淺析高海拔地區(qū)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性(bd)

淺析高海拔地區(qū)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性第4頁淺析高海拔地區(qū)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性摘要本文分析了高原地區(qū)環(huán)境條件對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響，重點(diǎn)是元器件及電源設(shè)備的降容，并提出了高原地區(qū)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞：低壓元器件，電源系統(tǒng)，海拔高度，氣壓，溫度ABSTRACTThepaperanalysestheeffectsofsomemeteorologicalplateauontheperformanceofthepowersystem，especiallyforderatingofcomponentsandpowersupplies，proposessomeissuestobeconcernedinpowersystemdesign.KEYWORDS:Lowvoltagecomponents,Powersystems,altitude,airpressure,temperature概述海拔超過1000m的地區(qū)稱為高原地區(qū)，在電源設(shè)計(jì)中，我們所能參照的電氣參數(shù)及設(shè)備數(shù)據(jù)均是在常規(guī)海拔的使用環(huán)境下得到的，但不同的使用環(huán)境會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的性能產(chǎn)生影響，因此，研究高原地區(qū)設(shè)計(jì)及選型的特殊性是很有必要的。本文分析了高原地區(qū)環(huán)境條件對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響，重點(diǎn)對(duì)元器件及電源設(shè)備的降容進(jìn)行了研究，并提出了高原地區(qū)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題。高原環(huán)境的主要特征根據(jù)GB/T14597-2010《電工產(chǎn)品不同海拔的氣候環(huán)境條件》，高原環(huán)境條件參數(shù)見表1。表1海拔高度/m010002000300040005000最高溫度/℃45，4045，4035302520氣壓/kPa101.39079.570.161.754注：1.本文主要研究室內(nèi)環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，太陽直接輻射強(qiáng)度、最大風(fēng)速、降水量及1m深土壤最高溫度與本文沒有直接關(guān)系，表格不體現(xiàn)。2.由上表可知，高原氣候的特點(diǎn):(1)海拔每升高100m大氣壓力下降約1%。(2)海拔每升高100m空氣的最高溫度和平均溫度均下降0.5℃。設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題低壓成套配電柜低壓配電柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強(qiáng)度也相應(yīng)下降，根據(jù)20626.1-2006《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分通用技術(shù)要求》，由設(shè)備廠家對(duì)低壓設(shè)備的電氣間隙以及工頻耐壓、雷電沖擊耐壓試驗(yàn)值進(jìn)行修正。因此對(duì)較大容量或結(jié)構(gòu)緊湊的柜體，設(shè)計(jì)人應(yīng)考慮配電柜體積增加對(duì)機(jī)房工藝布局的影響。低壓元器件的要求成套設(shè)備內(nèi)裝的開關(guān)器件和元件應(yīng)符合GB7251中對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的開關(guān)電器和元件選擇要求。有以下兩種選擇方法：=1\*GB3①選用高原型開關(guān)器件和元件，按高原型標(biāo)定的額定參數(shù)進(jìn)行成套設(shè)備設(shè)計(jì)；=2\*GB3②選用常規(guī)開關(guān)器件和元件，充分考慮高海拔對(duì)常規(guī)型產(chǎn)品影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。受高原型低壓元器件產(chǎn)品的訂貨及采購周期等影響，常常選用常規(guī)元器件，但目前大部分低壓元器件都是按海拔不高于2000m（或1000m）的使用環(huán)境條件設(shè)計(jì)的，需要測(cè)算高原環(huán)境對(duì)低壓電器產(chǎn)品的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)額定電壓（額定工作電壓、短時(shí)工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓）、額定工作電流、分?jǐn)嗄芰皠?dòng)作特性的影響。