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高海拔对中压开关柜影响的探讨

2016-05-21 10:37:23 水阻柜网 阅读

1 引言

高海拔环境一般是指海拔高度高于1000m 的场合,对中压断路器及开关柜来说,在高海拔环境下可以有两种选择:一是选用气体绝缘,即:充气柜,柜体全部密封,所有电器元件装在密封的柜体中, 充SF6 气体, 来保证很好的绝缘性能。二是选择经过特殊设计的(空气绝缘)高海拔电器产品。在相同参数的情况下,气体绝缘断路器价格很高约为普通高海拔断路器的2 倍之多。同时在日常维护和保养方面普通高海拔中压断路器及开关柜更方便, 更经济。这些年我国经济重点发展西北地区,但大部分城市都属于高海拔地区,占整个西北地区面积60% 以上。经济要快速发展,电力要先行,因此生产适用于高海拔地区中压断路器及开关柜是时代发展的需要。在这种情况下,催生了高海拔中压断路器及开关柜的快速发展。我国具有实力的一些中压断路器生产厂家不断开发研制出高海拔中压断路器及开关柜,适用于高原地区海拔3500m,和4500m,都通过了国家高压电器质量监督检验中心高海拔型式试验,而且在我国高原地区运行情况良好。下面就高海拔中压断路器及开关柜研究作出一些探讨。

2 高海拔对中压断路器及开关柜的要求

1. 随着海拔高度的增加,大气的压力从而其相对密度下降, 因此外绝缘的电气强度也将随之下降。气压, 温度, 湿度等大气状态参量随海拔高度增加而变化很大, 同一海拔高度但地理位置不同时也有较大差异。在解决海拔地区电器设备外绝缘时必需考虑这些影响。

高海拔地区的主要特征是大气压力和空气密度的降低。在此首先对低气压下的一些物理机理进行一下分析:根据气体状态方程式求得空气密度与海拔高度的关系为:

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式中:PH 为海拔高度为H 时的空气密度,P0 为标准状态下的空气密度。海平面在摄氏零度气温条件下的空气密度是1292g/m3。H 为海拔高度(m),T0 为绝对湿度273K:a 为空气温度梯度,约为0.0065K/m。

通过上述方程式计算出的结果见表1:

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从表1 中可以看出海拔高度每升高1000m,相对大气压力约降低12%,空气密度约降低10%。绝对湿度随海拔高度的升高而降低。另外, 随海拔高度的升高, 空气湿度也在降低,每升高1000m 温度降低6.5K。

空气密度降低后对中压断路器及开关柜带来的直接影响表现在两个方面:一是空气稀薄后在电场中更容易发生电离, 从而导致绝缘性能的下降, 二是空气稀薄后对流散热能力下降导致载流体载流能力的下降。因此就对在高海拔地区使用的中压断路器及开关柜提出了一些特殊要求。

关于空气的电离, 电离度和空气密度并不是线性关系, 在空气密度较大和接近真空的空气密度下都不利于气体分子的电离。在空气密度较大情况下, 电子或自由电子附着在气体分子上形成的离子在电场中加速运动, 由于气体分子间的间隙很小, 分子间碰撞频繁, 离子无法加速到足够的动能去碰撞其它分子使其电离。而在接近真空的情况下, 尽管在电场中荷能电子或离子可以加速到足够的动能, 但与气体分子的碰撞概率大大降低, 同样不利于气体介质的电离。在常压情况下, 空气的电离度是随着空气密度的减小而逐渐加大的。

2. 高海拔地区要求对断路器及开关柜的工频耐压和雷电冲击耐压进行修正, 对空气密度的修正, 对空气绝缘距离进行修正, 对绝缘件的爬电距离进行修正, 对载流体的截流量进行修正。

(1) 关于工频耐压和雷电冲击耐压的修正

该修正方法在GB11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》,GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》,GB50060《3-110KV 高压配电装置设计规范》和GB/T20626.1《特殊环境下高原电工电子产品第一部分: 通用技术要求》中都有规定, 试验地点在海拔高度1000m 情况下,GB311.1.GB50060 和GB/T20626.1 中修正后数值略低。拿海拔4 0 0 0 m 修正来说按G B /T20626.1 修正其修正系数K=1/(1.1-0.4)=1.43, 2008年发布的GB50600 延用了GB311.1 中的规定。

G B / T 2 0 6 2 6 . 1 中也规定K = 1 . 4 3 。但如果按GB11022 来修正的话,通过差曲线图可知,K=1.45.

