高海拔地區(qū)中壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)
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這篇文章是我的一些工作筆記和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我想和你分享一下。如果有任何錯(cuò)誤，請(qǐng)及時(shí)留言！如果它能幫助你，請(qǐng)收集并轉(zhuǎn)發(fā)朋友圈。
一般來(lái)說(shuō)，海拔1000米以上的地區(qū)統(tǒng)稱為高海拔地區(qū)。據(jù)估計(jì)，中國(guó)海拔1000米以上的地區(qū)占全國(guó)總面積的65%，而海拔1000米以下的地區(qū)僅占35%。高海拔地區(qū)自然氣候條件惡劣，其特點(diǎn)是:
A.低氣壓和密度；
氣溫較低，氣溫變化大；
C.空氣的絕對(duì)濕度低；
D.高太陽(yáng)輻照度；
E.降水量較少；
F.每年的風(fēng)力都在增加；
G.土壤溫度低，凍結(jié)期長(zhǎng)。
海拔0 ~ 5000米的氣候和環(huán)境參數(shù)見表1。
表1
環(huán)境參數(shù)
海拔/千米
1
2
3
4
5
氣壓
千帕
年平均值
101.3
90.0
79.5
70.1
61.7
54.0
最低限度
97.0
87.2
77.5
68.0
60.0
52.5
空氣溫度
℃
最高的
45.4
45.4
35
30
25
20
最大日平均值
35.3
35.3
25
20
15
10
年平均值
20
20
15
10
5
最低限度
+5，-5，-15，-25，-40，-45
最大日溫差/K
15，25，30
相對(duì)濕度%
最潮濕的月平均氣溫最大(相應(yīng)的月平均最低氣溫/℃)
95，90(25)
95，90(25)
90(20)
90(15)
90(10)
90
(5)
最干燥的月平均溫度最小(對(duì)應(yīng)的月平均最高溫度/℃)
20(15)
20(15)
15(15)
15(10)
15
(5)
15
(0)
絕對(duì)濕度g/m3
年平均值
11.0
7.6
5.3
3.7
2.7
1.7
年平均最小值
3.7
3.2
2.7
2.2
1.7
1.3
高空對(duì)電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造有一定的影響:
1.氣壓和空氣密度的降低導(dǎo)致外部絕緣強(qiáng)度的降低。
空氣的絕緣強(qiáng)度隨著氣壓的增加而增加，在稀薄空氣或真空條件下，隨著真空度的增加而增加。在海拔至5000米的范圍內(nèi)，每增加1000米，即平均氣壓每降低7.7 ~ 10.5千帕，外絕緣強(qiáng)度降低8% ~ 13%。
隨著海拔的增加，中壓電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用與平原地區(qū)有很大不同。為了保證高海拔地區(qū)中壓電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，結(jié)合多年的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析了高海拔地區(qū)條件對(duì)3.6 ~ 40.5 kV中壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)和制造的影響和要求。
1高海拔地區(qū)的定義及其氣象條件的主要特征
高海拔地區(qū)氣象條件的主要特征是:
(1)氣壓和空氣密度:隨著海拔的增加，氣壓會(huì)逐漸降低，空氣密度會(huì)降低；
(2)空氣濕度:隨著海拔的增加，空氣濕度會(huì)降低；
(3)氣溫:隨著海拔的增加，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，晝夜溫差也大；
(4)大氣污染程度:一般來(lái)說(shuō)，高海拔地區(qū)重工業(yè)較少，大氣污染程度較低(省市中心城市除外)。
2高海拔地區(qū)對(duì)中壓電氣設(shè)備性能的影響分析
一般來(lái)說(shuō)，中壓電氣設(shè)備正常可靠運(yùn)行的重要性能是帶電部分與大地之間的間隙(空氣或復(fù)合絕緣間隙)在工作條件下不會(huì)被打破。
大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，當(dāng)δs > 0.26厘米時(shí)(δ:氣體的相對(duì)密度；S:極間距離)，極間間隙的擊穿過(guò)程可以用流理論來(lái)解釋:
由于電場(chǎng)分布的不均勻性，當(dāng)外加電壓仍然較低時(shí)，尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，可能超過(guò)臨界值，并可能在尖端發(fā)生自持放電。隨著外加電壓的增加，尖極處的初始電子在極間間隙電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，不斷引起碰撞和解離，導(dǎo)致初始電子崩潰，并隨著電壓的增加而不斷發(fā)展。大量空間電荷聚集在塌縮頭中，導(dǎo)致間隙中的強(qiáng)電場(chǎng)畸變，形成主要的塌縮。與此同時(shí)，由于大量正離子和負(fù)離子的結(jié)合，光離解并發(fā)展成派生的電子雪崩。每個(gè)派生的電子雪崩與主電子雪崩合并形成一條流光；當(dāng)流動(dòng)通道發(fā)展到接近另一極時(shí)，隨著間隙距離的減小，通道末端和另一極之間的場(chǎng)強(qiáng)急劇增加，發(fā)生更強(qiáng)烈的離解，導(dǎo)致通道溫度上升到幾千攝氏度并發(fā)展成熱離解。因此，放電從流光過(guò)渡到火花或電弧，從而完成間隙的擊穿。
間隙的擊穿電壓也與氣象條件(氣壓、密度、濕度、溫度和污染程度等)密切相關(guān)。)。
在正常情況下，間隙的擊穿電壓隨著氣壓、密度和濕度的降低而降低。物理過(guò)程簡(jiǎn)要分析如下:
隨著氣壓降低，密度降低，自由電子在空氣中的平均自由行程增加，這增加了碰撞離解的可能性。然而，隨著濕度的降低，空氣中的水分子越來(lái)越少，這使得難以捕獲自由電子以形成負(fù)離子，從而增加了自由電子的數(shù)量并促進(jìn)了自由電子的發(fā)展，從而為拖纜的發(fā)展提供了有利條件。
在高海拔地區(qū)，白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)較高，使得電氣設(shè)備的外絕緣容易老化。白天和晚上的溫差通常很大。在高濕度(濕度> 40%)的區(qū)域，如果突然加熱并淬火，很容易在電氣設(shè)備表面附著許多小水滴，形成冷凝。一旦在介質(zhì)表面形成冷凝，表面閃絡(luò)放電的可能性將增加。同時(shí)，就目前而言，高海拔地區(qū)大多是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。然而，隨著西部大開發(fā)的加速，許多化工廠、鋼廠、水泥廠和發(fā)電廠將逐步建立起來(lái)。這樣，在經(jīng)濟(jì)中心城市，也存在著大氣污染嚴(yán)重影響中壓電氣設(shè)備電氣性能的問(wèn)題。工廠、礦山和企業(yè)附近空氣中的大量灰塵和污垢含有高電導(dǎo)率的溶質(zhì)，由于空氣的作用，溶質(zhì)會(huì)逐漸粘附在電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)的表面。如果結(jié)合上述凝結(jié)現(xiàn)象，表面閃絡(luò)放電的概率將大大增加，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備閃絡(luò)跳閘。長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)指出，毛毛最嚴(yán)重的污閃大氣條件是霧、露、雪和雨。
3高海拔地區(qū)3.6 ~ 40.5千伏中壓開關(guān)柜的技術(shù)要求
通過(guò)對(duì)高海區(qū)對(duì)中壓電氣設(shè)備性能影響的分析，以及多年生產(chǎn)3.6 ~ 40.5千伏中壓開關(guān)柜的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)注意的技術(shù)要求如下:
3.1增加空氣間隙
根據(jù)流理論分析，間隙擊穿與間隙距離以及空氣的相對(duì)密度密切相關(guān)。因此，電氣距離在DL/T404-1997 (EQVIEC 298: 1990)(室內(nèi)交流高壓開關(guān)柜訂購(gòu)技術(shù)條件)的6.4.1中規(guī)定，如表1所示。
表1:以空氣為絕緣介質(zhì)的機(jī)柜中各相導(dǎo)體與地之間的凈距(厘米)
序列號(hào)
項(xiàng)目
額定電壓/千伏
3.6
7.2
12
24
40.5
1
導(dǎo)體和地面之間的凈距離
7.5
10
12.5
20
30
2
不同相導(dǎo)體與地之間的凈距離
7.5
10
12.5
18
30
3
導(dǎo)體和無(wú)孔塊之間的凈距離
10.5
13
15.5
21
33
4
導(dǎo)體和網(wǎng)塊之間的凈距離
17.5
20
22.5
28
40
5
裸導(dǎo)線和地板之間的凈距離
237.5
240
242.5
248
260
6
修復(fù)裸導(dǎo)線之間的水平凈距離
187.5
190
129.5
198
210
7
出口套管與室外通道地面之間的凈距離
400
400
400
400
400
注:當(dāng)海拔超過(guò)1000米時(shí)，每增加1000米，第1項(xiàng)和第2項(xiàng)的值應(yīng)修正10%；3-6項(xiàng)分別增加1項(xiàng)或2項(xiàng)的修正值。
在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)大多數(shù)零部件和絕緣材料制造商提供的高原產(chǎn)品的外觀和安裝尺寸，給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表2所示。這用作平臺(tái)類型開關(guān)柜的主要部件的安裝要求。