（1）工作電壓的選擇海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強(qiáng)度也相應(yīng)下降，使空氣間隔的放電電壓明顯降低，造成不利影響：=1\*GB3①導(dǎo)致低壓元器絕緣強(qiáng)度降低，導(dǎo)致額定工作電壓降低；=2\*GB3②低壓元器件內(nèi)部不同電位的帶電間隙容易擊穿，導(dǎo)致額定耐受電壓降低。若在高原地區(qū)采用通用低壓斷路器，如何確定工作電壓呢？通過查閱資料，著名帕申定律描述了壓力與氣體擊穿電壓的關(guān)系：當(dāng)氣體材料和電氣材料一定時(shí)，電氣間隙的擊穿電壓與電氣間隙長度和氣體壓力的乘積有關(guān)，即U=f（Pδ），典型曲線見圖3-1。PPδU擊穿電壓（kV）圖3-1U=f（Pδ）曲線圖該曲線表明，當(dāng)電氣間隙一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓有關(guān)。在大氣條件下，主要應(yīng)用谷底右側(cè)部分，這說明空氣的擊穿電壓近似與大氣壓成正比。在高海拔地區(qū)，以空氣為絕緣的電氣設(shè)備的電氣絕緣強(qiáng)度將下降，其下降程度約為海拔每升高100m，絕緣強(qiáng)度下降1%。因此對(duì)于常規(guī)低壓元器件，在超過2000m使用時(shí)應(yīng)降低額定工作電壓使用，系數(shù)取Ku=1-(χm－2000m)/100m×1%，其中χ表示海拔高度。例如電壓400V的系統(tǒng)，在4000m使用時(shí)，施耐德公司NSX低壓開關(guān)工作電壓計(jì)算為：690×[1-(4000m－2000m)/100m×1%]=552V＞400V，斷路器額定工作電壓大于系統(tǒng)電壓，該型號(hào)斷路器滿足系統(tǒng)使用。同樣短時(shí)工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓也是根據(jù)以上方法計(jì)算。（2）工作電流修正/m051015202530354045010.960.940.910.8810000.940.920.90.890.870.850.830.80.780.7620000.810.790.770.760.740.730.710.690.670.6430000.690.680.660.650.630.620.60.580.560.5440000.590.570.560.550.530.520.50.480.460.44提高機(jī)組功率的方法由上表可知，高原地區(qū)柴油發(fā)電機(jī)輸出功率將大大下降，因此建議采用恢復(fù)性增壓及中冷技術(shù)，同時(shí)提高水冷系統(tǒng)的預(yù)壓力，并改善冷卻液的散熱效果及空濾器結(jié)構(gòu)來提高效率。變壓器變壓器溫升要求對(duì)于常用的環(huán)氧樹脂干式變壓器來說，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫升及額定短時(shí)耐受電壓有著明確的校正方法。根據(jù)GB1094.11-2007《電力變壓器第11部分干式變壓器》中第11.1條~11.3條的規(guī)定，對(duì)于在正常海拔進(jìn)行試驗(yàn)，但在超過1000m海拔處運(yùn)行的變壓器，其溫升限值應(yīng)相應(yīng)遞減，超過1000m海拔部分以第500m為一級(jí)，按下列數(shù)據(jù)相應(yīng)降低：對(duì)自冷變壓器2.5%；對(duì)于例如，自冷變壓器安裝的海拔高度是4000m，要求該環(huán)樹脂干式變壓器在4000m允許溫升為80K，經(jīng)計(jì)算溫升限值校正為4000-1000/500×2.5%=15%，實(shí)際要求該設(shè)備在1000m海拔進(jìn)行試驗(yàn)溫升不大于80K×115%=92K。額定短時(shí)耐受電壓試驗(yàn)當(dāng)變壓器被規(guī)定在海拔1000米~3000米之間運(yùn)行，而其試驗(yàn)卻在正常海拔處進(jìn)行時(shí)，其額定短時(shí)耐受電壓應(yīng)根據(jù)安裝地點(diǎn)的海拔超過1000m的部分，以每增加100m增加1%的方式來提高。當(dāng)海拔超過3000m處運(yùn)行時(shí)，其絕緣水平應(yīng)由供、需雙方協(xié)商確定。防雷與接地防雷系統(tǒng)雷暴活動(dòng)與地理位置、氣候特點(diǎn)有著密不可分的聯(lián)系。根據(jù)我國高海拔地區(qū)的環(huán)境及氣象資料，詳見高原地區(qū)雷暴日統(tǒng)計(jì)表3-5。表3-5高原地區(qū)雷暴日統(tǒng)計(jì)表地點(diǎn)五道梁沱沱河安多那曲拉薩當(dāng)雄近10年平均雷暴日（d/a）36.747.8737968.174由上表可知，高原地區(qū)年平均雷暴日多，電涌防護(hù)應(yīng)重點(diǎn)考慮其殘壓對(duì)設(shè)備的影響。由于閥型避雷器火花間隙的放電電壓易受空氣密度的影響，如在高原地區(qū)選用的放電管型SPD應(yīng)換為限制電壓型SPD，并嚴(yán)格按照YD5098-2005《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配置。避雷器有以下兩種選擇方法：=1\*GB2⑴使用高原型避雷器。