因此笔者认为按GB/T20626.1 修正较合理。修正方法见表2。

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(2) 关于空气密度的修正

国外一些文献曾提出从海拔高度计算大气相对密度和湿度,由此对外绝缘电气强度进行修正。不同海拔高度下空气相对密度δ和绝对湿度SH 可可按下式计算:

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式中:α - 空气温度梯度取0.0065℃/ 米

H - 海拔高度 米

TO - 绝对温度273℃(标准状态温度)

SO - 海平面的绝对湿度,取11 克/ 米 (标准状态湿度)

根据我国高原地区累年平均气压, 气温的气象资料。得出平均相对空气密度和海拔高度的关系如表3

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由于海拔高度变化很大,空气相对密度的变动范围也很大, 所以应按表3 推荐的方法校正。

(3) 关于空气绝缘距离的修正

在DL404 中规定每升高1000m,空气绝缘距离增加10% 在GB311.1 和50060 中也有类似的规定,在实际使用中可以按上述规定进行修正。实际上空气绝缘距离只是衡量绝缘性能的指标之一,带电体的电场优化同样是决定绝缘性能的一个非常重要的因素。

(4) 关于爬电距离的修正

目前国标里对此没有明确的规定。但在实际使用时, 高海拔情况下必须对爬电距离进行修正。试验表明, 海拔高度每升高100m,爬距增加1% 可以有效降低沿面的爬电,保证绝缘件的绝缘性能。如额定电压40.5 K V 的绝缘件在二级污秽情况下表面爬距应大于800mm 那么在海拔2000m 时其表面爬距应大于891mm,以此类推。

(5) 关于高海拔条件下载流体的降容问题

要考虑海拔高度每升高1000m,气温降低约6.5K,同时考虑大气密度降低引起的对流散热能力的下降,另外还和设备内的风道设计密切相关,在设计时要综合考虑。我们一般经验选择方法, 就是计算出负荷总的电流, 除考虑其它安全系数及余度外, 还将选用的高压断路器及高压开关柜的额定电流降低20% 使用。

3 12KV 及40.5KV 高海拔中压断路器及开关柜存在的问题

真空断路器及SF6 断路器是柜体中的核心部件,高海拔开关柜要解决的主要问题是绝缘,对于断路器来说就是要解决好主导部分的绝缘问题。采用传统的绝缘的结构, 真空 断路器生产厂家一般采用灭弧室表面加硅橡胶套的办法来加大爬距,这种方法一方面离散性较大, 另一方面存在硅橡胶套绝缘老化问题。因此, 在高海拔条件下, 应尽可能采用固封极柱结构, 可以有效提高产品的绝缘水平和稳定性。

SF6 断路器的外绝缘筒最好采用环氧树脂整体浇注绝缘,上,下出线位置浇注出套管,出线臂设计成圆棒形状, 安装在出现套管内, 以保证断路器相间之间有足够的绝缘距离。外绝缘筒设计为大裙边以保证足够的爬电距离。

目前12KV 产品经过特殊设计可使用在海拔4500m条件下, 比较稳定, 技术较成熟。制造厂在设计产品时选用电器元件符合高海拔地区也很多。是制造厂与各配套厂共同努力的结果。而40.5KV 产品目前只能使用在海拔3000m 以下,比较可靠。造成40.5KV 产品进一步提高绝缘水平的薄弱点主要在一下几个方面:

1. 带电显示装置所用传感器绝缘水平低,电场优化不合理。目前市场上的传感器普遍爬电距离小,而且二次出线位置设计在侧面接近根部的位置,这种设计对电场没有进行优化,二次出线位置绝缘是薄弱点。正确设计应该是二次出线从传感器的底部引出, 经试验证明,40.5KV 传感器改变出线位置后, 工频耐压可提高10KV 以上。

2. 接地刀刀头需进一步做好电场优化。目前市场上通用的接地刀,在动刀片和静刀座设计时没有充分考虑电场优化, 在高海拔地区应用, 也是一个薄弱环节。众所周知电器产品的尖角是造成电场极不均匀主要原因。其实最简单的办法就是将动,静触刀片的端头设计成半圆形,同时将刀片的边导成圆,去尖角,可有效的提高绝缘水平。

3. 母线套管和触头盒及支柱绝缘子需进一步做好电场优化, 加大爬距。绝缘件的电场优化非常重要, 在设计时出计算合理外还必须进行电场模拟,从而确定最佳方案。目前市场上的绝缘件在这方面不考究,特别是环氧树脂浇铸件, 由于抽真空不到位造成内存小气泡,造成局部放电不合格。还有存在爬距小, 裙边形状问题,在高海拔地区长时间应用,也是存在问题较多,都值得配套厂家的重视。

4. 高海拔开关柜体通风风道设计不合理。高海拔地区使用时, 风道设计非常重要。如果柜体不开风道, 不仅影响散热, 造成电气设备温升会升高, 还会影响绝缘性能。柜体如果通风不畅的话, 内部带电粒子浓度越来越高,湿度也越来越大,从而降低温升性能及绝缘性能。

5. 目前用修正耐压的方式进行出厂绝缘试验存在一些问题。高海拔产品在出厂试验时, 工频耐压一般按标准进行修正。这就对绝缘件的内绝缘提出严峻的考验, 尤其是4 0 . 5 K V 产品。在条件许可的情况下可考虑设置人工气候模拟室来进行耐压试验是最好的解决方式。


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