淺析高海拔地區電源系統設計的特殊性淺析高海拔地區電源系統設計的特殊性摘 要本文分析了高原地區環境條件對電源系統性能的影響，重點是元器件及電源設備的降容，并提出了高原地區的電源系統設計應注意的問題。關鍵詞： 低壓元器件，電源系統，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1000m的地區稱為高原地區，在電源設計中，我們所能參照的電氣參數及設備數據均是在常規海拔的使用環境下得到的，但不同的使用環境會對電氣設備的性能產生影響，因此，研究高原地區設計及選型的特殊性是很有必要的。本文分析了高原地區環境條件對電源系統性能的影響，重點對元器件及電源設備的降容進行了研究，并提出了高原地區的電源系統設計應注意的問題。2 高原環境的主要特征根據GB/T14597-2010電工產品不同海拔的氣候環境條件，高原環境條件參數見表 1。表 1 海拔高度和氣溫、氣壓及濕度的關系海拔高度/m010002000300040005000最高溫度/45，4045，4035302520氣壓/kPa101.39079.570.161.754注：1.本文主要研究室內環境對設備的影響，太陽直接輻射強度、最大風速、降水量及1m深土壤最高溫度與本文沒有直接關系，表格不體現。2.由上表可知，高原氣候的特點:(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 設計關鍵問題3.1 低壓成套配電柜3.1.1 低壓配電柜系統結構海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強度也相應下降，根據 20626.1-2006特殊環境條件高原電工電子產品 第1部分 通用技術要求，由設備廠家對低壓設備的電氣間隙以及工頻耐壓、雷電沖擊耐壓試驗值進行修正。因此對較大容量或結構緊湊的柜體，設計人應考慮配電柜體積增加對機房工藝布局的影響。3.1.2 低壓元器件的要求成套設備內裝的開關器件和元件應符合GB7251中對應的產品標準規定的開關電器和元件選擇要求。有以下兩種選擇方法：選用高原型開關器件和元件，按高原型標定的額定參數進行成套設備設計；選用常規開關器件和元件，充分考慮高海拔對常規型產品影響進行設計。受高原型低壓元器件產品的訂貨及采購周期等影響，常常選用常規元器件，但目前大部分低壓元器件都是按海拔不高于2000m（或1000m）的使用環境條件設計的，需要測算高原環境對低壓電器產品的影響，主要體現在對額定電壓（額定工作電壓、短時工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓）、額定工作電流、分斷能力及動作特性的影響。（1）工作電壓的選擇海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強度也相應下降，使空氣間隔的放電電壓明顯降低，造成不利影響：導致低壓元器絕緣強度降低，導致額定工作電壓降低；低壓元器件內部不同電位的帶電間隙容易擊穿，導致額定耐受電壓降低。若在高原地區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系：當氣體材料和電氣材料一定時，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，即U=f（P），典型曲線見圖3-1。PU擊穿電壓（kV） 圖3-1 U=f（P）曲線圖該曲線表明，當電氣間隙一定時，擊穿電壓只與氣壓有關。在大氣條件下，主要應用谷底右側部分，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，以空氣為絕緣的電氣設備的電氣絕緣強度將下降，其下降程度約為海拔每升高100m，絕緣強度下降1%。因此對于常規低壓元器件，在超過2000m使用時應降低額定工作電壓使用，系數取Ku=1-(m2000m)/100m1%，其中表示海拔高度。例如電壓400V的系統，在4000m使用時，施耐德公司NSX低壓開關工作電壓計算為：6901-(4000m2000m)/100m1%=552V400V，斷路器額定工作電壓大于系統電壓，該型號斷路器滿足系統使用。