表2相間和相對(duì)空氣絕緣距離(mm)
額定電壓/千伏
海拔/米
1000
2000
2500
3000
3500
4000
3.6
75
83
86
90
94
98
7.2
100
110
110
115
125
130
12
125
138
138
144
156
163
40.5
300
330
330
345
375
390
3.2增加爬電距離
長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，絕緣介質(zhì)的濕閃電壓或污閃電壓與其總爬電距離之間存在密切的線性關(guān)系。因此，引入了一個(gè)重要參數(shù)——爬電比距離。純瓷和有機(jī)絕緣外絕緣爬電比距離的適用范圍及相應(yīng)值見表3。
表3爬電比距離(毫米/千伏)
污染程度
爬電距離
純瓷器
有機(jī)絕緣材料
14
16
i
16
18
二
18
20
注:爬電距離=最大電壓*爬電比距離，爬電比距離35kV開關(guān)柜正在考慮中。
多年的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，正常情況下，當(dāng)海拔滿足1000米≤H≤2000米時(shí)，開關(guān)柜柜內(nèi)的主要部件可根據(jù)二級(jí)污染條件設(shè)計(jì)其外絕緣爬電距離，即瓷質(zhì)為18毫米/千伏；有機(jī)絕緣為20毫米/千伏。(25毫米/千伏的有機(jī)絕緣可考慮用于一些污染嚴(yán)重的地區(qū))。采用全工況時(shí)，由于采用了強(qiáng)化絕緣產(chǎn)品，初級(jí)元件的外絕緣尺寸有一定的裕量，因此應(yīng)能完全滿足這種海拔條件下的運(yùn)行要求。
3.3改善母線的形狀，增加電極的曲率半徑，防止尖端放電。
一般來(lái)說(shuō)，電極的曲率半徑越大，其周圍的電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的擊穿電壓越高。因此，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，銅排應(yīng)盡可能選擇邊緣圓滑的R形排(例如，在KYN-40.5千伏柜中，所有的母線都采用硫化處理后的管狀母線)。同時(shí)，尖銳的邊緣、邊緣、焊縫、毛刺等。必須盡可能消除電極上的電場(chǎng)，以提高電極表面的光滑度并消除局部場(chǎng)強(qiáng)。
3.4使用復(fù)合絕緣材料
當(dāng)海拔高度達(dá)到2000米≤H≤4000米時(shí)，中壓開關(guān)柜的形狀應(yīng)加寬、加高和加深，以滿足表2中增加空氣絕緣的要求。但是，在具體工程中，經(jīng)常會(huì)遇到特殊情況，如開關(guān)柜安裝基礎(chǔ)已按平柜尺寸建造，或某些柜體有死角，空氣絕緣距離達(dá)不到要求，導(dǎo)致表2要求的電氣間隙，此時(shí)應(yīng)采用復(fù)合絕緣。目前，阻燃絕緣產(chǎn)品如SMC板絕緣或包裹、熱收縮帶包裹、套管、硅橡膠絕緣套管等廣泛用于復(fù)合絕緣處理，可達(dá)到良好的絕緣效果。
DL/T 404-1997 7.2.2.1 c)要求:“在金屬封閉的高壓開關(guān)柜中，如果用非金屬制成的隔板來(lái)加強(qiáng)相間絕緣或相對(duì)接地絕緣，產(chǎn)品高壓帶電裸導(dǎo)體和絕緣板之間應(yīng)保持不小于30毫米的空氣間隙，為7.2 ~ 12千伏；在40.5千伏時(shí)，保持不小于60毫米的空氣間隙，并由阻燃材料制成。”在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多年在高海拔地區(qū)的制造和操作經(jīng)驗(yàn)，給出了表4所示的數(shù)據(jù)。
表4復(fù)合絕緣的空氣距離(mm)
額定電壓/千伏
海拔/毫米
1000
2000
2500
3000
3500
4000
7.2-12
30
33
35
36
38
39
40.5
60
66
69
72
75
78
3.5外部絕緣測(cè)試電壓
根據(jù)GB311.1-1997:“當(dāng)高壓電器使用超過(guò)1000米但不超過(guò)4000米時(shí)，外部絕緣試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定耐壓乘以Kα。公式是
Ka=1/(1.1-H*0.0001)
其中h是使用地點(diǎn)的高度，m。
該系數(shù)是高原產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗(yàn)的重要依據(jù)，也是高原地區(qū)安全可靠運(yùn)行的重要保證。結(jié)果，可以獲得各種海拔高度下的校正工頻耐受電壓水平，如表5所示。
表5工頻耐受電壓水平(千伏)
額定電壓/千伏
海拔/毫米
1000
2000
2500
3000
3500
4000
3.6
25
28
30
32
34
36
7.2
32
36
38
40
43
46
