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

淺析高海拔地區(qū)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性淺析高海拔地區(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(wèn)題。關(guān)鍵詞： 低壓元器件，電源系統(tǒng)，海拔高度，氣壓，溫度 ABSTRACTThe paper analyses the effects of some meteorological plateau on the performance of the power system， especially for derating of components and power supplies， proposes some issues to be concerned in power system design.KEY WORDS:Low voltage components, Power systems, altitude, air pressure, temperature1 概述海拔超過(guò)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(wèn)題。2 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(jiàn)表 1。表 1 海拔高度和氣溫、氣壓及濕度的關(guān)系海拔高度/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(yáng)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(méi)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。3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題3.1 低壓成套配電柜3.1.1 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。3.1.2 低壓元器件的要求成套設(shè)備內(nèi)裝的開(kāi)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(kāi)關(guān)電器和元件選擇要求。有以下兩種選擇方法：選用高原型開(kāi)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)；選用常規(guī)開(kāi)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(gòu)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：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；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(guò)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(zhǎng)度和氣體壓力的乘積有關(guān)，即U=f（P），典型曲線見(jiàn)圖3-1。PU擊穿電壓（kV） 圖3-1 U=f（P）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(shuō)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(guò)2000m使用時(shí)應(yīng)降低額定工作電壓使用，系數(shù)取Ku=1-(m2000m)/100m1%，其中表示海拔高度。例如電壓400V的系統(tǒng)，在4000m使用時(shí)，施耐德公司NSX低壓開(kāi)關(guān)工作電壓計(jì)算為：6901-(4000m2000m)/100m1%=552V400V，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）工作電流修正高海拔地區(qū)大氣壓力低，空氣的熱傳導(dǎo)能力和對(duì)流換熱能力降低，電氣設(shè)備的溫升相應(yīng)增加，由此可見(jiàn)低壓器件必須降低額定工作電流。根據(jù)我國(guó)高海拔地區(qū)的環(huán)境條件，部分廠家提供的額定工作電流降容數(shù)值表3-13。表 3-1 XX元器件廠高海拔地區(qū)不同海拔高度的電流降容系數(shù)H/km2345H/km0123Ki1.000.970.930.89表3-2 ABB公司Tmax系列塑殼斷路器降容系數(shù)海拔高度（m）=2000300040005000額定電流（A）100-630100-630100-630100-630額定工作電壓（V）690600500440電流降低系數(shù) K10.980.930.9表 3-3 施耐德公司NSX 系列塑殼斷路器降容系數(shù)海拔高度（m）=2000300040005000額定電流（A）100-630100-630100-630100-630額定工作電壓（V）690550480420電流降低系數(shù) K10.960.930.9根據(jù)大量數(shù)據(jù)采集，斷路器額定工作電流下降率不大于0.5%/100m。對(duì)于常規(guī)低壓元器件，在超過(guò)2000m使用時(shí)應(yīng)降低額定電流使用，系數(shù)Ki=1-(m2000m )/100m0.5%，其中表示海拔高度。 （3）分?jǐn)嗄芰Φ男拚吆０蔚貐^(qū)大氣壓力低，空氣密度下降，低壓電弧散熱慢，電弧不易熄滅。因此，在高海拔地區(qū)，電器的分?jǐn)嗄芰?yīng)降低，電器的不同，分?jǐn)嗄芰档偷倪x擇也不同。零點(diǎn)熄弧式斷路器，觸頭壓力和回路電動(dòng)力是由額定電流決定的，故該斷路器的短路分?jǐn)嗄芰﹄S海拔的升高按工作電流的降容系數(shù) Ki 而減?。↘i為電流降容系數(shù)）；限流型斷路器的分?jǐn)嗄芰﹄S海拔的升高按額定工作電壓的降容系數(shù) Ku 而減小（Ku為電壓降容系數(shù)）。（4）動(dòng)作特性調(diào)整由熱元件作為主要脫扣元件的產(chǎn)品：如熱磁式斷路器保護(hù)特性會(huì)受到影響。海拔升高后，對(duì)流散熱能力減弱，致使熱元件的動(dòng)作時(shí)間加快，從而使產(chǎn)品的脫扣時(shí)間提前，即在高海拔的條件下，應(yīng)調(diào)整反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間T高原= T標(biāo)準(zhǔn)/ Ki 2（Ki為電流降容系數(shù)）。帶電子脫扣器的產(chǎn)品：高原環(huán)境對(duì)帶電子脫扣器的產(chǎn)品性能幾乎沒(méi)有影響。3.2 通信電源3.2.1 不間斷電源根據(jù) YD/T 1095-2008通信用不間斷電源(UPS)要求，UPS電源在超過(guò)1000m使用時(shí)，輸出容量應(yīng)依據(jù)GB/T3859.2半導(dǎo)體變流器應(yīng)用導(dǎo)則附錄B“變流器在高海拔地區(qū)使用時(shí)電流容量的修正圖”修正，詳見(jiàn)圖3-2。