同樣短時工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓也是根據以上方法計算。（2）工作電流修正高海拔地區大氣壓力低，空氣的熱傳導能力和對流換熱能力降低，電氣設備的溫升相應增加，由此可見低壓器件必須降低額定工作電流。根據我國高海拔地區的環境條件，部分廠家提供的額定工作電流降容數值表3-13。表 3-1 XX元器件廠高海拔地區不同海拔高度的電流降容系數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 K10.980.930.9表 3-3 施耐德公司NSX 系列塑殼斷路器降容系數海拔高度（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 K10.960.930.9根據大量數據采集，斷路器額定工作電流下降率不大于0.5%/100m。對于常規低壓元器件，在超過2000m使用時應降低額定電流使用，系數Ki=1-(m2000m )/100m0.5%，其中表示海拔高度。 （3）分斷能力的修正高海拔地區大氣壓力低，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，電器的分斷能力應降低，電器的不同，分斷能力降低的選擇也不同。零點熄弧式斷路器，觸頭壓力和回路電動力是由額定電流決定的，故該斷路器的短路分斷能力隨海拔的升高按工作電流的降容系數 Ki 而減小（Ki為電流降容系數）；限流型斷路器的分斷能力隨海拔的升高按額定工作電壓的降容系數 Ku 而減小（Ku為電壓降容系數）。（4）動作特性調整由熱元件作為主要脫扣元件的產品：如熱磁式斷路器保護特性會受到影響。海拔升高后，對流散熱能力減弱，致使熱元件的動作時間加快，從而使產品的脫扣時間提前，即在高海拔的條件下，應調整反時限過載保護的動作時間T高原= T標準/ Ki 2（Ki為電流降容系數）。帶電子脫扣器的產品：高原環境對帶電子脫扣器的產品性能幾乎沒有影響。3.2 通信電源3.2.1 不間斷電源根據 YD/T 1095-2008通信用不間斷電源(UPS)要求，UPS電源在超過1000m使用時，輸出容量應依據GB/T3859.2半導體變流器應用導則附錄B“變流器在高海拔地區使用時電流容量的修正圖”修正，詳見圖3-2。圖3-2 變流器在高海拔地區使用時電流容量的修正圖該圖表示，海拔超過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時需要輸出為400A，實際要求該設備在1000m海拔額定輸出電流不小于：400A1+（4000m1000m)/100m0.4%=545A。3.2.2 高頻開關電源根據YD/T1058-2007通信用高頻開關電源系統要求，電源在超過1000m使用時應降容。高頻開關電源整流部分由半導體材料構成，因此也可按 “圖3-2”對輸出電流進行修正。計算方法與UPS電源相同，在此不再贅述。3.3 柴油發電機組3.3.1 柴油發電機組容量柴油發電機組主要由柴油機、發電機、配電系統、機械結構件等組成。柴油發電機的標準工況是：環境溫度25、相對濕度30%、大氣壓強為100kPa。由于高原地區的空氣稀薄，含氧量低，柴油燃燒很不充分，柴油發電機輸出功率將大大下降，因此建議采用渦輪增壓機組，并對柴油發電機的工作效率進行糾正，或直接采用高原型的柴油發電機。按照GB1105.1內燃機臺架性能試驗方法 標準環境狀況及功率、燃油消耗和機油消耗的標定計算方法，需將在高原地區使用常規柴油發電機組功率進行修正，公式簡化如下：P=(NeC-Nf）K1P油機在非標準大氣壓的輸出功率（kW）；Ne油機在標準大氣壓的輸出功率（hp）（1hp=0.735kW）；C油機在非標準大氣狀況下的溫度、濕度和大氣壓力的綜合修正系數；Nf風扇消耗功率（hp）；K1功率換算常數0.735；發電機效率。其中C見表3-4海拔環境溫度/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 提高機組功率的方法由上表可知，高原地區柴油發電機輸出功率將大大下降，因此建議采用恢復性增壓及中冷技術，同時提高水冷系統的預壓力，并改善冷卻液的散熱效果及空濾器結構來提高效率。3.4 變壓器3.4.1 變壓器溫升要求對于常用的環氧樹脂干式變壓器來說，國家標準對于溫升及額定短時耐受電壓有著明確的校正方法。