12
42
47
49
53
56
46
40.5
95
95
111
119
126
135
注:上表中的每個(gè)值均為海拔1000米的工頻耐壓試驗(yàn)值
3.6機(jī)柜結(jié)構(gòu)
在高海拔條件下，需要增加相對(duì)尺寸和相間距離，這將導(dǎo)致較大的尺寸開關(guān)柜。因此，建議各設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)或訂購(gòu)時(shí)咨詢開關(guān)柜制造商。
3.7輔助保護(hù)措施
由于高海拔地區(qū)特殊的氣象條件，在容易結(jié)露的地區(qū)，除了增加部件外絕緣的爬電距離等措施外，在開關(guān)柜的設(shè)計(jì)中最常用的輔助保護(hù)措施包括結(jié)露控制器和加熱元件的組合，以降低結(jié)露的可能性。冷凝控制器一般有1 ~ 2個(gè)特殊的冷凝傳感器，體積很小，重量很輕，安裝非常方便。一個(gè)傳感器可以安裝在斷路器室，另一個(gè)安裝在電纜室?？梢噪S時(shí)監(jiān)控被測(cè)環(huán)境的濕度變化。一旦濕度達(dá)到一定的水平，冷凝很可能發(fā)生，冷凝控制器將采取行動(dòng)，使其相應(yīng)的加熱元件(如梳形加熱器)開始加熱和除濕，洪水開關(guān)柜。當(dāng)冷凝條件消失時(shí)，加熱元件自動(dòng)斷開，冷凝控制器返回監(jiān)控狀態(tài)。這個(gè)循環(huán)減少了凝結(jié)的機(jī)會(huì)。目前，在中國(guó)廣泛使用的冷凝控制器包括Xi安遠(yuǎn)征的SDK系列和杭州開元的LK系列。實(shí)踐證明，該冷凝控制器在高海拔地區(qū)具有良好的運(yùn)行記錄和應(yīng)用前景。
4高海拔地區(qū)應(yīng)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的對(duì)策
以廈門ABB公司的VD4M12系列真空斷路器為例，根據(jù)昆明電氣科學(xué)研究所ABB公司2000年4月13日提供的試驗(yàn)報(bào)告(報(bào)告號(hào):2000007)和ABB公司的“高原VD4M12真空斷路器”樣品，ABB公司根據(jù)西部大開發(fā)的規(guī)劃，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)VD4M12真空斷路器進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了高原vd4m 12真空斷路器。從樣品來(lái)看，平臺(tái)VD4M12真空斷路器與標(biāo)準(zhǔn)VD4M12真空斷路器的區(qū)別主要在于:
(1)帶裙邊的滅弧室外桌，爬升距離大于225毫米；；
(2)環(huán)氧絕緣套管高度增加，主回路上下出線座中心距大于275毫米；
(3)環(huán)氧絕緣套管下端內(nèi)表面加肋，外爬升距離達(dá)到230毫米；；
(4)在絕緣拉桿的上端增加帶傘裙或裙的熱縮套管，爬升距離達(dá)到230 mm
經(jīng)過(guò)上述四項(xiàng)改進(jìn)措施后，ABB公司的平臺(tái)VD4 M12真空斷路器完全能夠滿足海拔2500米的絕緣要求
以SIEMENS' 3AH系列真空斷路器為例，SIEMENS認(rèn)為斷路器的額定絕緣水平(額定工頻耐受電壓、額定沖擊耐受電壓)是根據(jù)VDE標(biāo)準(zhǔn)0111文件和iec-71在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(大氣壓力1013k Pa，溫度20℃，相對(duì)濕度11g/m3)即海平面大氣標(biāo)準(zhǔn)條件下制定的，隨著海拔的升高，空氣密度降低，絕緣子的絕緣水平降低。從海平面上升到1000米，上述額定絕緣水平略微降低9%，VDE、國(guó)際電工委員會(huì)和其他標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是允許的。
西門子認(rèn)為，海拔修正系數(shù)α應(yīng)基于1000米處的隔熱層，即比海平面隔熱層低約9%(相當(dāng)于0.91或1/1.1)。
西門子認(rèn)為，當(dāng)H≥1000米時(shí)，設(shè)備選型的參考公式為:
額定耐受電壓選擇值> =(所需的額定耐受電壓/1.1*a)
下圖顯示了SIEMENS提出的高度修正系數(shù)曲線。
換句話說(shuō)，SIEMENS并沒有專門開發(fā)高原產(chǎn)品，而是通過(guò)參考海拔校正系數(shù)曲線進(jìn)行校正計(jì)算，使用電壓水平更高的產(chǎn)品來(lái)替代它們。例如，12kV系統(tǒng)在高海拔地區(qū)運(yùn)行，根據(jù)海拔高度，其真空斷路器的電壓水平可以是12kV、15kV、17 kV甚至24 kV中的一種。這確實(shí)是應(yīng)對(duì)高海拔地區(qū)的一項(xiàng)措施。
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