圖3-2 變流器在高海拔地區(qū)使用時(shí)電流容量的修正圖該圖表示，海拔超過(guò)1000m，電源輸出電流與海拔高度近似成反比。隨海拔升高，額定工作電流下降，其下降程度約為海拔每升高100m，輸出電流下降0.4%。如在4000m時(shí)需要輸出為400A，實(shí)際要求該設(shè)備在1000m海拔額定輸出電流不小于：400A1+（4000m1000m)/100m0.4%=545A。3.2.2 高頻開(kāi)關(guān)電源根據(jù)YD/T1058-2007通信用高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)要求，電源在超過(guò)1000m使用時(shí)應(yīng)降容。高頻開(kāi)關(guān)電源整流部分由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，因此也可按 “圖3-2”對(duì)輸出電流進(jìn)行修正。計(jì)算方法與UPS電源相同，在此不再贅述。3.3 柴油發(fā)電機(jī)組3.3.1 柴油發(fā)電機(jī)組容量柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等組成。柴油發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工況是：環(huán)境溫度25、相對(duì)濕度30%、大氣壓強(qiáng)為100kPa。由于高原地區(qū)的空氣稀薄，含氧量低，柴油燃燒很不充分，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率將大大下降，因此建議采用渦輪增壓機(jī)組，并對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的工作效率進(jìn)行糾正，或直接采用高原型的柴油發(fā)電機(jī)。按照GB1105.1內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況及功率、燃油消耗和機(jī)油消耗的標(biāo)定計(jì)算方法，需將在高原地區(qū)使用常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組功率進(jìn)行修正，公式簡(jiǎn)化如下：P=(NeC-Nf）K1P油機(jī)在非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的輸出功率（kW）；Ne油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的輸出功率（hp）（1hp=0.735kW）；C油機(jī)在非標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下的溫度、濕度和大氣壓力的綜合修正系數(shù)；Nf風(fēng)扇消耗功率（hp）；K1功率換算常數(shù)0.735；發(fā)電機(jī)效率。其中C見(jiàn)表3-4海拔環(huán)境溫度/m0510152025303540450-10.960.940.910.8810000.940.920.90.890.870.850.830.80.780.7620000.810.790.770.760.740.730.710.690.670.6430000.690.680.660.650.630.620.60.580.560.5440000.590.570.560.550.530.520.50.480.460.443.3.2 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(lái)提高效率。3.4 變壓器3.4.1 變壓器溫升要求對(duì)于常用的環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器來(lái)說(shuō)，國(guó)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(guò)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(guò)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)于風(fēng)冷變壓器5%。例如，自冷變壓器安裝的海拔高度是4000m，要求該環(huán)樹(shù)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80 K115%=92 K。3.4.2 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(guò)1000m的部分，以每增加100m增加1%的方式來(lái)提高。當(dāng)海拔超過(guò)3000m處運(yùn)行時(shí)，其絕緣水平應(yīng)由供、需雙方協(xié)商確定。3.5 防雷與接地3.5.1 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(guó)高海拔地區(qū)的環(huán)境及氣象資料，詳見(jiàn)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： 使用高原型避雷器。 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(wèn)題，因此高原地區(qū)使用的SPD應(yīng)通過(guò)GB/T 2423.21-2008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。3.5.2 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3000-5000.m之間。工業(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(zhǎng)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。3.6 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(zhǎng)期使用溫度為-40C，最高工作溫度為90C）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。4 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(guó)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(guò)1000m海拔處運(yùn)行的通信用不間斷電源、高頻開(kāi)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+（m1000m)/100m0.4%，其中表示海拔高度。柴油發(fā)電機(jī)組可根據(jù)公式P=(N