高海拔地區(qū)主要電氣設(shè)備的選型探索

袁致忠

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200）

西藏某多金屬礦山以日處理10 萬t 采選工藝為主，主要產(chǎn)品為銅、鉬等多金屬，項(xiàng)目于2021年12月底正式投產(chǎn)。該選礦系統(tǒng)平均海拔在4875 m，其中最高海拔采礦廠機(jī)械維修車間在5370 m，屬于超高海拔范圍。由于高海拔地區(qū)環(huán)境的特殊氣候條件，對主要電氣設(shè)備的選型提出更高的要求，現(xiàn)結(jié)合西藏某多金屬礦山電氣設(shè)備選型成功經(jīng)驗(yàn)，提出對高海拔主要電氣設(shè)備的選型進(jìn)行探索和研究。

1 高海拔地區(qū)的主要?dú)夂蛱匦?/h2>

據(jù)相關(guān)資料表明，我國的高海拔及以上地區(qū)面積達(dá)到了總國土面積的33%以上。高海拔及以上地區(qū)的氣候條件相對比較特殊，每一項(xiàng)都對電氣元器件的選擇產(chǎn)生重大影響，主要包括以下幾方面：空氣氣壓低，環(huán)境溫度低、溫差大，空氣干燥，紫外線強(qiáng)，降水量較少。

2 高海拔及以上地區(qū)10 kV開關(guān)柜的選型

2.1 電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度易受到氣壓與空氣密度的影響

2.1.1 對空氣絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的影響

電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度會將空氣作為絕緣介質(zhì)，而在高海拔及以上地區(qū)，隨著海拔的提升，絕緣強(qiáng)度也會隨著空氣中氣壓的降低而逐漸降低。所以部分企業(yè)在高海拔地區(qū)設(shè)計(jì)10 kV 開關(guān)柜型時(shí)，選用KYN28-24柜型，以增加導(dǎo)體之間的絕緣間距，來滿足高海拔的使用要作；在超高海拔和極高海拔地區(qū)設(shè)計(jì)10 kV 開關(guān)柜時(shí)，優(yōu)先選用氣體絕緣開關(guān)柜型。

2.1.2 擊穿電壓對電氣間隙的影響

隨著海拔的升高，環(huán)境溫度的降低，氣壓也進(jìn)一步下降，電氣元器件的擊穿電壓也會因此出現(xiàn)下降現(xiàn)象。只有增加爬電距離、電氣間的間隙，才能保證電氣設(shè)備在高海拔及以上地區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在高海拔地區(qū)也能保證電氣產(chǎn)品擁有相應(yīng)的耐壓能力。

不同海拔高度下，將空氣作為絕緣介質(zhì)的柜內(nèi)相各間及對地凈距會隨著電壓等級的不同發(fā)生變化。

當(dāng)開關(guān)柜的外形尺寸受現(xiàn)場條件的限制時(shí)，開關(guān)柜的設(shè)計(jì)時(shí)，基本采用絕緣板來增加絕緣距離，具體按如表1所示選用。

表1 海拔高度與開關(guān)絕緣距離的關(guān)系

2.2 環(huán)境溫度的降低及變化對電氣設(shè)備性能的影響

在高海拔及以上地區(qū)，其溫度會隨著時(shí)間段的變化而發(fā)生變化，對環(huán)氧樹脂電氣產(chǎn)品，容易產(chǎn)生開裂、塑性變形等損壞事件，可能造成電氣安全事故。

高海拔地區(qū)的環(huán)境溫度相對較低，開關(guān)柜內(nèi)的元器件必須滿足低溫環(huán)境的要求，如塑料配件塑性變形的選擇和潤滑方式的選擇等。

2.3 環(huán)境污穢對電氣間隙和爬電間距的影響

高污穢環(huán)境對電氣設(shè)備電氣間隙和爬電間距的影響主要有以下幾方面。

2.3.1 電氣元器件及連接部位的腐蝕影響

高海拔及以上地區(qū)還有可能存在粉塵、鹽霧、高污穢腐蝕性氣體等使用環(huán)境，當(dāng)其與潮濕性環(huán)境發(fā)生反應(yīng)后，其腐蝕性也會變得極強(qiáng)。隨著其所處時(shí)間的延長，可能還會出現(xiàn)下述問題：裸銅母線的部分部位可能會變?yōu)闇\藍(lán)色或黑色并脫落；腐蝕鍍銀母線和鍍銀開關(guān)接頭，導(dǎo)致銀線突出（銀須效應(yīng)）；母排過熱，母排的連接處的導(dǎo)電性降低，這會引發(fā)高電阻現(xiàn)象，可能會出現(xiàn)母排接觸點(diǎn)溫度過高等問題；抽取式鍍銀觸點(diǎn)開始氧化，觸點(diǎn)變黑，并開始出現(xiàn)過熱。

以上問題如果是一次回路出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致絕緣擊穿、過熱，從而引發(fā)接地故障；如果是二次回路出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)誤報(bào)、誤分合或拒動等問題，直接影響設(shè)備的安全性能，同時(shí)將造成事故停電。

2.3.2 高污穢環(huán)境下對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)零件的腐蝕影響

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)零件的表面處理工藝直接影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，特別是高污穢環(huán)境下開關(guān)柜結(jié)構(gòu)零件表面處理尤為重要，漆膜工藝和厚度，鍍鋅層工藝、附著力和厚度等指標(biāo)等應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整。不同污穢程度對應(yīng)了不同的指標(biāo)等級，在選擇鍍鋅層厚度、防護(hù)漆品牌時(shí)，也應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的污穢程度進(jìn)行調(diào)整，減少污穢環(huán)境對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)件的腐蝕作用，同時(shí)加強(qiáng)電化學(xué)腐蝕防護(hù)措施。須要注意的是，一旦開關(guān)柜結(jié)構(gòu)零部件受到腐蝕，產(chǎn)品的性能也會受到影響，例如：承擔(dān)動熱穩(wěn)定性的開關(guān)柜結(jié)構(gòu)部件就比較容易受到腐蝕，引發(fā)產(chǎn)品性能問題。

