许刚
（厦门ABB开关有限公司）
摘要：随着“西部大开发”和“一带一路”国家战略的实施，促进了开关设备在高海拔地区的大力发展和应用，也不可避免的遇到高海拔环境应用对开关设备的使用和运行带来的影响。为了提高开关设备的环境适应性和使用可靠性及耐久性，亟需全面地、系统地分析高海拔环境应用对开关设备的影响，对制造商、设计选型者以及使用方均有起到指导性作用。
关键词：真空断路器；高海拔；绝缘；温升
1 引言
海拔是指地面某点高出海平面的垂直距离。国家标准GB11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中“正常和特殊使用条件”章节对开关设备关于海拔高度安装条件做了规定，即：安装在海拔高度不超过1000米为正常使用条件，而安装在海拔高度超过1000米则为特殊使用条件。因此，行业内通常认为海拔高度在1000米以上均为高海拔地区。
在中国的西北和西南区域，绝大部分地区海拔都在1000米以上，据测算我国1000米以上高海拔地区面积约占全国总面积的65%。另外，我国传统的水电资源约四分之三集中在西南和西北地区，煤炭、天然气资源也大部分在西北地区。同时，新兴的可再生能源，包括风力、光伏等近些年也在这些地区大力发展，同时随着“西部大开发”和“一带一路”国家战略的实施，这些都促进了开关设备在高海拔地区的大力发展和应用，也不可避免的遇到高海拔环境应用场合下对开关设备的影响。本文详细阐述高海拔环境下对真空断路器的运行性能影响，并对可能影响的方面和解决方法进行解释和分析。
图（1）巴森曲线
2 海拔分级
GB/T 20626.1-2006 《特殊环境条件 高压电工电子产品 第1部分：通用技术要求》规定，根据设备实际使用地点的海拔高度，按照高原环境条件参数，在响应海拔分级区间，来确定产品和设备的海拔适应能力级别。适应能力级别确定为：
1000m < 海拔 ≤ 2000m 为G2；
2000m < 海拔 ≤ 3000m 为G3；
3000m < 海拔 ≤ 4000m 为G4；
4000m < 海拔 ≤ 5000m 为G5。
如需按实际海拔标准的，可按如下方法标注，如G2.8表示海拔2800m；G3.5表示海拔3500m。
3 高海拔环境应用对真空断路器的影响
3.1 绝缘的影响
3.1.1 概述
空气的介质绝缘强度随气压变化成凹形曲线，在中间有一个绝缘强度的最低点，在高于该点气压时，绝缘强度随气压升高而增加；在低于该点气压时，绝缘强度随气压降低而增加。这种空气介质绝缘强度随气压变化形成凹形曲线的关系称为巴森定律，如下图（1）所示。这是因为，在空气密度较大的情况下，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他分子使其电离。而在空气密度较小的情况下，尽管电场中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。
对于真空断路器而言，通过利用该曲线的最左侧，在10-3~10-4真空度下，提高单位距离的介质绝缘强度，来获得更好的绝缘和灭弧能力。而高海拔环境处于曲线右侧，随着海拔的升高，逐渐接近于曲线的最低点，空气的介质绝缘强度会逐渐降低。而真空断路器的内绝缘完全密闭在真空灭弧室内部，其绝缘特性不受海拔高度的影响，所以，这只对真空断路器的外绝缘性能有很大的影响，外绝缘又包括主回路外绝缘和低压辅助设备和控制设备的绝缘。
3.1.2 主回路外绝缘的影响
最新的标准GB311.1和GB11022均统一采用曲线校正的方法，即：对于安装在海拔高于1000米处的设备，外绝缘在使用地点的绝缘耐受水平应为额定绝缘水平乘以按照图（2）海拔修订系数确定的Ka。当使用地点为2000米时，系数Ka=1.13；当使用地点为3000米时，系数Ka=1.28，以此类推。
3.1.3 低压辅助设备和控制设备绝缘的影响
国标GB11022规定，对于低压辅助设备和控制设备，如果海拔低于2000米，不需要采取特别的措施。对于海拔高度超过2000米，但低于4500米，需按照GB/T 16935《低压系统内设备的绝缘配合》规定的要求进行。
3.2 温升的影响
开关设备的散热主要有对流、传导和辐射三种方式，当以空气作为散热介质情况下，随着海拔高度的增加，空气密度随之降低，空气密度小对对流和传导两种散热方式都不利，因此难于散热。当在正常使用条件下（低于1000米）通过的温升试验，有可能在高海拔环境下试验失败。
GB 763-1990《交流高压电器在长期工作时的发热》规定：当电器设备使用在海拔超过1000m(但不超过4000m)且最高周围空气温度为+40℃时，其温升应按照每超过100m（以海拔高度1000m为起点）降低0.3%计算。
GB/T 20626.1对高原环境条件参数做了规定，其中最高周围空气温度的规定如下表格。
当开关设备使用地点的海拔和最高周围空气温度符合该表的要求时，由于周围空气温度降低值足够补偿海拔对温升的影响，其额定电流值可以保持不变，否则需要进行降容处理。
3.3对设备机械结构的影响
随着海拔的升高，空气压力和空气密度随之降低，这可能引起低密度、低浓度、多孔材料的物理化学性质的变化，加速润滑剂的蒸发及塑料制品中增塑剂的挥发。同时，高海拔环境下空气温度的昼夜温差较大，较大的温度变化使设备的外壳容易变形和龟裂，进而影响开关设备在分合闸操作过程的性能参数。4
3.4对绝缘材料的影响
在高海拔应用环境下，太阳辐射增强，紫外线辐射随着海拔升高的增加率也随之增多，紫外线会导致有机绝缘材料加速老化，从而降低绝缘材料的使用寿命，进而影响真空断路器等开关设备的使用寿命及运行的可靠性。
评后语
截至目前为止，我国已经对高海拔应用环境下的开关设备的影响做了很多研究，然而绝大部分是停留在绝缘方面的影响，行业内普遍认为只要绝缘水平满足要求，即完全可以满足高海拔环境应用。殊不知，设备制造商多集中在东部沿海省份，如果开关设备应用的环境超过一定海拔高度时，出厂例行试验是无法按照海拔修订系数进行，这是因为产品自身的内绝缘无法达到更多的绝缘耐受水平，因此为出厂例行试验带来诸多不变。
正如前面所述，高海拔环境应用对开关设备的影响是多因素和多方面的，需要全面地调查和分析，目前这些方面的影响还未量化，即无法通过有效的试验方法和标准判断满足与否。此外，高海拔用开关设备的技术规范，目前相关的国家标准很多，但技术要求的项目内容多为重复，且多数标准多年未更新，目前亟需一个有效的国家标准能对该特殊应用环境的开关设备的技术条件进行系统的规范，从而无论制造商，还是使用方均可以依照该标准执行。
高海拔是我国独有的特殊应用环境，其标准的制定无法借鉴IEC等国际标准，这需要我国的相关科研机构充分调研，通力合作，制定出确实可行的国家标准，保证在该特殊环境应用下开关设备的可靠性和安全性。
参考文献
1.GB/T11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》
2.GB/T 20626.1-2006 《特殊环境条件 高压电工电子产品 第1部分：通用技术要求》
3.GB/T20635-2006《特殊环境条件 高原用高压电器的技术要求》
论文作者:许刚
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/6
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