根據GB1094.11-2007電力變壓器 第11部分 干式變壓器中第11.1條11.3條的規定，對于在正常海拔進行試驗，但在超過1000m海拔處運行的變壓器，其溫升限值應相應遞減，超過1000m海拔部分以第500m為一級，按下列數據相應降低：對自冷變壓器2.5%；對于風冷變壓器5%。例如，自冷變壓器安裝的海拔高度是4000m，要求該環樹脂干式變壓器在4000m允許溫升為80K，經計算溫升限值校正為4000-1000/500 2.5% =15%，實際要求該設備在1000m海拔進行試驗溫升不大于80 K115%=92 K。3.4.2 額定短時耐受電壓試驗當變壓器被規定在海拔1000米3000米之間運行，而其試驗卻在正常海拔處進行時，其額定短時耐受電壓應根據安裝地點的海拔超過1000m的部分，以每增加100m增加1%的方式來提高。當海拔超過3000m處運行時，其絕緣水平應由供、需雙方協商確定。3.5 防雷與接地3.5.1 防雷系統雷暴活動與地理位置、氣候特點有著密不可分的聯系。根據我國高海拔地區的環境及氣象資料，詳見高原地區雷暴日統計表3-5。表3-5 高原地區雷暴日統計表地點五道梁沱沱河安多那曲拉薩當雄近10年平均雷暴日（d/a）36.747.8737968.174由上表可知，高原地區年平均雷暴日多，電涌防護應重點考慮其殘壓對設備的影響。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，如在高原地區選用的放電管型SPD應換為限制電壓型SPD，并嚴格按照YD5098-2005通信局（站）防雷與接地工程設計規范進行配置。避雷器有以下兩種選擇方法： 使用高原型避雷器。 低海拔地區使用的電涌保護器在高海拔條件下使用會發生爆炸或失效問題，因此高原地區使用的SPD應通過GB/T 2423.21-2008電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗M：低氣壓標準中規定的低氣壓實驗，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 接地系統高原地區的凍土屬于多年凍土，在凍土區進行基礎接地施工首先面臨的就是土壤高電阻率和凍脹災害。高原凍土的平均土壤電阻率都在3000-5000.m之間。工業與民用用配電設計手冊第三版中指出，在永久凍土地區，除可采取高電阻率區的降阻措施外，還可采取下列措施：（1）將接地極敷設在溶化地帶或溶化地帶的水池水坑中。（2）敷設深鉆式接地極，或充分利用井管或其他深埋在地下的金屬構件作為接地極。（3）除深埋式接地極外，還應敷設適當深度（約0.5m）的伸長式接地極。（4）在接地極周圍人工處理土壤，以降低凍結溫度和土壤電阻率。（5）對于土壤高電阻率地區可根據實際需要增大接地電阻值。3.6 電力電纜不同海拔地區的室內環境溫度相近，因此主要考慮室外環境溫度及敷設方式對電纜的影響。電纜的設計應考慮耐寒防凍，即電纜材質的柔韌性、耐寒防裂性。因此要選擇能適應較大溫差的電纜，如交聯聚乙烯絕緣耐寒電力電纜（電纜最低長期使用溫度為-40C，最高工作溫度為90C）等。由于高原地區多為巖石層，泥土少，室外電纜敷設時還應考慮磨損防護，建議采用沿管溝敷設的方式。4 高原地區工程設計方法綜上所述，工程設計中選用常規電源設備（低壓元器件）在高于2000m使用，需要考慮以下幾個方面：1、應對斷路器額定工作電壓、短時工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、分斷能力進行計算，考察其是否能滿足系統要求；建議在不考慮工程投資時，為提高可靠性，盡量采用電子脫扣器。當投資或其他因素影響必須采用熱磁式脫扣器時，需調整脫扣時間，否則斷路器不能及時分斷故障電流，影響系統正常運行。同時，廠家應按照國標等規定對成套配電柜的電氣間隙進行調整，導致配電柜體積有可能增加，設計人應考慮配電柜體積增加對工藝布局的影響，宜在常規設計的基礎上留有15%-25%的空間裕度。2、在超過1000m海拔處運行的通信用不間斷電源、高頻開關電源輸出電流可按照GB/T3859.2要求進行修正，修正系數k=1+（m1000m)/100m0.4%，其中表示海拔高度。柴油發電機組可根據公式P=(N