（已结束）2010-12-07-工控擂台-在设计和使用电气产品时，为什么要考虑海拔高度的影响 点击：4526 | 回复：32
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1、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1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%.
2)对电气间隙击穿电压的影响 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
a、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；
b、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；
c、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。a）、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长；b）、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%.
a、 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，温升随海拔升高的增高率，每100m达到2K以上。
b、 电力变压器温升随海拔的增高与冷却方式有关，其增加率每100m为：油浸自冷，额定温升的0.4%；干式自冷,额定温升的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
a、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；
b、润滑剂的蒸发及塑料制品中增塑剂的挥发加速；
c、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；
d、引起受压容器所承受压力的变化，导致受压容器容易破裂。
2、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壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。
3、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：11g/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增大，同时使电机炭刷的磨损率增加。
4、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增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。
从上述四大影响看出，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
2 、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。
对不同的电气设备影响的侧重点不同，因此设计时侧重点不同。
一、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。
二、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，温升限值接自冷变压器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%。
三、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增加，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。
(1) 温度.现有的一般低压电器产品,使用于高原地区时其动、静触头,导电体以及线圈等部分的温升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0.1~0.5℃,但大多数产品均小于0.4℃.而高原地区气温随海拔的增加而降低,其递减率为海拔每升高100m,气温降低0.5℃.所以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.对于连续工作的发热量大的电器,可适当降低电流等级使用.
(2) 绝缘耐压.由于普通型低压电器在海拔2500 m时仍有60%的耐压裕度,而且通过国产常用的继电器与转换开关等的试验表明,在海拔4000 m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4000 m以下时,均在其技术条件规定的特性曲线带范围内.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的40%~70%.但可在现场调节电流整定值,使其动作特性满足要求.
低压开关设备和控制设备一般不超过2000米
超过的话
空气稀薄，大气压力降低，降低电气间隙， 容易击穿
容易发生凝露，降低爬电距离主要是空气的冷却作用和介电强度会随着海拔的增加而下降。
比如说，低压电器在进行产品断开触头间的介电性能试验时，在海平面高度试验电压要求18.5kV，200m时要求18.1kV，500m时要求17.5kV，1000m时要求16.7kV，2000m时要求15kV。（以上参数是针对电器产品的额定冲击耐受电压为12kV来说的，在海拔2000m时的气压以80kPa为参照）
从以上参数可以看出，随着海拔的增加，产品介电性能考核的指标都下调了。因此，若超过海拔2000m，产品用户就得与制造商协商，充分考虑熄弧和绝缘的影响了。通常情况超过海拔2000m电器降低容量使用。
对于一个固定间隙，绝缘击穿电压随大气压力降低，大气压力降低到一定程度后击穿电压开始急剧增加（这个结论有实验依据，网上找得到）。但即使4000米的海拔也未达到击穿电压开始上升的气压值，因此实际使用时分断能力随海拔增加而降低，估计在空间站外面使用时所有电气元件的绝缘会变得非常好。
电气元件分断能力具体的降容系数随元件的分断原理不同而有区别，接触器和断路器不一样，普通型断路器和限流型断路器又不一样。
下面有些好些年前关于电流和电压降容的老外产品数据，供参考：
由于环境温度随海拔增加而降低，老外的产品说明书对在4000米以下工作的电气设备额定工作电流降容很小，对于3000米海拔降容系数（西门子1；ABB为0.98；施耐德为0.99；GE为0.93），4000米海拔（西门子为1，ABB为0.93，施耐德为0.96）。
海拔对电压影响较大，老外的低压电气元件，在3000米海拔最大工作电压：ABB为600V，施耐德为590V，在4000米海拔：ABB为500V，施耐德为520V。但对常用的380 /400 V的额定工作电压，并未超过相应额定绝缘电压,故不必降低使用电压。
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