jù)分析可知，溫度和濕度保持相對(duì)恒定、工頻和雷電沖擊試驗(yàn)電壓不變的情況下，隨著海拔逐漸升高，放電間隙呈逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)于雷電沖擊試驗(yàn)，同一試驗(yàn)電壓值情況下，正極性和負(fù)極性放電間隙差別很大。工頻放電電氣間隙海拔2 000 m和3 000 m之間差值最大，海拔從4 000 m和5 000 m之間差值最小；正極性雷電沖擊放電電氣間隙海拔1 000 m和2 000 m之間差值最大，3 000 m和4 000 m之間差值最小；負(fù)極性雷電沖擊放電電氣間隙海拔2 000 m和3 000 m差值最大，3 000 m和4 000 m之間差值最小。海拔從0 m逐漸升高到5 000 m的過程中，負(fù)極性雷電沖擊放電電氣間隙增加的幅度最大，工頻放電電氣間隙增加的幅度次之，正極性雷電沖擊放電電氣間隙增加的幅度最小。

4 相同溫濕度、相同電氣間隙、不同海拔條件下的放電電壓試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)，固定帶狀銅母線和鍍鋅金屬板之間的電氣間隙為120 mm，將高海拔環(huán)境模擬試驗(yàn)室溫度調(diào)節(jié)至20 ℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至65 %，海拔按0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m依次升高，測(cè)試不同海拔下的臨界放電電壓，求取平均值。放電間隙特性見圖2。

圖2 不同海拔條件下的放電電壓折線圖

通過圖2數(shù)據(jù)分析可知，溫度和濕度保持相對(duì)恒定、電氣間隙不變的情況下，隨著海拔逐漸升高，放電電壓呈逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)于雷電沖擊試驗(yàn)，同一電氣間隙情況下，正極性和負(fù)極性放電電壓差別很大。工頻放電電壓海拔2 000 m和3 000 m之間差值最大，海拔從1 000 m和2 000 m之間差值最小；正極性雷電沖擊放電電壓海拔1 000 m和2 000 m之間差值最大，0 m和1 000 m之間差值最小；負(fù)極性雷電沖擊放電電壓海拔1 000 m和2 000 m差值最大，2 000 m和3 000 m之間差值最小。海拔從0 m逐漸升高到5 000 m的過程中，工頻放電電壓增加的幅度最小，正極性雷電沖擊放電電壓增加的幅度次之，負(fù)極性雷電沖擊放電電壓增加的幅度最大。

5 研究結(jié)果總結(jié)

對(duì)于帶狀銅母線和鍍鋅金屬板組成的試驗(yàn)裝置，同一試驗(yàn)電壓情況下，隨著海拔逐漸升高，放電間隙呈逐漸增大的趨勢(shì)；同一電氣間隙的情況下，隨著氣壓逐漸降低（對(duì)應(yīng)海拔逐漸升高），放電電壓呈逐漸減小的趨勢(shì)[4]。試驗(yàn)裝置的電場(chǎng)屬于極不均勻電場(chǎng)，極不均勻電場(chǎng)最顯著的特征是極性效應(yīng)。對(duì)于雷電沖擊試驗(yàn)，同一試驗(yàn)電壓值情況下，正極性和負(fù)極性放電間隙差別很大；同一電氣間隙情況下，正極性和負(fù)極性放電電壓差別同樣很大。但是，兩個(gè)階段試驗(yàn)中，電氣間隙及放電電壓隨海拔升高的具體幅度并不成線性關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

電氣間隙放電是造成電器設(shè)備運(yùn)行故障的重要原因，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。使用在高海拔地區(qū)的以空氣作為絕緣介質(zhì)的高壓電器設(shè)備，設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)充分考慮海拔對(duì)其放電性能的影響[5]。首先，應(yīng)盡可能增大電氣間隙，以提高放電電壓。其次對(duì)各內(nèi)裝元器件和母排進(jìn)行合理的布置，消除母排表面毛刺、尖角，改善電場(chǎng)分布，使電場(chǎng)盡量均勻。再次，可使用絕緣材料（玻璃、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯等）對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，在適當(dāng)位置安裝用絕緣材料制作的絕緣板、套管等。

由于每個(gè)類型的高壓電器設(shè)備，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)各不相同，電場(chǎng)分布會(huì)出現(xiàn)各種各樣的情況，高海拔環(huán)境氣壓的改變也會(huì)加劇電場(chǎng)分布的復(fù)雜程度，加之每個(gè)制造廠的生產(chǎn)工藝水平也參差不齊；因此，有時(shí)理論計(jì)算和實(shí)際成品會(huì)有很大出入，對(duì)于高海拔地區(qū)使用的產(chǎn)品應(yīng)注重試驗(yàn)手段的驗(yàn)證，按國(guó)家高原標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行高原型式試驗(yàn)，取得合格報(bào)告，得到電網(wǎng)的認(rèn)可和信任。