2.3.3 高污穢環(huán)境下對開關(guān)柜元器件的腐蝕影響

開關(guān)柜元器件在高污穢環(huán)境下非常容易受到腐蝕，如果元器件要應(yīng)用于高污穢環(huán)境中，一方面要提升其設(shè)計(jì)的防護(hù)等級，在元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，就要考慮在高污穢環(huán)境下腐蝕影響，提高防護(hù)等級，對其中設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，還可以根據(jù)高污穢環(huán)境的實(shí)際情況，依照我國的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，選擇相應(yīng)的金屬材料進(jìn)行控制，例如：進(jìn)口敷鋁鋅鋼板的耐腐蝕能力極強(qiáng)，通過表面處理工藝對金屬板材進(jìn)行優(yōu)化（例如加鈍化處理），都能夠提升元器件在高污穢環(huán)境中的耐腐蝕能力。除此之外，油品牌、牌號、涂層附著力、涂層厚度、質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)等，都是須要考慮的因素。

2.4 強(qiáng)紫外線對電氣設(shè)備的影響

高海拔地區(qū)太陽輻射比平原高的多，同個地區(qū)不同時(shí)間段的太陽輻射也不相同，較強(qiáng)的紫外線會加熱電氣設(shè)備或電纜材料，特別是對吸熱較強(qiáng)的顏色特別明顯，造成絕緣材料的性能下降，使導(dǎo)電體之間的空氣電離形成短路故障；同時(shí)也會造成部分材料塑性變形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。

2.5 改進(jìn)銅排及導(dǎo)體的外部形狀，均勻電場分布，防止尖端放電

為減少銅母排之間的尖端放電現(xiàn)象，盡量選用倒角銅排，應(yīng)該將銅母排的毛刺、棱角清除干凈，使銅母排的表面粗糙度盡可能降低，減少尖端分電現(xiàn)象發(fā)生。

3 高海拔地區(qū)低壓電氣設(shè)備的選型

3.1 高海拔低壓電氣設(shè)備的降容分析

針對高海拔地區(qū)地理位置標(biāo)高的抬升，造成現(xiàn)場環(huán)境溫度的降低。海拔每升高100 m，電氣設(shè)備的溫升升高約0.1～0.5 K，查詢國家標(biāo)準(zhǔn)，溫度的降低足夠補(bǔ)償由于海拔升高對電氣溫升的影響。

對于連續(xù)工作的大發(fā)熱量電氣設(shè)備，如電阻或水電阻等，可適當(dāng)降低容量來使用，保證設(shè)備的運(yùn)行安全。

部分品牌在不同海拔下的降容要求，當(dāng)海拔高度超過2000 m 時(shí)，大氣中的絕緣性能、冷卻性能、空氣壓力等都會發(fā)生變化，其性能參照表2、表3所示修正。

表2 海拔高度與電壓之間的關(guān)系

表3 海拔高度與電流之間的關(guān)系

3.2 耐壓等級

通常情況下，低壓電氣在設(shè)計(jì)與制造時(shí)，已考慮了不同海拔對電氣元器件的影響，據(jù)相關(guān)試驗(yàn)表明，大部分電氣元器件都能夠適應(yīng)海拔4000 m以下的高海拔地區(qū)，都能在額定條件下正常運(yùn)作。

上述斷路器降容說明表中，明確地指出了斷路器的工作電壓存在降低現(xiàn)象，因此在電氣設(shè)備選型時(shí)，電氣元器件應(yīng)該確保額定電壓≥690 V，才能滿足高海拔地區(qū)的正常使用要求。

3.3 動作特性

對于熱繼電器等利用雙金屬材料來檢測電流發(fā)熱溫度而動作的電氣元器件，隨著海拔高度的升高，環(huán)境溫度會降低，雙金屬材料的發(fā)熱特性也會改變，將造成電流整定值與實(shí)際運(yùn)行電流存在差異，起不到過載保護(hù)或短路保護(hù)功能。

低壓熔斷器熔體的額定載流量在過載保護(hù)情況下，熔斷時(shí)間隨高海拔現(xiàn)場環(huán)境溫度下降而抬升；而在短路保護(hù)情況下，熔斷時(shí)間只隨電流的大小相關(guān)，與環(huán)境溫度的變化無太大的關(guān)系。

4 高原電氣設(shè)備的標(biāo)識

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20626.1—2017《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品》的規(guī)定，結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境下的高原條件、海拔高度等數(shù)據(jù)，在相應(yīng)海拔分級區(qū)間確定產(chǎn)品和設(shè)備的海拔適應(yīng)能力級別，具體如下：G2 級別，海拔高度在1000 m 以上，不超過2000 m。G3 級別，海拔高度在2000 m 以上，不超過3000 m。G4 級別，海拔高度在3000 m 以上，不超過4000 m。G5 級別，海拔高度在4000 m 以上，不超過5000 m。如須按實(shí)際海拔標(biāo)注的，可按如下方法標(biāo)注，如G2.5表示海拔為2500 m；G3.6表示海拔為3600 m。

5 結(jié)束語

本文通過對高海拔地區(qū)特殊氣候條件，結(jié)合電氣設(shè)備及電氣元器件在不同海拔高度的特性曲線和選擇要求，提出了合理的選型方案，確保高海拔地區(qū)電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。