=2\*GB2⑵低海拔地區(qū)使用的電涌保護(hù)器在高海拔條件下使用會(huì)發(fā)生爆炸或失效問題，因此高原地區(qū)使用的SPD應(yīng)通過GB/T2423.21-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)M：低氣壓》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低氣壓實(shí)驗(yàn)，按海拔高度校正電氣裝置外絕緣爬電距離和空氣間隙。接地系統(tǒng)高原地區(qū)的凍土屬于多年凍土，在凍土區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)接地施工首先面臨的就是土壤高電阻率和凍脹災(zāi)害。高原凍土的平均土壤電阻率都在3000-5000Ω.m之間?！豆I(yè)與民用用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版中指出，在永久凍土地區(qū)，除可采取高電阻率區(qū)的降阻措施外，還可采取下列措施：（1）將接地極敷設(shè)在溶化地帶或溶化地帶的水池水坑中。（2）敷設(shè)深鉆式接地極，或充分利用井管或其他深埋在地下的金屬構(gòu)件作為接地極。（3）除深埋式接地極外，還應(yīng)敷設(shè)適當(dāng)深度（約0.5m）的伸長式接地極。（4）在接地極周圍人工處理土壤，以降低凍結(jié)溫度和土壤電阻率。（5）對(duì)于土壤高電阻率地區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要增大接地電阻值。電力電纜不同海拔地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境溫度相近，因此主要考慮室外環(huán)境溫度及敷設(shè)方式對(duì)電纜的影響。電纜的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮耐寒防凍，即電纜材質(zhì)的柔韌性、耐寒防裂性。因此要選擇能適應(yīng)較大溫差的電纜，如交聯(lián)聚乙烯絕緣耐寒電力電纜（電纜最低長期使用溫度為-40oC，最高工作溫度為90oC）等。由于高原地區(qū)多為巖石層，泥土少，室外電纜敷設(shè)時(shí)還應(yīng)考慮磨損防護(hù)，建議采用沿管溝敷設(shè)的方式。高原地區(qū)工程設(shè)計(jì)方法綜上所述，工程設(shè)計(jì)中選用常規(guī)電源設(shè)備（低壓元器件）在高于2000m使用，需要考慮以下幾個(gè)方面：1、應(yīng)對(duì)斷路器額定工作電壓、短時(shí)工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、分?jǐn)嗄芰M(jìn)行計(jì)算，考察其是否能滿足系統(tǒng)要求；建議在不考慮工程投資時(shí)，為提高可靠性，盡量采用電子脫扣器。當(dāng)投資或其他因素影響必須采用熱磁式脫扣器時(shí)，需調(diào)整脫扣時(shí)間，否則斷路器不能及時(shí)分?jǐn)喙收想娏鳎绊懴到y(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，廠家應(yīng)按照國標(biāo)等規(guī)定對(duì)成套配電柜的電氣間隙進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致配電柜體積有可能增加，設(shè)計(jì)人應(yīng)考慮配電柜體積增加對(duì)工藝布局的影響，宜在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上留有15%-25%的空間裕度。2、在超過1000m海拔處運(yùn)行的通信用不間斷電源、高頻開關(guān)電源輸出電流可按照GB/T3859.2要求進(jìn)行修正，修正系數(shù)k=1+（χm－1000m)/100m×0.4%，其中χ表示海拔高度。柴油發(fā)電機(jī)組可根據(jù)公式P=(NeC-Nf）K1?進(jìn)行修正。3、在超過1000m海拔處運(yùn)行的變壓器，溫升應(yīng)按照GB1094.11-2007要求進(jìn)行修正，常用的自冷型變壓器修正系數(shù)k=1+（χm－1000m)/500m×2.5%，其中χ表示海拔高度。因此如果在常規(guī)海拔選用F級(jí)的變壓器，在高原地區(qū)可能要選用C級(jí)的變壓器。4、高原地區(qū)選用的放電管型SPD應(yīng)換為限制電壓型SPD，并嚴(yán)格按照YD5098-2005《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配置。5、高原地區(qū)的電力電纜僅需考慮室外惡劣環(huán)境對(duì)電纜的影響，宜采用耐寒電力電纜并采用沿管溝敷設(shè)的方式。結(jié)論目前大部分低壓電源設(shè)備（元器件）都是按常規(guī)海拔的使用環(huán)境條件設(shè)計(jì)的，本文從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，依據(jù)中華人民共和國國標(biāo)、通信行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)，研究了常規(guī)設(shè)備用于高原地區(qū)參數(shù)變化及換算率，提出常規(guī)電源設(shè)備在高原地區(qū)的降容數(shù)據(jù)，有利于產(chǎn)品選型。又由于國標(biāo)及行標(biāo)是設(shè)備廠家生產(chǎn)最低要求，因此提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人